新浪博客

棱镜和分光镜简介

2013-08-09 12:42阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2739484597

棱镜和分光镜的重要组成部分，弯，裂，反映和倍光通过的途径既简单又复杂的光学系统。特定的公差和精确的角度切割和打磨，棱镜的光束偏转或偏离，旋转或反转的图像，不同的偏振状态，或到其组件的波长的光分散，可以采用玻璃或其它透明材料的抛光块。许多棱镜的设计，可以执行一个以上的功能，通常包含改变的视线，同时缩短光路，从而降低了尺寸的光学仪器。
棱镜和分光镜简介
正如它的名字所暗示的，分光镜是用来重定向的部分光束，而让剩下的人继续在直线路径。分束器可以是简单的一个正方形或长方形的玻璃板涂有反光材料，或者它们可以被集成到复杂的多元件光学组件作为表面涂层​​。最常见的分束器的设计中登记的两个直角棱镜的斜边上涂以产生一个半反射的表面，然后胶合在一起，以形成一个立方体。当纳入的光学系统，多维数据集的一部分光通过偏转在一个90度的角，在遇到楔形棱镜之间的镜像端口。的其余通过立方体不偏离。除了可以划分为两个部分的光束，也可以利用分束器结合成一个两束光或单独的图像。
奥林巴斯显微镜
分束
镜和棱镜，不仅发现在多种常见的光学仪器，如照相机，望远镜，显微镜，望远镜，潜望镜，测距仪，测量设备，但在许多复杂的科学仪器，包括干涉仪，分光光度计，和fluorimeters的。这些重要的光学工具都要求严格精确的公差范围内控制光束方向，以最小的光损失，由于散射或不希望的反射的激光应用是至关重要的。图1中所示的是一个典型的双目显微镜观察筒配置的示意图。为了转移到这两个目镜收集的光由物镜，它是由分束器的第一分割，然后通过棱镜反射成平行的圆筒状的光导光管。因此，双目观察筒采用直接具有同等强度的光束对准目镜棱镜和分光镜技术。
棱镜可以大致分为三大类：反射棱镜，偏光棱镜，折射或色散棱镜。前者是有用的重定向通过全内反射的光束，而后者可以采用弯曲并分离成它的组成颜色的光。与此相反，棱镜偏光入射的非偏振光分割成独立的组件彼此正交偏振光的双折射晶体。这些棱镜光学仪器如显微镜和旋光仪产生偏振光。
通常利用后视镜折叠的光束通过光学系统。棱镜也可以起到相同的功能，除了棱镜的内表面的反射表现为刚性地安装，每一面具有一个永久的取向相对于所有其他的反射镜。此功能是对设计者的吸引力，因为一旦已经构造的棱镜，它会保留不偏离，并在最后的组装中不需要进一步的调整，除了定位棱镜单元本身的取向参数。根据不同的光束的入射角，棱镜折射光或允许它进入不偏离，发生全内反射的折射率，只要是足够的和内部的棱镜角的正确的几何形状。
反射棱镜
显示各种棱镜设计的角度参数涵盖了广色域的几何体，显着延长，棱镜作为战略的光学组件的实用性。反射棱镜的设计通常是将设在其中的入口和出口面是平行和垂直于光轴的特定方向。例如，直角棱镜，具有以45度的直角三角形（参见图2）的简单的几何形状，并且是一种最常用的棱镜的光重定向和旋转图像。甲光波进入的小棱镜面（或腿）在垂直角度的平行束反射的斜边（最长）通过另一条腿的脸和退出。棱镜构成的材料，其折射率大于2的平方根（约1.414），光线会发生全内反射，而在棱镜内部的玻璃/空气界面。
此功能呈现棱镜后视镜的理想替代品，金属或介质涂层反射表面上，它作为一个近乎完美的反射是因为没有需求。唯一的光线的散射和损失的发生（通常只有百分之几）是由于微小表面缺陷，由棱镜材料的吸收，反射棱镜的入口和出口的腿。仔细抛光的表面和该应用程序的一个合适的防反射涂层的腿，即使这些小的光损失最小化。在这个方向，直角棱镜作为履行职责的平面镜顶面左手从右手的图像，反之亦然图像的图像反转系统。请注意，在图2（a），红色旋钮和存根（stub）的对准标记的结束已被翻转，但在左侧​​和右侧保持在相同的位置。
棱镜和分光镜简介
重新调整的直角棱镜，使光线进入和退出通过的斜面，产生的非反转的镜子，如图2（b）中示出。常被认为是一种普罗棱镜在此配置中，光束经过两个内部反射后，入射到棱镜偏离了180度后，退出。其结果，图象被反转顶部到底部，但不会被转回从右到左。当以这种方式使用的棱镜，它通常被称为作为一个恒定偏差的棱镜，因为入射的和正在出现的光线是平行的，而不管在该光入射到棱镜的角度。普罗棱镜通常采用传统双目配置，在那里他们一起一倍正交先反转，然后扭转光束产生直立或直立影像。双棱镜折叠的光学系统的光路中，并在每个方向上的斜边的长度的一半水平和垂直方向的位移的图像。双目棱镜通常带有圆角制造，以减轻重量和尺寸，切成阻碍内部反射的光线，在斜角度的斜面，有一个小槽。
的直角棱镜相对于入射光束（图2（c））的第三方向通常被称为作为道威棱镜，这是有用的作为图像旋转器。Dove棱镜经常有不必要的三角形顶点的部分去掉，这样既可以节省重量和减少杂散内部反射。一束光线进入鸽子棱镜平行的斜面，并在首回合朝更长的内部表面向下折射。一旦被完全反射的斜面的光，然后再次折射，它通过另一只腿，并进入在同一方向射出棱镜，它行驶在进入棱镜。因为鸽子棱镜收敛光线通过时，引入了大量的散光，几乎只用平行光。道威棱镜不偏离或位移的图像，但它可以被用来反转或反转的图像。
鸽子棱镜虽然乍看之下似乎是一个很好的候选人色散（由于光束角入口），传输的光通过棱镜实际上是相当于通过侧面福利通过板坯玻璃与图像旋转。沿纵向轴线旋转的鸽子式棱镜的几何结果作为一个有趣的效果。在图2（c），道威棱镜的光通过的方向上形成图像，从顶部到底部被反转，并逆转由右至左的。但是，如果棱镜被旋转45度，产生的图像旋转90度，并且当棱镜旋转另一个45度（总数为90度，实际上，被放置在它的“面”），图像现在旋转180度。因此，图像旋转的棱镜快两倍。在实践中，往往是两个鸽子棱镜胶结在一起的斜边这些表面上放置一个镜像表面后产生一个双棱镜的望远镜，潜望镜，和其他光学仪器的能力，改变视线方向。
棱镜和分光镜简介
反射棱镜可以被表示为平行平面玻璃板或块展开围绕其反射面的棱镜，如图3中所示，可以由具有厚度。在将显示在一个隧道图的形式展现出来的棱镜，具有厚度的入口和出口面的长度相等。有了这些信息，可确定表观厚度的棱镜的折射率，这是由下式表示：
表观厚度= D / N
ð是玻璃的厚度确定从打开的棱镜，Ñ的折射率。简单的直角和普罗棱镜列于图3（a）和图3（b），分别折叠棱镜路径。对于直角棱镜，折叠时的厚度等于腿短的长度（通过该光入射和射出棱镜）。展开的棱镜也将表现出最大的光束的大小，可以通过，而过去的棱镜的边缘的蔓延。一个隧道道威棱镜的图，用于说明在图3（c）中，示出的展开路径的折射光线，因为他们将遍历相对于入射光的角度倾斜的玻璃块。注意，此配置在图3中经历折射棱镜的入射和出射界面是唯一的。道威棱镜的角度的光线进入到一个要求的入射面的高度，所述基部（的斜边，或长面）的长度是有限的。折的组件的光学系统的往往是最好的方法，以确定如何通过各种孔径透镜，和角偏转器的光通过，并可以被仔细的检验参数进行优化设计和效率。
替换直角棱镜的斜边面的总的内部反射的屋顶，组成的两个表面相对于彼此定位在90度的角度，产生一个的阿米奇棱镜（参见图4（b））。屋顶此外，用于保持90度的反转与直角棱镜观察到的图像，但也可以将图像旋转180度围绕光轴。在屋顶表面上，通常使它们能够透过斜面的角度入射的光线进行交叉，通过棱镜的全内反射。其结果是在中心和转置的左部和右部的图像分割。阿米奇棱镜制造昂贵和困难，，因为屋顶角度必须持有2-4弧秒的公差，以避免产生双重影像神器。此外，屋顶元素的引入了近屋顶边缘垂直的方向上的两个因素中，衍射极限的分辨率降低无论修建的准确性。此构件可以部分地抵消了多层涂层的表面涂布。
棱镜和分光镜简介
另一种常见的设计，五棱镜（图4（A）），通过一个恒定的90度角偏转光也没有倒车影像（棱镜不应混淆与更复杂的使用五棱镜单镜头反光照相机，采用了屋脊棱镜，产生直立影像）。如在图4（a）所示，在五棱镜反射光从两个内表面以不足以进行全内反射的角度，因此需要薄的外部镜涂层。五角棱镜通常简称为光学直角（测量仪器），因为在相同的角度的入射光束偏离，无论棱镜相对于视线的方向， 菱形棱镜的形状构造为平行四边形的光束或视线的位移，而不会影响的图像的方向（图图4（c））。棱镜具有两个较小的平行的反射面（腿），在以45度的角度，一个更长的矩形形状的体切断。各种额外的棱镜设计，具有独特的性质，主要是形象树立和反转，这使他们在光学系统中执行特定的功能。如需进一步信息，读者被称为先进的文本的主题。
偏光棱镜
苏格兰物理学家威廉·尼科尔在1828年首先设计了一种偏振棱镜斜切割菱形截面的矿物方解石（冰洲石），抛光切割面，和固井他们一起回来加拿大香脂。其结果是透明的双折射晶体，称为尼科尔棱镜的有效分离偏振光两个半晶体之间的界面处。在进入的小的斜腿（平行于长轴的晶体）通过一个棱镜，非偏振光被分成两个偏振光分量，被称为普通和特殊的波，它们以不同的速度穿过晶体。的两个独立的光波也有其电矢量的振动方向相对于彼此定位在一个90度的角。当遇到两个晶体之间的界面部分由分离的光波，普通组分被折射到更大的程度，并适用于棱镜的外表面的一层黑色涂料所吸收。与此相反，非寻常光通过接口从棱镜略微偏移，但仍旅客在一个方向上是平行的入射光。可以利用由此产生的平面偏振光照明双折射标本，在显微镜或任何其他的移动设备，需要的输入光的电场振动限制到一个单一的平面。
尼科尔棱镜的常见变体包括格兰-傅科偏振器（参见图图5（a）），由两个相同的棱镜方解石切割与光轴平行的角边，并安装有一个小的空气间隙，以便长的晶面彼此平行。此棱镜是透明的波长范围从大约230纳米，在紫外区的光谱，超过5000纳米的红外辐射。这样一个广泛的波长传输范围使格兰-傅科棱镜，利用各种仪器。尼科尔棱镜一样，撞击格兰-傅科棱镜的入射光被分成普通和特殊的波振动的平行或垂直于光轴。然而，在这种情况下，划分的光波通过棱镜的旅行没有折射，直到遇到玻璃/空气界面，随后的常光线的全内反射，但异常光线通过的边界，只有轻微的偏差。
棱镜和分光镜简介
如果晶体半胶合在一起，棱镜，然后作为格兰-汤普森偏振器（或棱镜），并能承受更强烈的辐射，例如来自一个高强度的激光源。甲渥拉斯顿棱镜，这是一个真正的偏振分束器由两个方解石或石英与光轴正交定向的胶合在一起的部分被称为第三双折射棱镜（图5（b））。通过渥拉斯顿棱镜的偏振光被分离成相互垂直的波，如上述的其他偏振棱镜。然而，当普通和特殊波遇到的对角线的水泥结，他们交换身份，在不同的方向折射，并出现从另一个稍微流离失所从棱镜。偏离角（通常称为剪切）两者之间的出射光的波是由棱镜的楔角，通常是在15度和45度之间变化。
改变方解石或石英的光轴的方向相对于单个半晶体（图5中所示），可通过几种衍生物，格兰式棱镜。的的罗雄棱镜（图图5（c））定位轴彼此正交布置，使入射的非偏振光入射到棱镜的光轴平行的（不分离）。当光波通过在一个罗雄棱镜的结，它们的光轴垂直于波的方向，进入一个新的区域。这使光被分为普通和特殊的组成部分，与普通波通过不偏离和非凡的波被折射远离垂直。反向的情况下，可以实现用Senarmont棱镜，其中也有轴与所述第一晶体部分的方向平行于入射照明。然而，当光波遇到的边界在Senarmont棱镜（参见图5的（d）），在第二个一半的棱镜的光轴的取向允许非常光通过不偏离，但折射普通波。这些棱镜可以被用来选择特定的光学应用的各个方向的偏振光。
棱镜折射或分散
17世纪中后期，在一个三角形棱镜的折射和色散是由英国物理学家艾萨克·牛顿爵士的第一个示范。牛顿显示，白色光可以到它的组成颜色解剖一个等腰棱镜，具有平等的侧面和角度。棱镜折射或分散在一般情况下，有两个或两个以上的平面取向有利的折射而不是反射的入射光束的方式。当一条光线发射分散棱镜的表面，折射后，进入根据斯涅耳定律，然后通过玻璃，直到达到所述第二接口。再次，光线被折射，并从棱镜沿一个新的路径（参见图6）。因为棱镜改变光的传播方向，波通过棱镜的所述偏离由一个特定的角度，可以很精确地确定通过应用斯涅耳定律的几何形状的棱镜。偏离角最小化，当光线的波进入棱​​镜的角度，允许光束遍历在平行的方向上的基极通过玻璃。
棱镜和分光镜简介
通过棱镜的光产生的偏差的量的入射角度，棱镜的顶点（顶部）的角度，从棱镜构造的材料的折射率的函数。由于棱镜的折射率值的增加，使光通过棱镜的偏移角。折射率往往取决于光的波长，波长较短（蓝光）被折射在更大角度比更长的波长（红光）。简称为色散随波长的偏移角的这种变化，并且是负责牛顿观察到300多年前的现象。
分散体可通过用适当的折射率特性为特定的应用选择眼镜进行微调。在一般情况下，各种玻璃配方中的分散性能通过阿贝数，这是由具体参考波长，通过玻璃的折射率测量比较。流行的眼镜中的阿贝数，用于棱镜建设中列出于表1。检查表中是显而易见的，低级的阿贝数是指较高的分散力，转化为新兴的光频谱中的颜色的一个更大的角度扩散。
阿贝数和折射率棱镜眼镜
玻璃
式		 折光
指数		 阿贝
数
熔融石英 1.4585 67.8
BK 7 1.5168 64.17
光钡冕 1.5411 59.9
浅弗林特 1.5725 42.5
密火石玻璃 1.620 36.37
超密火石玻璃 1.6725 32.20
非常密集的火石玻璃 1.728 28.41
表1
分散棱镜的主要应用是分离波长的光谱，它是有关于光谱的研究和分析，在该领域。尽管棱镜曾经衍射光栅光谱仪和分光光度仪的光学部件的首选，现在指挥这些工具的主导作用。光栅产生线性色散白光，而不是复杂的角度与波长的关系由棱镜展出。然而，棱镜有几个优点光栅，包括增强的功率处理能力，没有不需要的高阶衍射现象，和较低的杂散光。
棱镜材料与制造
为了棱镜来执行所需要的规格，应正确的玻璃配方制造，不受应变和内部缺陷。所有的棱镜的表面必须是完全平坦的地面，以精确的角度（虽然在某些棱镜的角度是比其他人更为关键）偏离用于一般用途的不超过5至10分钟，但只需几秒钟的关键应用程序的，如屋脊棱镜。在角上的多余的材料通常被除去，以减少崩刃和开裂，并尽量减少的重量和尺寸，棱镜或倒角。外表面应保持清洁，以最严格的光学标准，这可以通过应用漆大衣或在适当情况下，表面镀银。在许多情况下，凹口研磨过的表面，以抑制杂散内部反射产生的重影图像。
内的棱镜材料中的玻璃的密度变化可以产生的图像失真，并改变玻璃的色散特性。以类似的方式，可以产生气泡或外国在玻璃碎片衍射工件，并降低光传输。眼镜选择棱镜建设的特征在于，它们的折射率，色散，和透光性。
分光镜
甲分束器是一种常见的光学部件的一部分发送的，部分反射的入射光束中，通常会在不相等的比例。除了 ​​除以光的任务，可以采用分束器，以重新组合成一个单一路径的两个单独的光束或图像。一个分束器的最简单的配置是无涂层的平板玻璃板（如显微镜载玻片上），它具有表面的平均反射率约4％。当放置在一个45度角时，该板块将传送大部分的光，但反映了少量90度角的入射光束。 板分光镜，顾名思义，光冠玻璃板具有部分镀银涂层设计以产生所需的发送的反射率。这些比率通常在50:50和20:80之间变化，这取决于应用程序。
棱镜和分光镜简介
一般情况下，被沉积的金属或电介质薄膜上的第一表面（面对入射照明）的分束器板，而抗反射涂层被施加到背（参见图7）。减反射膜可以选择，以与光的入射角度相匹配，以尽量减少反射板的后表面上的光的量，并减少重影图像的可能性。典型的抗反射涂层显示只有约0.5％的反射率，在入射角为45度。绝缘涂料也必须微调，以产生适当的反射率，偏振特性，以及波长分布的分束器设计的角度。由于电介质和防反射涂层可以忽略不计的吸收在可见光区域（一般为0.5％，50/50在45度分光镜），平板分光镜是为广泛的应用的理想选择。
使用分束器制造的介电涂料的最严重的后果之一是不平等的p 和 s （平行和垂直）的非偏振光的入射光束的偏振分量的透射率和反射。其结果是，一些介质分束器将光不均根据极化内容，可以在许多应用中是不可取的。当使用介质膜时，该工件通常可以被绕过，通过改变入射光的偏振向量的方向。此外，极化效应可以减少通过利用更复杂的多层薄膜的介电涂层设计，但往往以牺牲其他性能方面。
专门的非偏振分束器中的涂料，已设计用于与偏振光的激光的入射辐射必须保持其中的发射和反射光束的偏振方向。该涂层能有效地产生一个干净的50/50的激光能量，无论入射光束的偏振状态。作为一个方面的优势，这些涂层的非偏振光入射在具有两个平行和垂直分量，以几乎相等的比例发送。平板分光镜也可以被设计作为长通和shortpass的边缘滤镜（在 ​​一个45度角的位置时）的应用需要选择特定波长。长通滤波器的情况下，较长的波长被传输和更短的波长反射入射光束以90度角。一个反向的方式（发送短的波长，反映长波长）Shortpass过滤器的作用。分束器作为边缘过滤器通常被称为二色或二色性反射镜。
立方体分光制备胶结在一起的斜边面的一对匹配的直角棱镜的局部反射膜沉积到面对的棱晶（图8（a））。处理一个立方体分束器的四个面与抗反射涂层，以减少重影图像。为获得最佳效果，入射光束进入分束器通过已涂有反射膜的棱镜，发生反射，使前束遇到胶多维数据集一起使用的光水泥。多维数据集的分束器更耐机械损伤和变形比平板分束镜，主要是通过被夹在玻璃棱镜之间的保护，因为反射面。
棱镜和分光镜简介
平板分束镜相比有一些优点多维数据集的分束器，在附近的电介质或金属膜，它可以吸收光的能量，并减少传输的光的水泥主要是缺乏。因此，平板分光镜可以承受显着的辐射水平较高而遭受损害。单玻璃板也比一个双棱镜立方体的更小更轻，并且能够更容易地装配到狭小的空间紧凑的光学配置。
立方体分光镜的高级涂料包括混合金属电介质薄膜结合了两种材料的好处。其结果是中度有效的宽带分束器，用很少的偏振灵敏度，通常有大约10％的吸收水平。发射和反射光束之间的吸收损耗几乎相同，偏振元件位于彼此的5％到10％范围内的。其他宽带涂料具有较低的吸收特性，但两极分化极其敏感的。全介质非偏振涂层在特定波长的高性能而设计的，通常用于激光应用。
第三类重要的分光镜制作了一个黑色的阳极氧化处理的扁平金属框架的画布绷得像抗拉强度高弹性膜（如硝酸纤维素）。称之为一个防护薄膜组件的分束器（图8（b）），膜的厚度范围在2和10微米之间，如此之薄，它的虚拟消除重影图像。此外，如色差，球面和散光的光学像差，被减少到最低限度，平板和立方体分束器相比，显着扩大的可能性，同时使用收敛和发散的光。未涂覆的防护薄膜组件的膜在整个可见光和近红外光谱区的传输大约92％的入射光中的紫外线，但通常表现出不可接受的吸光度。对于大多数应用中，都涂有防护膜的膜薄介电膜的膜的一面朝向入射光束。这些分光镜经常牺牲品干扰文物靠近膜表面的结果，而且他们也可以承受声学振动。薄皮膜表面不应被感动，而且可以清理只能由一个温柔的空气流动。
棱镜和分光镜简介
穿孔的分束器（通常被称为圆点花纹的分束镜;见图图8（c）），通过涂布制造的光学玻璃基片，用薄铝层，在固定大小的方形孔。得到的表面有一个“圆点”的出现，由此而得名。通过仔细调整光圈的大小，穿孔的分束器中的未涂覆的表面面积的比例涂覆可以被操纵，平均入射光束分割成的透射和反射的组件。光波遇到的涂层表面通过（从玻璃的反射损失几个百分点），而影响铝涂层反射（通常是45度角）。穿孔的分束器在很宽的角度范围内，表现出可以忽略不计的灵敏度和分裂光束发散，宽带辐射源，如汞弧或卤钨灯是有用的。此外，显示的栅格图案的发射光束发散并不显着由于衍射，不会受到偏振工件。这些过滤器也可与氘灯和氙灯，单色仪，分光光度计，和其他光学系统的应用程序。
通函棱镜平面定位在尊重对方的微小角度被称为光楔，偏转光线折射，而不是反射。虽然楔形件在本质上是棱柱形的，它们可以被操纵，以作为分束镜或光束诱骗。一个楔形转移入射光的角度依赖于入口和出口面之间的角度，用来制造板玻璃的折射率。楔形角的范围在2和25度之间，并有相应的屈光度之间的权力2和20厘米的偏差每米的距离从棱镜折射的光束。折射光的方向，可以控制通过楔形后的通过旋转圆棱镜（参见图9）。在许多情况下，两个楔形件配对，光的路径改变，以在更大程度超过360度的范围内，通过以相反的方向旋转的楔形。楔形棱镜作为多才多艺的分光镜防止鬼影和引导光束在光学系统中通过调节途径。
棱镜和分光镜显微镜观察管中的重要组成部分，在那里他们的行为从客观转向灯的目镜或相机端口。在现代显微镜双目目镜管配备，还利用棱镜改变的视线方向从垂直到45度角更方便。二色性分束器反射镜也很重要，在荧光显微镜中，提供激励试样的照明，允许二次荧光阻断反射的激发波长的同时进入目镜。其他光学仪器，如望远镜，单筒望远镜，测绘过境还依赖于棱镜和分光镜履行其职能。

我的更多文章

下载客户端阅读体验更佳

APP专享