光學稜鏡介紹
光學稜鏡介紹
稜鏡是實心的玻璃光學，經過磨砂和拋光成幾何與明顯光學的形狀。稜鏡角度、位置和光學平面數量可以用來定義類型和功能。艾薩克·牛頓爵士示範的一個最受認可的稜鏡使用，包括將一束白光源分散出其組成顏色（圖1）。此應用原理也用在折射儀和光譜上使用。由於這一初步發現，稜鏡已在系統中用於「折射」光纖，將系統「折疊」成一個較小的空間，改變成像的方向（也稱為旋轉性或同位），以及合併或分割光束的部分反射面。這些用途在望遠鏡、放大鏡、測量儀器和許多其他應用中非常普遍。
稜鏡的一個顯著特點，可以模仿作為平面鏡系統來模擬稜鏡介質中的光反射。更換反射鏡元件可能是最有用的稜鏡應用，因為可以折射或折疊光線和改變成像同位。要實現類似單個稜鏡的效果，通常需要使用多個反射鏡。因此，用一個稜鏡來代替多個反射鏡可減少潛在的對準誤差，提高準確性，並減少系統的規模和複雜性。
稜鏡製造
鑽研稜鏡的理論之前，先思考其製造過程。為了能夠在大多數應用中成功使用，製造稜鏡時必須符合非常嚴格的公差和精度。由於形狀、大小和最重要反射面數量的變異，大規模的自動化過程對於稜鏡製造是完全不可行的。此外，大多數高精度稜鏡往往傾向於少量製造，這意味著自動化過程也是不必要的。
首先，取得一塊符合特定等級和玻璃類型的玻璃（稱為「玻璃毛坯」）。然後磨砂這塊玻璃，或使用金屬金剛石砂輪磨成接近成品。大多數的玻璃都會在這個階段去除，形成平坦但仍然粗糙的表面（圖2a）。此時，即將成為稜鏡的尺寸已非常接近所需的規格。接著，是去除表面的表面下裂痕的細磨過程；這一階段稱為精磨。第一階段遺留的刮痕將會在第二階段中去除（圖2b）。精磨處理之後，玻璃表面應出現混濁和不透明。在前兩個階段中，稜鏡表面必須潮濕，以便加快玻璃去除和防止玻璃本身過熱。
第三階段包括依照規格要求將稜鏡拋光到指定精度。在這一階段，將用「研磨漿」濕潤的聚氨酯拋光器摩擦玻璃，此「研磨漿」是通常包含混合水與浮石或氧化鈰的光學拋光化合物（圖2c）。拋光階段的確切時間，視要求的鏡面規格而定。完成拋光後，即可開始倒角。在第四階段，稜鏡的邊緣將使用旋轉的鑽石板將上述步驟中形成的尖銳邊緣稍微磨鈍（圖2d）。倒角之後，成品稜鏡將進行清理、檢查（手動和自動兩種方式），以及在必要時進行減反（AR）和/或金屬反射鍍膜，以進一步提高整體穿透率和/或反射率。雖然過程因稜鏡的反射面數量可能需要更多的循環或操作，但生成、平滑、拋光和倒角階段在圖2a - 2d中都有大致的概述。
在製造稜鏡的整個過程中，需要不斷調整和固定進行中的每個鏡面。將稜鏡固定到位有兩種方法：阻止和接觸。阻止需要將稜鏡擺放在注入熱蠟的金屬工具中。接觸是在室溫下進行的光學粘合過程，透過凡得瓦力交互作用將兩個清潔的玻璃表面緊固在一起。接觸方法在要求高精度公差時使用，因為不需要在生成、平滑或拋光階段中進行其他調節，無需考慮稜鏡表面和接觸塊之間的蠟厚度。
在稜鏡製造過程的每一個階段，從產生到阻止和接觸，都需要熟練的技師手動檢查和調整正在處理的稜鏡表面。因此，需要投入非常大的人力，而且非常需要經驗和技巧。整個過程通常需要相當大量的時間、工作和專注。
理論：光線與折射
瞭解稜鏡如何工作是決定哪種類型的稜鏡最適合某個特定應用的關鍵。為此，首先瞭解光與光學表面的相互作用非常重要。這種相互作用可使用司乃耳(Snell’s)折射D定律說明：
n1sin(θ1)=n2sin(θ2)
其中n1是入射介質的指數，θ1是入射光線的角度，n2是折射/反射介質的指數，以及θ2是折射/反射光線的角度。司乃耳定律說明當光線經過多個介質時，入射角和折射角之間的關係（圖3）。
稜鏡的顯著能力是不需要特殊鍍膜即可反射光線路徑，使用反射鏡時則需要使用這些鍍膜。此功能透過一種稱為全部內反射（TIR）的現象來實現。TIR在入射角（從正常測量的入射光線角度）大於臨界角θc時發生：
sin(θc)=n1/n2
其中n1是光線產生時介質的折射率，n2是光线射出时介質的折射率。重要的是，需要知道TIR只有當光從高折射介質傳輸到低折射介質時才會發生。
在臨界角，折射角等於90°。參考圖3，將發現TIR只在當θ超出臨界角時發生。依照司乃耳定律，如果該角度在臨界角之下，則穿透將連同反射一起發生。如果稜鏡面不符合所需角度的TIR規格，則必須使用反射鍍膜。這就是為什麼有些應用需要鍍膜版本的稜鏡，而有些應用無需鍍膜即可良好工作的原因。
理論：圖像旋轉性/同位
透過稜鏡成像的一個重要方面是圖像旋轉性（同位），亦指圖像的方向。這在每次光線路徑射到平面 鏡、任何平面反射面，或產生TIR的稜鏡表面角度時出現。共有兩種類型的旋轉性：向左和向右。右旋性（圖4）描述圖像經歷偶數反射次數，導致可在至少一個位置清晰閱讀（假設圖像是文本）的情況。左旋性（圖5）描述圖像經歷奇數反射次數，導致圖像位置不規則，相當於在反射鏡中所看到的情況。
除了同位，還有三種不同類型的圖像變化（圖6）。倒位是指水平軸上的圖像翻轉，而逆轉是指垂直軸上的圖像翻轉。當兩者同時進行時，就會發生180°的圖像旋轉，因此沒有同位變化。思考同位的另一種方法，是將其定義為針對朝著任何物體或圖像光學空間的傳播方向回顧來決定（圖7）。
使用稜鏡時，需考慮以下四點：
1. 圖像旋性會在每次圖像反射時改變。
2. 沿反射面平面的任何點，以及從物體及其圖像等距離。
3. 可將司乃耳定律應用到所有表面。
4. 測試圖像旋性/同位時，最好使用非對稱字母，如R、F或Q。避免使用如X、O、A等字母。
稜鏡類型
稜鏡主要有四種類型：色散稜鏡、偏轉或反射稜鏡、旋轉稜鏡和偏移稜鏡。偏轉、偏移和旋轉稜鏡常用於成像應用；擴散稜鏡專用於色散光源，因此不適用於要求優質圖像的任何應用。
色散稜鏡
根據稜鏡基材的波長和反射率，稜鏡色散取決於稜鏡的幾何及其折射率色散曲線。最小偏向角決定入射光線和投射光線之間的最小夾角（圖8）。綠光的波長偏離超過紅色，藍色比紅色和綠色多；紅色通常定義為656.3nm，綠色為587.6nm，藍色為486.1nm。
偏轉、旋轉和偏移稜鏡
偏轉光線路徑的稜鏡，或將圖像從其原始軸偏移，在很多成像系統中很實用。光線通常在45°、60°、90°和180°角度偏轉。這有助於聚集系統大小或調整光線路徑而不影響其他系統設定。旋轉稜鏡，例如道威稜鏡，用於旋轉倒位後的圖像。偏移稜鏡保持光線路徑的方向，並將其關係調整為正常。