光学元件系列(八):反射棱镜
发布时间:2020-10-26 00:00:00 阅读次数:1042

 

将一个或多个反射面磨制在同一块玻璃上形成的光学元件称为反射棱镜,反射棱镜在光学系统中的主要作用为实现折转光路、转向和扫描等功能。 本文主要介绍几种常见反射棱镜的原理与特点,实际使用时可根据场景应用进行挑选。

01 直角棱镜

 

直角三角棱镜采用全反射原理,根据入射面的不同,可以用作90°或180°反射镜。

  • 当光从棱镜任意一个直角面入射时,光束会在直角棱镜的斜面上发生全反射,反射光线从另一个直角面出射,实现90°反射,适合替代反射镜。
  • 当入射光从棱镜的斜面入射时,光会在直角面发生全反射,在经过下一个直角面时发生第二次全反射,最后从斜面反射出去,反射光线方向与入射光线平行,光线发生180°偏转,且与入射角无关。

直角棱镜除了可以实现光束的偏转,还能实现光束或图像的旋转或倒立。

02 直角棱镜反射镜

 

如果在直角棱镜的斜边上镀一层反射膜,则可称之为直角棱镜反射镜,此时,光束入射至斜边将被反射膜反射,而不是由于全反射。 这种反射棱镜可以减少材料对光束的吸收等影响。

03 楔形棱镜

 

两个平面相对成一定角度的光学棱镜称为楔形棱镜,楔形棱镜设计可以单独使用或成对使用。

  • 单个使用能够使得正入射到棱镜竖直表面的光束发生一定角度的偏转,且楔角不同,入射到棱镜后光束偏转角度也不同,当光束不动,旋转楔形棱镜可实现光束圆形扫描输出。
  • 当两个楔形棱镜配合使用时,控制彼此的旋转速度和两个旋转角度可实现光束任意形状扫描输出,从而实现光束操控的功能。

04 道威棱镜

 

道威棱 镜形状类似一个被切掉顶角的直角棱镜,根据光束入射到棱镜表面的不同,可以使图像旋转、倒立或后向反射。

  • 光从侧面入射,因为入射角较大,底面发生一次全反射,在棱镜另一侧呈倒立图像。 如果将棱镜沿着纵轴进行旋转,出射图像将会以两倍于棱镜的旋转速度进行旋转,道威棱镜的内部透过率仅受到棱镜吸收率的限制。
  • 当光束从道威棱镜的下表面入射时,呈现的效果与直角棱镜其中之一的用法一致,出射光线与入射光线平行,且发生一次倒置。

05 中空屋脊棱镜

 

用两个相互垂直的反向面来代替一个反射面的棱镜称为屋脊棱镜,这种棱镜可以增加一次反射,从而改变出射像的翻转情况,而中空屋脊棱镜又可以避免光束在材料中传播导致的吸收、色散等影响。

中空屋脊棱镜反射镜由两块直角棱镜和一块立方体棱镜构成,直角棱镜斜面上镀金属反射膜,两个棱镜的斜面相对放置,且二面角成90º,这种反射镜与普通反射镜相比,优点在于:

  • 反射光线仍然和入射光线平行;

  • 反射光线与入射光线分开一定距离,不会发生干涉;

  • 在实现光束回转的应用方面, 比手动调节两个反射镜要精确得多。

06 五角棱镜

 

五角棱镜由两个互成90°的折射面和两个成45°夹角的反射面组成, 光线从两个成90°角的两面中任一面垂直入射,然后经其45°角的两个面反射,从90°角的另一面出 射,入射光线与出射光线的夹角等于90°角。

五角棱镜的优点:

  • 进入五角棱镜的光线在棱镜里面反射两次,使方向改变90°,成像不但不会倒置,也不会改变影像的偏手性。 五棱镜多用于单反相机取景的反光装置,也可以作为光束定角度转向器。
  • 和一次反射直角棱镜相比,五角棱镜可使输入光束精确偏转90°,且不受棱镜安装误差的影响,也就是无需考虑入射光线的方向,要比两个反射镜组成的系统更加稳定。
在棱镜内部的反射不是全反射造成的,因为入射光线在反射时的角度小于临界角,也就是全反射的最小角度,所以两个反射面都要镀成反射镜面; 入射与出射的面则要镀上防反射膜以减少反射。

 

选择不同的反射面方向和反射次数能够改变光束的出射方向、成像的转向,也对系统装置的使用空间有影响。 另外,几个棱镜的组合也可以实现单个棱镜难以实现的特殊功能,如分光、分色等。

 

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