奥林巴斯显微镜棱镜和分束器介绍

棱镜和分束器是通过简单和复杂光学系统的路径弯曲，分离，反射和折叠光的基本组件。切割并研磨到特定的公差和精确的角度，棱镜是抛光的玻璃块或其他透明材料，可用于偏转或偏离光束，旋转或反转图像，分离偏振态，或将光分散到其分量波长中。许多棱镜设计可以执行多种功能，这通常包括改变视线并同时缩短光路，从而减小光学仪器的尺寸。

顾名思义，分束器用于重定向一部分光束，同时允许其余部分在直线路径上继续。分束镜可以像涂有反射材料的方形或矩形玻璃板一样简单，也可以作为表面涂层集成到复杂的多元件光学组件中。见的分束器设计采用两个直角棱镜涂在斜边上以产生半反射表面，然后粘合在一起形成立方体。当结合到光学系统中时，穿过立方体的一部分光在遇到楔形棱镜之间的镜面界面时以90度角偏转。其余的未经过的立方体通过。除了能够将光束分成两个部分，

分束器和棱镜不仅存在于各种常见的光学仪器中，例如照相机，双筒望远镜，显微镜，望远镜，潜望镜，测距仪和测量设备，而且还存在于许多复杂的科学仪器中，包括干涉仪，分光光度计和荧光计。这两种重要的光学工具对于激光应用是至关重要的，这些激光应用需要将光束方向严格控制到精确的公差，并且由于散射或不需要的反射而具有小的光损失。图1中所示的是典型的双目显微镜观察管配置的图。为了将物镜收集的光转移到两个目镜中，首先用分束器将其分开，然后通过反射棱镜引导到平行的圆柱形光学光管中。从而，

棱镜大致可分为三大类：反射棱镜，偏振棱镜，折射或分散棱镜。前者可用于通过全内反射重定向光束，而后者可用于弯曲和分离光成为其分量颜色。相反，偏振棱镜是双折射晶体，其将入射的非偏振光分成彼此正交偏振的单独组件。这些棱镜用于为诸如显微镜和偏振计之类的光学仪器产生偏振光。

镜子通常用于将光束折叠通过光学系统。棱镜也可以起到相同的作用，除了棱镜的反射内表面表现为刚性安装的镜子，每个面具有相对于所有其他面的取向。这个特征对设计师很有吸引力，因为一旦构造了棱镜，它将保留不偏离的取向参数，并且除了定位棱镜单元本身之外不需要在终组件中进一步调整。根据光束的入射角，棱镜可以折射光或允许其进入未衰减并经历全内反射，只要折射率足够并且内部棱镜角度具有适当的几何形状。

反射棱镜

各种棱镜设计所显示的角度参数涵盖了广泛的几何形状，极大地扩展了棱镜作为战略光学元件的实用性。反射棱镜通常设计成位于特定方向，其中入射面和出射面平行且垂直于光轴。例如，直角棱镜具有45度直角三角形的简单几何形状（参见图2），并且是用于重定向光和旋转图棱镜之一。一束平行的光波进入一个较小的棱镜面（或腿））以垂直角度从斜边（长）面反射并通过另一条腿离开。如果棱镜由折射率大于2的平方根（约1.414）的材料构成，则光将在棱镜内部在玻璃/空气边界处经历全内反射。

这种特性使得棱镜成为镜子的替代品，因为在反射表面上不需要金属或介电涂层，这可以作为近乎完美的反射器。发生的光散射和损失（通常仅为百分之几）是由于微小的表面缺陷，棱镜材料的吸收以及棱镜的入口和出口腿处的反射。对表面进行仔细抛光以及在腿上施加合适的防反射涂层将使这些微小的光损失小化。在该取向中，直角棱镜用作图像反转系统，其顶面通过从右手图像产生左手图像来执行平面镜的任务，反之亦然。

重新定向直角棱镜，使光线现在通过斜边面进出，产生一个不可逆的反射镜，如图2（b）所示。通常称为Porro棱镜，这种结构中的光束在进入棱镜后经历两次内部反射，并在离开时偏离180度。结果，图像从上到下反转，但不是从右到左反转。当以这种方式使用棱镜时，它通常被称为恒定偏差棱镜，因为无论光进入棱镜的角度如何，入射和出射的光线都是平行的。Porro棱镜通常用于传统的双目配置，其中它们在次反转时正交加倍，然后反转光束以产生直立或直立的图像。双棱镜折叠光学系统的光路，并且还使图像在水平和垂直方向上移动每个方向上斜边长度的一半。双目棱镜通常制造有圆角以减轻重量和尺寸，并且在斜边面上切出小槽以阻挡在掠射角处内部反射的光线。

直角棱镜相对于入射光束的第三方向（图2（c））通常被称为鸽子棱镜，可用作图像旋转器。道威棱镜经常去除不必要的三角形顶点部分，既节省了重量又减少了杂散的内部反射。一束光线平行于斜边面进入道威棱镜，并在腿朝向较长的内表面向下折射。在被斜边面*反射后，当光通过另一条腿离开棱镜时，光再次折射，并在进入棱镜之前沿与其行进方向相同的方向前进。因为当会聚光通过时，道威棱镜会引入大量的像散，所以它几乎只用于准直光。道威棱镜不会偏离或取代图像，但它可用于反转或反转图像。

虽然乍一看，鸽子棱镜似乎是分散的良好候选者（由于光束的角度入射），但是透过棱镜的光传输实际上相当于通过玻璃板，具有图像旋转的附带好处。随着棱镜沿纵轴旋转，鸽子式几何结构产生了有趣的效果。在图2（c）所示的方向中，穿过道威棱镜的光形成从上到下反转并从右到左反转的图像。但是，如果将棱镜旋转45度，则将所得图像旋转90度，并且当棱镜旋转另外45度（总共旋转90度，实际上，放置在其“侧面"）时，图像现在旋转了180度。从而，图像的旋转速度是棱镜的两倍。在实践中，两个鸽子棱镜经常在斜边处粘合在一起（在这些面上放置镜面后）以产生双棱镜，能够改变望远镜，潜望镜和其他光学仪器的视线方向。

反射棱镜可以表示为平面平行玻璃板或块，其厚度可以通过在其反射表面周围展开棱镜来确定，如图3所示。展开的棱镜以隧道图的形式显示，并且具有厚度等于入口和出口面的长度。有了这些信息，棱镜的表观厚度可以从折射率确定，折射率由下式表示：

其中d是玻璃厚度（由展开的棱镜确定），和n是折射率。简单的直角和Porro棱镜的展开棱镜路径分别如图3（a）和图3（b）所示。对于直角棱镜，展开的厚度等于短腿的长度（光进入和离开棱镜）。展开棱镜还将展示可以穿过的大光束尺寸，而不会越过棱镜的边缘。道威棱镜的隧道图如图3（c）所示，并显示折射光线的展开路径，因为它们将穿过相对于入射光角度倾斜的玻璃块。请注意，此配置是图3中在事件和退出接口处经历折射的棱镜。光线进入鸽子棱镜的角度要求入射面的高度受到基部长度（斜边或长面）的限制。展开光学系统的组件通常是确定光线如何通过各种孔径，透镜和角度偏转器的方式，并且可以仔细检查以优化设计参数和效率。

用一个全内反射顶板取代直角棱镜的斜边面，由两个相对于彼此成90度角的表面组成，产生一个Amici棱镜（见图4（b））。屋顶的增加用于保持用直角棱镜观察到的图像的90度反转，但也使图像围绕光轴旋转180度。在屋顶表面处，以通常使其能够透过斜边面的角度入射的光线通过棱镜的全内反射进行交叉。结果是在中心分割图像并转换左右部分。Amici棱镜昂贵且难以制造，因为顶角必须保持2-4秒的公差，以避免产生双重图像伪影。此外，屋顶元件的引入使垂直于屋顶边缘的方向的衍射极限分辨率降低了近两倍，无论施工的准确性如何。通过施加到表面的多层涂层可以部分地抵消该伪影。

另一种常见的设计，五角棱镜（图4（a）），在不反转图像的情况下将光线偏转90度角（这种棱镜不应与单反相机中使用的更复杂的五棱镜相混淆）使用屋顶棱镜产生直立的图像）。如图4（a）所示，五棱镜以不足以进行全内反射的角度反射来自两个内表面的光，因此需要薄的外部镜面涂层。五棱镜通常被称为光学正方形（应用于测量仪器），因为入射光束以相同的角度偏离，而不管相对于视线的棱镜取向如何。 菱形棱镜构造成平行四边形，以移动光束或视线而不影响图像的方向（图4（c））。棱镜具有两个较小的平行反射表面（腿），它们以45度角切割成更长的矩形体。各种附加棱镜设计具有*的特性，主要是图像架设和反转，使它们能够在光学系统中执行特定功能。有关详细信息，请参阅有关该主题的高级文本。

偏光棱镜

苏格兰物理学家威廉尼科尔于1828年*设计了一种偏振棱镜，通过对角线切割矿物方解石（冰晶石）的菱形截面，抛光切割表面，并将它们与加拿大香脂粘合在一起。结果是一种透明的双折射晶体，称为尼科尔棱镜，可以有效地分离两个半晶体之间界面的偏振光。通过一个较小的角度腿（平行于晶体的长轴）进入棱镜时，非偏振光被分成两个偏振分量，称为普通和非常波浪以不同的速度穿过水晶。两个分离的光波的电矢量振动方向也相对于彼此成90度角。当分离的光波遇到两个晶体部分之间的界面时，普通部件被折射到更大的程度并被施加到棱镜外表面的黑色涂料层吸收。相反，非常光线穿过界面并从棱镜中稍微移位，但仍然沿与入射光平行的方向行进。所得到的平面偏振光可用于在显微镜或任何其他需要输入光的双折射样品中照射，所述光具有限制在单个平面上的电场振动。

Nicol棱镜的常见变体包括Glan-Foucault偏振器（见图5（a）），由两个相同的方解石棱镜组成，其光轴平行于角边缘，并安装有小气隙，使得长晶面彼此平行。该棱镜对于波长范围从约230纳米，在光谱的紫外区域到超过5000纳米的红外辐射的波长是透明的。这种宽波长传输范围使得Glan-Foucault棱镜能够用于各种仪器中。与Nicol棱镜一样，撞击Glan-Foucault棱镜的入射光被分成普通和非常波，它们平行或垂直于光轴振动。然而，在这种情况下，分开的光波在没有折射的情况下穿过棱镜，直到它们遇到玻璃/空气边界，

如果将半个晶体粘合在一起，则棱镜被称为格兰 - 汤普森偏振器（或棱镜），并且可以承受更强的辐射，例如来自高强度激光源的辐射。第三个双折射棱镜被称为沃拉斯顿棱镜，它实际上是一个偏振分束器，由两个方解石或石英部分粘合在一起，光轴正交取向（图5（b））。穿过沃拉斯顿棱镜的偏振光被分成正交波，如上面针对其他偏振棱镜所述。然而，当普通和非常波遇到对角线水泥交界处时，它们交换同一性，在不同方向上折射，并从棱镜中略微移位。两个出射光波之间的偏离角（通常称为剪切）由棱镜的楔角确定，其通常在15和45度之间变化。

通过改变方解石或石英光轴相对于各个晶体半部的取向，可以产生格兰式棱镜的几种衍生物（如图5所示）。的罗雄棱镜（图5（c））的正交定位所述轴，彼此被布置成使得入射的非偏振光入射到棱镜平行于光轴（与不被分离）。当光波穿过Rochon棱镜中的结时，它们进入一个新的区域，其中光轴垂直于波。这导致光被分成普通和非常分量，普通波通过不受约束而非常波被折射远离垂线。使用Senarmont可以实现相反的情况棱镜，其晶体部分的轴线平行于入射照射。然而，当光波遇到Senarmont棱镜的边界时（见图5（d）），棱镜后半部分的光轴方向允许非常光线通过，但是折射普通波。这些棱镜可用于选择偏振光的各个取向以用于特定的光学应用。

折射或分散棱镜

英国物理学家艾萨克·牛顿爵士（Sir Isaac Newton）在17世纪后期*展示了三角形棱镜的折射和散射。牛顿表明白光可以通过具有相等边和角度的等腰棱镜解剖成其分量颜色。通常，折射或分散棱镜具有两个或更多个平面，这些平面以有利于折射的方式定向而不是入射光束的反射。当光线照射到分散棱镜的表面时，根据斯涅尔定律进入时会折射，然后穿过玻璃直到达到第二个界面。再一次，光线被折射并沿着新的路径从棱镜中射出（见图6）。因为棱镜改变了光的传播方向，据说通过棱镜的波可以通过特定的角度偏离，这可以通过将Snell定律应用于棱镜的几何形状来非常精确地确定。当光波以允许光束在平行于基座的方向上穿过玻璃的角度进入棱镜时，偏离角被小化。

由棱镜产生的光偏差量是入射角，棱镜顶点（顶部）角和构成棱镜的材料的折射率的函数。随着棱镜折射率值增加，穿过棱镜的光的偏离角也增加。折射率通常取决于光的波长，较短波长（蓝光）以比较长波长（红光）更大的角度折射。偏差角随波长的这种变化被称为色散，并且是牛顿在300多年前观察到的现象的原因。

通过选择具有适合特定应用的适当折射率特性的玻璃，可以微调色散。通常，通过阿贝数比较各种玻璃配方的分散性质，阿贝数通过测量通过玻璃的特定参考波长的折射率来确定。表1中列出了用于棱镜结构的流行眼镜的阿贝数。从检查表中可以看出，较低的阿贝数表示较高的色散能力，在新出现的光谱中转化为更大的颜色角展度。

棱镜玻璃的阿贝数和屈光指数

表格1

分散棱镜的主要应用是分离光谱领域的波长，这涉及光谱的研究和分析。虽然棱镜曾经是光谱仪和分光光度计的光学元件，但衍射光栅现在在这些仪器中占据主导地位。光栅产生白光的线性色散，而不是棱镜呈现的复角度与波长的关系。然而，棱镜确实具有优于光栅的若干优点，包括其增强的功率处理能力，不存在不需要的高阶衍射现象和较低的杂散光。

棱镜材料与制造

为了使棱镜能够达到要求的规格，它应该由正确的玻璃配方制造，并且没有应变和内部缺陷。棱镜的所有表面必须*平坦并磨成精确的角度（尽管某些棱镜中的角度远比其他棱镜更重要），一般使用时偏差不超过5到10分钟，但对于关键应用只需几秒钟，如屋顶棱镜。通常去除或倒角拐角处的多余材料以减少碎裂和开裂并使棱镜的重量和尺寸小化。外表面应保持清洁，以达到严格的光学标准，这可以通过涂上一层漆或在适当的时候将表面镀银来实现。在许多情况下，

棱镜材料内玻璃密度的变化会产生图像失真并改变玻璃的色散特性。以类似的方式，玻璃中的气泡或外来碎片会产生衍射伪影并减少光透射。选择用于棱镜构造的玻璃的特征在于它们的折射率，色散和透光性。

分束器

分束器是一种常见的光学元件，它通常以不相等的比例部分地透射和部分地反射入射光束。除了分割光的任务之外，可以使用分束器将两个单独的光束或图像重新组合成单个路径。分束器的配置是未涂覆的平板玻璃板（例如显微镜载玻片），其平均表面反射率约为4％。当以45度角放置时，该板将透射大部分光，但以与入射光束成90度角反射少量光。 盘子顾名思义，分束器是具有部分镀银涂层的光学冠玻璃板，其设计用于产生所需的透射 - 反射比。这些比例通常在50:50和20:80之间变化，具体取决于应用。

通常，在层上沉积金属或介电膜分光板的表面（面向入射照明），同时在背面施加抗反射涂层（见图7）。可以选择抗反射涂层以匹配光的入射角，以便小化从板的后表面反射的光的量并减少重影的可能性。典型的抗反射涂层在45度的入射角下仅显示约0.5％的反射率。还必须对介电涂层进行微调，以在设计分束器的角度下产生适当的反射率，偏振特性和波长分布。因为介电和抗反射涂层在可见光区域的吸光度可忽略不计（对于50/50分光镜，在45度时通常为0.5％），

使用介电涂层进行分束器制造的严重后果之一是非偏振入射光束的p和s（平行和垂直）偏振分量的不等透射和反射。结果，一些电介质分束器根据极化内容不均匀地划分光，这在许多应用中是不希望的。当使用介电涂层时，通常可以通过改变入射光的偏振矢量取向来避免这种伪影。此外，通过使用更复杂的多层薄膜电介质涂层设计可以减少极化效应，但通常以牺牲其他性能方面为代价。

专门的非偏振分束器涂层设计用于偏振激光，其中入射辐射必须在透射和反射光束中保持其偏振方向。无论入射光束的偏振状态如何，涂层都能有效地产生干净的50/50激光能量分裂。作为侧面优点，入射在这些涂层上的非偏振光具有以几乎相等的比率透射的平行和垂直分量。对于需要特定波长选择的应用，平板分束器还可以设计为长波通和短通滤波器（当以45度角定位时）。在长通滤波器的情况下，较长波长被传输，较短波长以与入射光束成90度角反射。短通滤波器以相反的方式起作用（发射短波长并反射长波长）。充当边缘滤波器的分束器通常被称为二向色或二色镜。

立方体分束器是通过将一对匹配的直角棱镜的斜边面与沉积在一个棱镜面上的部分反射膜粘合在一起而制成的（图8（a））。立方体分束器的所有四个面都用抗反射涂层处理，以大限度地减少重影。为获得效果，入射光束应通过已涂有反射膜的棱镜进入分束器，以便在光束遇到用于将立方体粘合在一起的光学胶合剂之前发生反射。立方体分束器比板式分束器更能抵抗机械损坏和变形，主要是因为反射表面被夹在玻璃棱镜之间而受到保护。

与立方体分束器相比，平板分束器具有一些优点，主要是在电介质或金属膜附近缺少光学粘合剂，其可以吸收光能并减少透射。因此，平板分束器可以承受显着更高水平的辐射而不会受到损坏。单玻璃板也比双棱镜立方体小得多，重量更轻，并且可以更容易地安装在狭小的空间内，以实现紧凑的光学配置。

用于立方体分束器的*涂层包括混合金属 - 介电薄膜，其结合了两种材料的优点。结果是中等效率的宽带分束器，其吸收水平通常约为10％，偏振灵敏度极低。在透射光束和反射光束之间的吸收损失几乎相等，并且偏振分量在彼此的5％到10％之间。其他宽带涂层具有较低的吸收特性，但对偏振极为敏感。全电介质非偏振涂层设计用于特定波长的高性能，通常用于激光应用。

第三类重要的分束器是由高拉伸强度弹性膜（如硝化纤维素）制成的，如同帆布在黑色阳极氧化扁平金属框架上拉伸。被称为薄膜分束器（图8（b）），膜厚度在2到10微米之间，如此薄，以至于虚拟消除了重影。此外，与平板和立方体分束器相比，诸如彩色，球面和散光的光学像差减小到小，显着扩大了使用会聚光和发散光的可能性。未涂覆的薄膜在整个可见光和近红外光谱区域透射大约92％的入射光，但通常在紫外线中表现出不可接受的吸光度。对于大多数应用，薄膜膜在面向入射光束的膜侧涂覆有薄介电膜。这些分束器经常成为膜表面非常接近造成干扰伪影的牺牲品，它们也可能受到声学振动。薄膜表面不应接触，只能通过温和的空气流清洁。

穿孔分束器（通常称为波尔卡圆点）分束器; 参见图8（c）），通过在固定尺寸的方孔中涂覆薄铝层的光学玻璃基板来制造。生成的表面具有“波尔卡圆点"外观，因此得名。通过仔细调整孔径尺寸，可以操纵穿孔分束器中的涂覆与未涂覆表面积的比率，以将入射光束均等地分成透射和反射分量。遇到未涂层表面的光波通过（玻璃反射损失几个百分点），而影响铝涂层的光线则反射（通常为45度角）。穿孔分束器在很宽的角度范围内显示出可忽略的灵敏度，可用于分离来自发散光的光束，宽带辐射源，如汞弧或卤钨灯。此外，网格图案由于衍射而显示出透射光束的微小发散，并且不会受到偏振伪影的影响。这些滤光片也适用于氘灯和氙灯，可用于单色器，分光光度计和其他光学系统。

具有相对于彼此成微小角度的平面的圆形棱镜被称为光学楔，并且通过折射而不是反射来偏转光。尽管楔形物本质上是棱柱形的，但它们可以被操纵以充当分束器或光束操纵器。楔形入射光的角度取决于入射面和出射面之间的角度以及用于制造板的玻璃的折射率。楔角范围在2到25度之间，并且相应的屈光度在每米距棱镜的距离处折射光束的偏差在2到20厘米之间。通过楔形物后折射的光的方向可以通过旋转圆形棱镜来控制（见图9）。在许多情况下，两个楔形物配对，并且通过沿相反方向旋转楔形物，在360度范围内将光路改变到更大的程度。楔形棱镜充当多功能分束器，可防止重影并通过光学系统中的可调路径引导光束。

棱镜和分束器都是显微镜观察管中的重要组成部分，它们用于将光从物镜转向目镜或相机端口。在配备双目目镜管的现代显微镜中，棱镜也用于将视线方向从垂直方向改变为更方便的45度角。在荧光显微镜中，二色分束镜也很重要，可以为样品提供激发照射，并允许二次荧光进入目镜，同时阻挡反射的激发波长。其他光学仪器，如望远镜，定位镜和测量过渡也依靠棱镜和分光镜来执行其功能。