文章來源：銳光凱奇raycage

原文作者：銳光凱奇

本文主要講述如何使用直角棱鏡轉(zhuǎn)折光束。

光學(xué)直角棱鏡是一種常見的光學(xué)元件，它能夠?qū)⒐饩€的傳播方向精確地偏轉(zhuǎn)90度。這種功能看似簡單，卻在許多光學(xué)儀器和日常設(shè)備中發(fā)揮著重要作用。本文將從基礎(chǔ)知識(shí)的角度，結(jié)合圖示描述，帶你了解直角棱鏡的工作原理和應(yīng)用。

在任何無論是復(fù)雜還是簡單的光學(xué)儀器系統(tǒng)中，都缺少不了光束的直角轉(zhuǎn)折，主要是解決空間約束，實(shí)現(xiàn)緊湊型光學(xué)系統(tǒng)（如顯微鏡、激光加工設(shè)備中），通過直角轉(zhuǎn)折可以折疊光路，顯著減小設(shè)備體積；當(dāng)多光束并行時(shí)，直角轉(zhuǎn)折能防止光束交叉干擾（例如分光鏡后的檢測光路與主光路分離）。實(shí)現(xiàn)直角轉(zhuǎn)折主要是采用平面反射鏡和直角棱鏡，本期推送的內(nèi)容主要是考慮使用直角棱鏡。

圖1 直角棱鏡轉(zhuǎn)折光路的二種使用方法

直角棱鏡通常是一個(gè)透明的三角柱體，由光學(xué)玻璃或晶體材料制成，它的橫截面是一個(gè)等腰直角三角形，具有兩個(gè)直角面和一個(gè)斜面（見圖1）。具體有圖1的兩種使用方法：第一種是光線從其中一個(gè)直角面垂直入射，經(jīng)過斜面的全反射后（圖1左），從另一個(gè)直角面垂直射出，方向偏轉(zhuǎn)90度；另外一種方法是圖1右，光線直接入射到斜面后，光線轉(zhuǎn)折45度（其實(shí)這種方法就是等效于使用反射鏡完成光線轉(zhuǎn)折的功能。

圖1左的情況下，當(dāng)光線從直角面垂直入射時(shí)，由于入射角為0度，光線不會(huì)發(fā)生折射，光線直接進(jìn)入棱鏡內(nèi)部入射到斜面時(shí)，入射角為45度。對(duì)于常見的光學(xué)玻璃（折射率約為1.5），臨界角約為42度，因此45度的入射角滿足全反射條件。在斜面上發(fā)生全反射的光線從另一個(gè)直角面垂直射出，方向與入射光線成90度夾角。直角棱鏡的這種特性使其成為光學(xué)系統(tǒng)中改變光路方向的理想元件。它不僅能夠高效地偏轉(zhuǎn)光線，還能保持光線的平行性和光強(qiáng)。

圖1右的情況比較簡單，斜面上需要鍍反射膜，如果不鍍膜，光線在斜面上會(huì)發(fā)生折射，降低了反射率很難達(dá)到90%以上。

使用全反射的方法光線轉(zhuǎn)折90度取決棱鏡的加工角度誤差，要求非常的嚴(yán)格，而在斜面入射轉(zhuǎn)折對(duì)棱鏡的角度沒有要求，就是等效于一個(gè)反射鏡。

一般情況下來講，對(duì)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性要求不高的情況下，可以使用斜邊入射的方法實(shí)現(xiàn)光路轉(zhuǎn)折，但是使用全反射方法轉(zhuǎn)折光路有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

高效反射：全反射現(xiàn)象幾乎不損失光強(qiáng)，確保光線的高效傳播；

精確偏轉(zhuǎn)：棱鏡的角度經(jīng)過精密加工，偏轉(zhuǎn)精度可達(dá)角秒級(jí)別；

結(jié)構(gòu)緊湊：相比于反射鏡，棱鏡體積更小，適合在有限空間內(nèi)使用；

穩(wěn)定性高：棱鏡的固定方式簡單，不易受振動(dòng)影響。

但是如果不是在平行光路使用，某些入射光的角度不滿足全反射的要求就不能使用這種方法，只能使用鍍膜的斜面直接入射完成光線的轉(zhuǎn)折。