反射棱镜的基本概念

5.5.1　反射棱镜的基本概念

具有反射平面并能展开成等效平行平板玻璃的棱镜，称为“反射棱镜”。在多数情况下，反射棱镜的反射平面是利用全反射原理的；但有些情况下，当反射平面不能保证入射光束中所有光线的入射角均大于全反射临界角时，则必须在反射面上镀以金属反射膜层。

反射棱镜按其作用又可分为一般的成像反射棱镜和分（合）像反射棱镜。后者的作用是分割（合并）光瞳或视场，主要应用于测距仪等光学系统中；前者是棱镜中应用最大量的一类光学元件，因此是本节研究的主要对象。以下即讨论这一类反射棱镜。

1）反射棱镜的功能与作用

反射棱镜或其组合从其基本功能和作用看，可以认为是以棱镜形式取代相应形式和反射次数的平面镜系的结果。其主要作用有：

（1）折转光学系统的光轴

①根据观察使用要求改变光轴方向，即使光学系统的出射光轴相对于入射光轴折转使用所需要的角度。

②使光学系统的出射光轴相对于入射光轴产生平移（如在潜望镜中用来增加潜望高，双眼仪器中用于改变目距等）。

③使光学系统的光轴在棱镜内部或棱镜之间连续折转，即折叠光路，以缩短光学系统的轴向尺寸，减小仪器的体积和重量（如迫击炮瞄准镜中的斯密特棱镜，双眼望远镜中直角棱镜以及别汉棱镜等）。

（2）利用棱镜或棱镜组的适当运动，改变仪器的瞄准轴线，扩大观察范围或实现扫描（例周视瞄准镜中的用于水平方向扫描的头部直角棱镜；摆动的立方棱镜等）。

（3）与共轴球面系统相配合，完成预定的转像任务；或利用反射棱镜间一定的运动配合，补偿由于某一棱镜转动所产生的像面偏转（例周视瞄准镜中的道威棱镜）。

在上述各种功能中，又以改变光轴方向和转像应用最广，最为重要。其中折转光轴的方向，按照反射定律很容易确定；而转像的规律则较为复杂，需作专门研究。

2）反射棱镜的优点

反射棱镜及其组合之所以能取代相应的平面镜系被广泛应用，是由于它比平面镜系统有如下一些优点：

（1）平面反射镜需镀反射膜层。若镀银其反射系数约为90％，若镀铝则反射系数约为85％，这表明存在较大的光能损失。而反射棱镜的多数反射面是工作于“全反射”条件下，在全反射面上几乎没有光能损失。

（2）平面镜若外表面镀反射膜层，在空气中易被腐蚀变质脱落，且易受损伤；反射棱镜则无此问题。

（3）平面镜多为薄玻璃板，易受温度和机械应力影响产生变形，影响像质。另外，角镜的角度精度不稳定，易失调，安装调整困难；而反射棱镜的反射平面和角度易于保证加工精度，装配调整方便，且强度好，不易变形失调。

基于上述原因，在光学系统中一般均以反射棱镜取代平面镜系。仅当反射平面尺寸很大时，为节约材料、减轻系统重量才采用平面镜系。

3）有关反射棱镜的基本定义

为便于研究反射棱镜，建立如下基本一些定义：

（1）反射棱镜中所有起透射（包括折射）或反射作用的抛光平面均称为反射棱镜的“工作面”；

（2）两个相邻工作面的交线称为“棱线”。垂直于棱线的截面称为“主截面”，通常以棱镜的主截面表示棱镜。简单的棱镜具有单一的主截面，复杂的棱镜可能具有两个以上互相垂直或任意的主截面；

（3）光学系统光轴通过反射棱镜的部分称为“反射棱镜的光轴”，如图5.21（a）中的ABC折线。当反射棱镜展开为等效平板玻璃时，则光轴展开为直线；

（4）反射棱镜光轴的几何总长度称为“反射棱镜的光轴长度”。在图5.21（a）中，棱镜的光轴长度=AB+BC；

（5）由反射棱镜的光轴所决定的平面称为“光轴截面”，如图5.21（b）中打剖面线的部分DEF。

图5.21　光学系统中反射棱镜光轴与光轴截面

实际应用中的较多棱镜，其光轴的所有折线是在同一平面内，即有统一的光轴截面；但是，一些较复杂的棱镜往往相当于两个或两个以上简单棱镜的组合，其整个光轴为一空间折线，因而可能有几个光轴截面，而没有统一的光轴截面。这种情况下，尚需分别定义：

①入射光轴截面——包含反射棱镜入射光轴的光轴截面称为“入射光轴截面”；

②出射光轴截面——包含反射棱镜出射光轴的光轴截面称为“出射光轴截面”。

（6）在反射棱镜中，同时平行于棱镜入射光轴和出射光轴的平面，称为“光轴平面”。显然，根据上述定义，反射棱镜的光轴平面不是唯一的。

（7）若取一物平面平行于反射棱镜的某一光轴平面，则经棱镜后的像平面也平行于同一光轴平面，则称此光轴平面为共轭光轴平面。

4）反射棱镜的分类

按照反射棱镜的构成方式，可将其分为普通棱镜和复合棱镜。凡由一块玻璃制成的棱镜，不管其反射次数和光轴折线的形状，均称其为普通棱镜；由两个或两个以上普通棱镜组合而成的棱镜，称为复合棱镜。

按照成像的情况划分，反射棱镜有两种基本类型，即平面棱镜和空间棱镜。至少存在一个共轭光轴平面的反射棱镜称为平面棱镜；不存在共轭光轴平面的反射棱镜称为空间棱镜。

综合以上两方面考虑，目前比较通用的是将反射棱镜分为如下三种类型，其代号及表示方法为：

（1）普通平面棱镜　　其表示形式为

上述表示中，反射次数的分类代号用大写罗马数字表示：

Ⅰ——一次反射；　Ⅱ——二次反射；　Ⅲ——三次反射。

结构特征的代号参见表5.2；如果棱镜中一个反射面用屋脊面取代时，则应在表示反射次数的代号下加注脚标“J”表示。

例如：DI－90°表示等腰棱镜，一次反射，光轴折转90°；

　　　WⅡJ－90°表示屋脊五棱镜，二次反射，光轴折转90°。

（2）复合平面棱镜　　其表示形式为

棱镜中若有屋脊面时，则同样应在表示棱镜名称的汉语拼音字头下加注脚标“J”表示。

例如：FX_J－90°表示靴形屋脊棱镜（复合平面棱镜类型），光轴折转90°。

（3）空间棱镜　　其表示形式为

现有空间棱镜均为两次反射型；若棱镜有屋脊面，则在反射次数代号下加注脚标“J”。例如：KⅡ－90°－90°表示空间棱镜，两次反射，光轴首次折转90°，第二次亦折转90°。

表5.2　表示棱镜类型的结构特征代号