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奥林巴斯显微镜棱镜和分光镜简介

2014-07-15  发布者:admin 

  棱镜和分光镜是折弯、 拆分、 反射和折光线通过的途径的简单和复杂的光学系统的基本组件。切削和研磨到具体公差和精确的角度,棱镜是抛光的块的玻璃或其他透明的材料,可以被用来转移或偏离一束光,旋转或图像进行反相,不同的极化状态,或分散成其组件波长的光。多棱镜设计可以执行多个函数,其中往往包括改变的视线,同时缩短的光学路径,从而减少大小的光学仪器。

顾名思义,利用分光镜的同时让剩下的人继续在一条直线路径重定向的一束光的部分。分光镜可以很简单,作为一个正方形或长方形玻璃涂有反光材料表或集成到复杂多元素光学组件表面涂层。最常见的分光镜设计登记两个直角棱镜,并涂上直角三角形的斜边产生一个半反射的表面,然后粘在一起形成一个多维数据集。当纳入一个光学系统,光通过多维数据集的一部分被偏转遇到的镜像的界面之间的楔形棱镜后成 90 度角。剩下的人穿过该多维数据集不偏执。除了能够将一束光分成两个组件,也可以利用分光镜将两束光或单独的图像合并成一个。

分光镜和棱镜不仅见于种类繁多的常见的光学仪器,如照相机、 望远镜、 显微镜、 望远镜、 潜望镜、 测距仪、、 测量设备,但也在许多先进的科学仪器包括干涉仪,分光光度计和荧光计。这些重要的光学工具都是需要严格控制光束方向的精确公差的散点图或无用的反射光损失最小的激光应用的关键。图 1 所示是一个典型的双目显微镜观察管配置图。为了疏导进两个目镜由物镜收集的光,它是第一次除以分光镜,然后通过反射棱镜成平行圆柱光学光管道输送。因此,双目观察筒采用棱镜和分光镜技术直接进入目镜同等强度的光的光束。

棱镜可以大致分为三类:反射棱镜、偏光棱镜和折射色散棱镜。前者可用于通过全内反射重定向光束,而后者可以被用来弯曲和光明分开成其组件的颜色。相比之下,偏光棱镜是双折射晶体分裂事件非极化光成分隔组件互相正交极化。这些棱镜用于产生偏振光显微镜和旋光计等光学仪器。

镜子常被用来折光束通过光学系统。棱镜也可以完全相同的功能,只是反映内部表面的棱镜行为作为硬性安装镜子与每个具有永久取向对所有其他人的脸。此功能是对设计师,有吸引力,因为一旦构建了一个棱镜,它将保留取向参数,不偏离,需要在对最终的程序集,除了定位棱柱单元本身没有作进一步的调整。取决于一束光的入口角,棱镜可以折射光线或允许它进入不偏执和承受全内反射,提供折射率是充足和内部棱镜角度有适当的几何形状。

反射棱镜

由各种棱镜设计显示的角参数覆盖宽色域的几何形状,极大地扩展的棱镜作为战略的光学组件是有益的。反射棱镜往往旨在将设在特定方向平行和垂直于光轴的入口和出口的面孔在哪里。例如,直角棱镜拥有一个 45 度的直角三角形的简单几何形状 (见图 2),是最常用的棱柱的重定向光和旋转图像之一。光波在一个垂直的角度进入一个小棱镜脸 (或) 平行束被反映从直角三角形的斜边 (最长) 脸和通过另一条腿退出。提供棱镜由一种材料的折射率大于 2 (约 1.414) 的平方根,光将接受全内反射的玻璃/空气边界内部棱镜时。

此功能使得棱镜的镜子,一个优秀的替代因为金属或介电涂层的反射面,作为一个几乎完美的反射器上没有要求。只有光散射和亏损的发生 (通常只有几个 %) 是由于分钟表面缺陷,通过棱镜材料和反射棱镜的入口和出口的双腿在吸收。小心抛光的表面和腿适合抗反射涂层的应用将损失降到最低甚至这些小光。在这一方向,直角棱镜作为图像平面反射镜的职务所产生的用左手右手的图像,从图像的顶面与逆变系统,反之亦然。注意在图 2 (a) 已翻转对齐标记的红色旋钮和存根 (stub) 末端,但左、 右两边保持在相同的位置。

所以,现在的光进入和退出的直角三角形的斜边脸,通过调整直角棱镜,生产非倒车镜,如图 2 (b) 所示。这束光在这种配置通常被称为Porro棱镜,经历两个内部反射后它进入棱镜和 180 度,在退出时偏离。因此,图像被倒置顶部到底部,但得不到扭转右到左。当一个棱镜利用这种方式时,它是常常提到的一个恒定偏差棱镜因为事件和新出现的光线将是平行的无论在哪个灯的角度进入棱镜。Porro 棱镜经常受雇于传统双物镜配置,它们在哪里翻了一番一起交到第一次反相,然后反向的光束产生直立或直立的影像。双棱镜折叠光学系统的光路,也取代图像水平和垂直的长度在每个方向直角三角形的斜边的一半。双目棱镜通常制作与圆角,以减少重量和大小,并有一个小插槽切成直角三角形的斜边脸阻挠内部反映在掠角度的光线。

第三个定位的直角棱镜对入射光束 (图 2(c)) 通常被称为一个鸽子的棱镜,这是有用的图像旋转。鸽子棱镜往往有不必要的三角形先端部分删除,既节省重量,减少杂散的内部反射。一束光线进入鸽子棱镜平行于直角三角形的斜边的脸,并在向更长的内部表面的第一腿向下折射。后被完全反射的直角三角形的斜边的脸,然后折射光再次因为它退出通过另一条腿的棱镜,它在旅行之前进入棱镜的同一方向进行的。因为鸽子棱镜引入了大量的散光,当会聚光通过时,它是几乎完全用平行光。鸽子棱镜不会偏离或取代图像,但它能被利用来反转或反转图像。

虽然第一眼看的鸽子棱镜似乎是玻璃的色散 (由于这束光的角入口处) 的合适人选,光通过棱镜的传播是玻璃的实际上相当于通过板的图像旋转的边际效益。一个有趣的效果的鸽子风格几何结果作为棱镜沿着纵向轴线旋转。提出了一种在图中的方向 2 (c),光穿过鸽子棱镜形式的图像,是从顶向下倒,扭转从右到左。然而,如果棱镜是旋转 45 度,由此产生的图像旋转 90 度,通过和旋转棱镜时另一个 45 度 (为 90 度,在被放置在其"一方"的效果,共),图像现在旋转 180 度。因此,图像旋转棱镜两倍的速度。在实践中,两个鸽子棱镜经常粘在一起在直角三角形的斜边 (后这些脸上放置一个镜像的表面) 产生一个双棱镜与更改的望远镜、 潜望镜,和其它光学仪器的视线方向的能力。

反射棱镜可以表示为一个平面平行玻璃板或块有的厚度,可以确定由展开棱柱围绕其反射的表面,如图 3 所示。展开的棱镜中隧道图的形式显示,具有入口和出口的面孔长度相等的厚度。有了这个信息,表面厚度的棱镜可以从折射率,方程表示的确定:

表观厚度 = d/n

其中d是 (从展开棱镜确定),玻璃厚度, n是折射指数。简单的右角和 Porro 棱镜的展开的棱镜路径介绍在图 3 (a) 和图 3 (b),分别了。对于一个直角棱镜,展开的厚度等于短的腿的长度 (通过了光线进入和退出该棱镜)。展开一个棱镜还将演示传播过去的棱镜的边缘,而可以通过最大束大小。鸽子棱镜隧道图图 3 (c),所示,显示了展开的折射光线路径,因为他们会遍历在入射光角度倾斜玻璃块。请注意此配置仅在图 3 中所经历的事件和退出接口在折射棱镜。光线进入鸽子棱镜角进入需要高度的入口脸会受到基地 (直角三角形的斜边或长脸) 的长度。展开光学系统的组件通常是最佳的方式来确定光是如何通过不同的光圈、 镜头和角导流板,并可以进行仔细的审查,以优化设计参数和效率。

全内反射的屋顶,组成的两个表面定位在 90 度的角度,对另一个人,以取代直角棱镜的直角三角形的斜边脸收益率法庭棱镜 (见图 4(b))。另外屋顶的服务保持 90 度反演在用直角棱镜,观察到的图像,但也将图像旋转 180 度围绕光学轴。在屋顶的表面,通常会使他们能够通过直角三角形的斜边脸传输的角度的光线发生的事件经过交叉全内反射棱镜。结果是划分图像的中心和转置的左边和右边的部分。法庭棱镜是弧的价格昂贵,难以制造因为屋顶角必须举行到公差,2-4 秒,以避免双重图像伪影的产生。此外,屋顶元素的介绍的几乎两倍的方向垂直于屋顶边缘,无论施工的精度会降低衍射极限分辨率。这个工件可以部分抵消多层涂层应用于表面。

另一个常见的设计、棱镜 (图),没有扭转形象偏转光线通过一个恒定的 90 度角 (此棱镜应不混淆与更复杂五棱镜用于单镜头反光照相机,它也使用屋脊棱镜来产生直立的图像)。如图 4 (a) 所示,五棱镜反射光角度不足以承受全内反射,因此需要薄外部镜面涂层两个内部表面。五角棱镜通常被称为光学广场(如适用于测绘仪器),因为传入的光束偏离了在相同的角度,无论对视线的棱镜定位。菱形棱镜构造形状的平行四边形来取代一束光或视线不影响形象定位的 (图有赖于。棱镜有两个较小平行的反射表面 (腿),被砍成 45 度角向多长的长方形的身体。各种附加棱镜的设计具有独特的性质,主要图像架设和反演,这使他们能够在光学系统中执行特定的功能。有关进一步信息,读者被指先进文本在主体上。

偏光棱镜

苏格兰物理学家尼科耳 William 首先制订偏光棱镜在 1828 年的对角切割矿物方解石 (冰洲石) 的菱体节、 抛光剪切的曲面,和固井他们回来与加拿大香脂。其结果是一个透明的双折射晶体,称为尼科耳棱镜,哪个有效分隔在两个水晶两半之间的界面极化的光。进入后通过一个较小角度的双腿 (平行于晶体的长轴) 棱镜,非偏振光被分割成两个偏振成分,被称为平凡不平凡的波浪,遍历速度不同的晶体。两个分离的光波也有其电矢量振动方向定位在与另一个 90 度角。当两个水晶节之间的接口遇到失散的光波时,普通组件折射出多大的程度和一层黑色涂料应用于棱镜的外表面被吸收。相比之下,非常光线穿过界面,从棱镜略流离失所,但仍行驶,在一个平行于入射光的方向出现。由此产生平面偏振光可以用于照亮双折射的标本,在显微镜或任何其他设备,需要投入的限于单一平面电场振动的光。

尼科耳棱镜的共同变化包括格兰福柯偏光片 (见图 5(a)),组成的两个相同的棱镜方解石切断与光轴平行的角落边,和安装与一个小的空气间隙,这样长的结晶面都平行于另一个。这种双棱镜是透明的从约 230 纳米,在紫外区的频谱,到超过 5000 纳米红外辐射的波长。这种波长传输范围广泛使格兰福柯棱镜的作用,在各种乐器中使用。像尼科耳棱镜,入射光照射在格兰福柯棱镜被分成平行或垂直于光轴方向振动的平凡与不平凡的波浪。然而,在这种情况下,分裂光波通过无折射棱镜直到他们遇到玻璃/空气边界,于是屏幕上的普通的射线完全反射,而非同寻常的光线穿过边界只有轻微的偏差。

如果水晶两半都粘在一起,棱镜然后称为格兰-汤普森偏振片 (或棱镜),并能承受较强的辐射,这样的高强度激光源的。第三个折射棱镜被称为渥拉斯顿棱镜,这实在是偏振分光镜制成两种方解石或石英节硬质合金与安置正交的光学轴 (图 5(b))。偏振光通过渥拉斯顿棱镜被分隔成正交的波浪,上文所述的其他偏光棱镜。然而,当平凡与不平凡波遇到的对角水泥交界处,他们交换身份,被折射在不同的方向,和摆脱略流离失所者从另一个的棱镜。偏差之间的角度 (通常被称为剪切) 两个退出光波是由楔角棱镜,15 度到 45 度的不同而不同的决定。

几种衍生物的格兰风格棱镜可以产生的改变对个别水晶两半方解石或石英光学轴线的方向 (如图 5 所示)。罗雄棱镜 (图 5(c)) 彼此正交轴的位置和安排是这样非极化的入射光进入棱镜平行于光轴 (和不分开)。当光波通过在洛匈棱镜的交界处时,他们进入一个新的区域,定向为的垂直于海浪光轴方向在哪里。这会导致光要拆分成平凡与不平凡的组件,这些组件与普通波通过不偏执和非同寻常的波从垂直的折射。相反的场景可以取得与萨那棱镜,也有第一的水晶节面向平行入射光照到的轴。然而,当光波遇到萨那棱镜中的边界 (见图 5(d)),在第二个一半的棱镜允许光线通过不偏执,光学轴的方向却折射出普通波。可以利用这些棱镜来选择为特定的光学应用偏振光的个体取向。

折射或分散棱镜

在 17 世纪末由英国物理学家艾萨克 · 牛顿爵士进行了首次证明了折射和三棱镜色散。牛顿发现白色的光被解剖分析成其组成颜色由一个等腰三角形的棱镜有相等的边和角。一般情况下,折射或分散棱镜有两个或更多面向以有利于折射,而不是反射入射光束的方式的平面表面。当光线撞击表面的分散的棱镜时,它折射而进入根据斯奈尔定律,然后穿过玻璃,直到达到第二个接口。再次,光线折射和从沿着一条新的路径棱镜出现 (见图 6)。因为棱镜改变光的传播方向,波通过棱镜据说是由一个特定的角度,可以非常精确地确定通过对棱镜的几何应用斯奈尔定律偏离。轻波进入可以使遍历到基地平行的方向上的玻璃的光束角棱镜时,偏向角最小化。

光产生的棱镜量是材料的偏差的入射角、 棱镜先端 (顶部) 角度来看,和折射率从其棱镜材料的偏差的构造函数。由于棱镜折射率值都增加,所以是光通过棱镜的偏差角度。折射率是光的常常依赖于波长,用更短的波长 (蓝色光) 被折射角度较大比长波长 (红光)。这种变化与波长偏离角的被称为色散,并负责牛顿观察到 300 多年前的现象。

色散可以通过选择特定的应用程序的适当折射率特性的眼镜进行微调。一般情况下,各种玻璃配方的色散特性比较通过阿贝数,由测量的具体参考波长穿越玻璃的折射率。流行眼镜棱镜施工中利用阿贝数在表 1 中列出。正如从检查表可以明显看出,低阿贝数字指高色散功率,转化为更大的角传播中的新兴的光光谱的颜色。

阿贝数和棱镜玻璃的折射率
玻璃
计算公式
折光指数 阿贝
Fused Quartz 1.4585 67.8
BK 7 1.5168 64.17
Light Barium Crown 1.5411 59.9
Light Flint 1.5725 42.5
Dense Flint Glass 1.620 36.37
Extra Dense Flint Glass 1.6725 32.20
Very Dense Flint Glass 1.728 28.41
表 1

分散棱镜的主要应用是光谱的分离波长,与谱分析与研究有关的领域。虽然曾经是棱镜分光计和分光光度计的首选的光学组件,衍射光栅现在命令这些文书中的主导作用。光栅产生线性色散的白色的光,而不是复杂的角度与波长关系由棱镜展出。然而,棱镜有几个光栅,包括其增强的功率处理能力,没有不需要更高的秩序衍射现象和低杂散光的优点。

棱镜材料和制造

为了使棱镜来执行在要求的规格,它应该从正确的玻璃配方制造,不受应变和内部缺陷。棱镜的所有表面都必须完全平坦和地面到准确的角度 (虽然在一些棱镜角度都比别人远更重要) 偏离不超过 5 至 10 分钟一般使用,但至为关键的应用程序,如屋顶棱镜的只是几秒钟举行。在角落的多余材料通常是删除或斜切减少切削和开裂,尽量减少的重量和大小的棱镜。外表面应保持清洁,最苛求的光学标准,通过应用漆清漆或镀银的表面,在适当情况下可以完成。在许多情况下,在压制鬼魂形象产生的杂散的内部反射的表面研磨凹槽。

在棱镜材料内的玻璃密度的变化可以产生图像失真和改变玻璃的色散特性。以类似的方式,气泡或外国碎片在玻璃中的可以产生衍射构件,减少光线的传输。眼镜选择的棱镜施工的特点是其折射率、 色散和光传输特性。

分光镜

分光镜是一个常见的光学组件,能部分地传送部分地反映了入射光束,通常在不相等的比例。除了光划分任务,可以用分光镜来重组两个单独的光束或图像到单个路径。分光镜的最简单配置是一种无涂层平板玻璃板 (如显微镜幻灯片),具有平均地表反射率约为 4%。当放在一个 45 度的角,板将传输的大部分光,但反映出少量在入射光束成 90 度角。分光镜,正如名称所示,冠光学玻璃板具有设计生产所需的传输到反射比部分镀银的涂层。这些比率通常 50: 50 和 20:80,取决于应用程序之间会发生变化。

一般情况下,金属或介电膜是第一次表面沉积 (面对入射光照) 的分光镜板块,而增透膜适用于后面 (见图 7)。减反射膜可以选择相匹配光的入射角度,以尽量减少从背板的表面反射的光量和降低鬼魂形象的可能性。典型的抗反射涂层显示只有约 0.5%反射率在入射角度为 45 度。介质膜也必须进行微调以产生适当的反射率、 偏振特性和波长分布在分光镜为其设计的角度。因为介电性能和抗反射涂层有可以忽略不计的吸光度在可见光区域 (通常为 50/50 的分光镜在 45 度的 0.5%),板分光镜是理想的广泛的应用。

分光镜制作使用介质膜的最严重的后果之一就是不平等的透射和反射的ps (平行和垂直) 极化组件非偏振入射光束。其结果是,一些介质分光镜划分不相等根据偏振内容,可以是不可取的在很多应用程序中的光。当使用介质膜,此工件经常改变入射光的偏振矢量方向规避。此外,可以通过利用的更复杂的多层薄膜介电涂层设计,但往往会损害其他性能方面减少的极化效应。

用偏振的激光光源入射辐射在那里必须保持其中透射和反射两束光的偏振方向已经有了专门非偏振分光镜涂料。该涂料可以有效地生成干净各占一半的激光能量,无论入射光的偏振态。作为一方的优势,非偏振的光入射到这些涂料具有两个平行和垂直的组件,在传输几乎相等的比率。此外可以设计板分光镜作为 longpass 和 shortpass 边缘滤波器 (当定位在一个 45 度角) 为应用程序要求特定波长的选择。在 longpass 过滤器,转交了长波长和短波长反射入射光成 90 度角。Shortpass 过滤器以逆向的方式行事 (传输短的波长和反映长波长)。分光镜作为边缘滤镜通常被称为分色两色镜。

多维数据集分光镜被捏造的胶结在一起的一对匹配的部分反射膜-直角棱镜直角三角形的斜边脸上存放到一个人的脸上棱镜 (图 8(a))。所有四个面孔的多维数据集分光镜治疗的抗反射涂层尽量减少鬼魂形象。为优化的结果,在入射光束应该输入通过已经涂了反光膜,这样前梁遇到用来粘合在一起的多维数据集的光学水泥, 发生反射棱镜分光镜。多维数据集分光镜是比板分光镜,更耐机械损伤和变形的主要是因为表面反射的受被夹在玻璃棱镜。

板分光镜有一些优势时相比,多维数据集分光镜,主要是缺乏光水泥附近介质或金属膜,可以吸收光的能量,降低传输。因此,板分光镜可承受辐射的水平明显高于没有遭受损害。单个玻璃板块也是更小和更轻比双棱镜多维数据集,并可以更容易地安装在狭小空间的紧凑型光学配置。

为多维数据集分光镜先进的涂料包括混合金属-电介质薄膜,结合这两种材料的好处。其结果是适度高效的宽带分光镜,通常吸收水平的 10%的非常小的偏振灵敏度。吸收损失间透射和反射的光束,几乎同样的划分和偏振元件躺在彼此的 5 到 10%以内。其他宽带的涂料有较低的吸收特性,但极极化敏感。全介质非偏光涂料是为在特定的波长,通常为激光应用的高性能设计的。

第三个重要类的分光镜捏造的由高拉伸强度弹性膜 (如硝化纤维素) 像画布绷在一个黑色阳极氧化扁平金属框架。被称为薄膜分光镜 (图 8(b)),2 和 10 微米,如此之薄它虚拟消除了鬼魂形象之间的膜厚度范围。此外,光学畸变,如色度、 球面和散光都降到最低时相比板和多维数据集的分光镜,极大地扩大使用光收敛和发散的可能性。未涂布的膜膜传输大约 92%的入射光在整个可见光和近红外谱地区,但通常表现出令人无法接受的吸光度在紫外线。对于大多数应用程序,表膜膜涂有介质薄膜上面对入射光束的膜一面。这些分光镜经常到的从邻近的膜表面,导致的干扰工件的牺牲品,他们也可以受到声学振动。表膜膜表面不应该触及,可仅通过温柔流动的空气净化。

带孔分光镜 (通常称为的圆点分光镜 ; 见图 8(c)) 捏造涂一层薄薄的中大小固定的方孔铝光玻璃基板。生成的曲面有"圆点"的外观,这样的名称。通过认真调整光圈大小,可以操纵在穿孔分光镜涂布到无涂层表面面积的比值,同样将入射光束分成透射和反射两部分。轻波遇到无涂层的表面的通过 (玻璃,输给思考了几个百分点) 虽然那些影响铝涂层 (通常的 45 度角) 反映出来。穿孔的分光镜在广泛的角度,证明可以忽略不计的灵敏度和对于分裂光束发散、 宽带辐射来源如汞弧或卤钨灯很有用。此外,网格模式显示微不足道的衍射透射光束发散并不会出现两极化的工件。这些筛选器也是有用的氘和氙灯,并且在单色仪,分光光度计和其他光学系统中找到的应用程序。

圆棱镜具有平面表面微小的角度,相互之间的位置被称为光楔,和使折射,而不是反射光偏转。虽然楔形棱镜在大自然中,他们可以操纵作为分光镜或光束引导在其中一个楔子转移了入射光的角度取决于的入口和出口的面孔和用来制造平板玻璃的折射率之间的角度。楔 2 至 25 度之间的角度范围及具有相应屈光度权力之间 2 和 20 厘米每米的距离从棱镜折射光束的偏差。光折射后可以通过旋转圆棱镜控制通过对楔块的方向 (见图 9)。在许多情况下,两个楔配对和光路在更大程度上在 360 度范围内通过改变旋转方向相反的楔子。楔形棱镜作为多才多艺分光镜,防止鬼魂形象,引导光束通过可调节的途径在光学系统中。

棱镜和分光镜是显微镜观察管,在那里他们采取行动来引导光从物镜到目镜或相机端口中的重要组成部分。在现代显微镜配备双目目镜管,棱镜也被用来将视线方向从垂直更改为一个更方便的 45 度角。两色分光镜镜子也是重要的荧光显微镜提供励磁照明为标本,允许二次荧光阻断反射的激发波长同时进入目镜。其他光学仪器,如望远镜,发现作用域,并测量凌日也依赖于棱镜和分光镜履行其职能。



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