选型必读 | 光学棱镜全解析：从制造工艺到光路设计的“折叠”艺术

导语

提到棱镜，你可能会想到牛顿那束卓有声望的色散白光，或者是平克·弗洛伊德的专辑封面。但在现代精密光学系统中，棱镜的角色远不止“分色"这么简单。

从折射光线、折叠系统空间，到改变图像方向（旋性），棱镜是光学设计师手中的“空间魔术师"。很多时候，用一块棱镜代替一组反射镜，不仅能减少校准误差，还能极大地缩小仪器体积。

今天，我们就从制造工艺、核心理论到选型指南，为您带来一份《光学棱镜满级应用指南》。



01. 为什么选择棱镜？不仅仅是“折射"

在光学设计中，我们经常面临一个选择：是用反射镜（Mirror）还是棱镜（Prism）？

虽然棱镜本质上也是利用反射原理，但它有一个显著的优势：系统稳定性。棱镜可以模拟平面镜系统，但它是实心的玻璃光学元件。

• 减少校准错误：用一个棱镜代替几个反射镜，意味着你不需要单独调节每个镜面的角度，因为棱镜的面与面之间的角度在制造时已经固定了。

• 缩小体积：棱镜利用折射率，可以在更短的物理距离内实现相同的光程，帮助系统“折叠"进更小的空间。

一句话总结：棱镜能降低系统的复杂性，提高准确性，是高精度仪器的小型化利器。



02. 制造工艺：无法尽数自动化的“精密艺术"

你可能认为现代光学元件都是机器流水线生产的，但高精度棱镜是个例外。

由于棱镜形状多变、反射面数量各异，大规模自动化生产往往不可行。每一块高精度棱镜的诞生，都离不开熟练技师的手工参与。

一块棱镜的诞生之旅：

1.粗磨（生成）：从玻璃毛坯开始，使用金刚石砂轮磨去大部分多余玻璃，形成接近成品的几何形状。此时表面是粗糙的。

2.精磨（平滑）：去除表面下裂痕。这一步后，玻璃表面呈现混浊、不透明状。

3.抛光（关键一步）：玻璃与聚氨酯抛光器摩擦，配合研磨浆（氧化铈等）。这一步决定了最终的面型精度和表面质量。

4.倒角：磨钝尖锐边缘，防止崩边。

图2a： 棱镜制造过程：粗磨阶段

图2b： 棱镜制造过程：精磨阶段

图2c： 棱镜制造过程：抛光阶段

图2d： 棱镜制造过程：倒角阶段

注意：在制造过程中，固定棱镜需要使用“接触（Contacting）"工艺——这是一种利用范德瓦尔斯力在室温下将两个清洁玻璃表面紧固在一起的技术，无需粘合剂，精度较高。这需要验光师极大的耐心和技巧。



03. 核心理论：斯涅尔定律与全内反射

要用好棱镜，必须理解光是如何在其中“行走"的。

1. 斯涅尔定律 (Snell's Law)

这是光与光学表面相互作用的基础：

n₁sin(θ₁)= n₂sin(θ₂)它决定了光线在进入和离开棱镜时的折射角度。

2. 全内反射 (TIR) —— 棱镜的“超能力"

棱镜最迷人的特性之一，就是不需要镀膜也能实现100%反射。这就是全内反射（TIR）。

当光线从高折射率介质（玻璃）射向低折射率介质（空气），且入射角大于临界角 (θc) 时，光线会全部反射回来。



图3： 斯涅尔定律和内部全反射理论

工程Tips：如果你的设计角度小于临界角，TIR将不会发生，光线会透射出去。这种情况下，必须在棱镜反射面上镀金属或介质反射膜。



04. 难点攻克：图像旋性（Parity）与方向

这是光学工程师最容易“头秃"的地方：光线经过棱镜后，图像到底是正的、倒的，还是镜像的？

我们需要关注三个概念：倒位（上下翻转）、逆转（左右翻转）和旋转。

判别口诀：

• 偶数次反射 = 右旋性（Right-Handed）：图像虽然可能被旋转，但它是“正"的。如果你看的是文字，它是可读的（如书本上的字）。

• 奇数次反射 = 左旋性（Left-Handed）：图像发生了镜像变化。就像你在照镜子，文字是反的，无法正常阅读。

图4： 右旋性或偶数同位

图5： 左旋性或奇数同位

测试小技巧：在测试棱镜成像方向时，不要用 "O"、"X"、"A" 这种对称字母。请使用 "R"、"F" 或 "Q" 这种非对称字母，一眼就能看出图像是否发生了镜像翻转。



05. 选型指南：哪款棱镜适合你？

根据功能，我们将棱镜分为四大类。请根据你的应用场景对号入座。

第壹类：色散棱镜 (Dispersion)

用途：将白光分解为光谱成分，或调节激光波长。

图8： 通过棱镜实现色散

等边棱镜 (Equilateral Prism)：

• 经典的棱镜，用于波长分离。

利特罗棱镜 (Littrow Prism)：

• 未镀膜：用于光谱学。

• 镀膜：可将光线偏转60°，常用于多光谱激光系统调节。

第二类：偏转与反射棱镜 (Deviation & Reflection)

用途：改变光路方向，折叠光路。

直角棱镜 (Right Angle Prism)：

• 功能：偏转90°。

• 特性：图像左旋（镜像）。

• 应用：内窥镜、显微镜、医疗仪器。

五角棱镜 (Penta Prism)：

• 功能：偏转90°，但图像是右旋的（正像）。

• 优势：对入射角度不敏感，稍微偏一点也能保证90°出射。

• 应用：视觉瞄准、测量系统。

回射器/角锥棱镜 (Retroreflector)：

• 功能：无论光从哪个角度射入，都会平行原路返回（偏转180°）。

• 应用：干涉测量、激光追踪、测距。

第三类：旋转棱镜 (Rotation)

用途：旋转图像，或抵消系统的图像旋转。

道威棱镜 (Dove Prism)：

• 功能：当棱镜旋转θ角，图像旋转2θ角。

• 特性：未镀膜时图像为左旋。

• 应用：干涉测量、天文观测。

第四类：偏移与整形棱镜 (Displacement & Shaping)

用途：调整光束位置或形状。

菱形棱镜 (Rhomboid Prism)：

• 功能：只平移光轴，不改变方向，也不改变图像方向。

• 应用：双目显微镜眼距调节。

变形棱镜组 (Anamorphic Prism Pairs)：

• 功能：在一个维度上扩展光束。

• 应用：将激光二极管的椭圆光斑整形为圆形。

匀光管 (Light Pipe)：

• 功能：让非均匀光源变得均匀。

• 应用：LED照明、投影仪。



结语

从牛顿的实验室到前沿的激光干涉引力波探测器，棱镜始终是光子学领域刚需的基石。

选择正确的棱镜，不仅要考虑几何角度，还要深入理解TIR临界角、图像旋性以及波长色散特性。希望这份指南能为您在设计下一个光学系统时，提供清晰的思路。

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