一种具备像平移特性的180度反射棱镜组的制作方法

1.本发明属于光学元件领域，具体涉及一种具备像平移特性的180度反射棱镜组。


背景技术：

2.180度反射棱镜具有将入射光线沿原方向反射的特性，在光学成像、光学测量、光学系统设计等领域均有广泛的应用。常用的180度反射棱镜主要包括直角棱镜和角锥棱镜，以及由多个棱镜组合而成的棱镜组。在光学系统设计中，除了需重点考虑棱镜对光线的反射、透射等特性，棱镜对入射像的旋转、镜像等特性也是影响棱镜应用的重要因素，因此需要设计各种对入射像进行旋转、镜像、平移等操作的棱镜或棱镜组以满足光学系统设计的需要。
3.使用单一棱镜对光线进行反射时，反射像的方位往往难以保持，一般会发生旋转或镜像。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种具备像平移特性的180度反射棱镜组，实现对物像的平移。
5.本发明所采取的技术方案为：
6.一种具备像平移特性的180度反射棱镜组，包括第一90度倒像棱镜、第二90度倒像棱镜和角锥棱镜；其中第一90度倒像棱镜和第二90度倒像棱镜均为可90度倒像的180度反射棱镜，角锥棱镜为可对入射像实现180度旋转的180度反射棱镜；第一90度倒像棱镜和第二90度倒像棱镜并列放置，二者通光面共面，并与角锥棱镜相对且平行；
7.光线由第一90度倒像棱镜的通光面垂直入射，经第一90度倒像棱镜内的3次全反射后从第一90度倒像棱镜的通光面出射，然后从角锥棱镜的通光面入射，经角锥棱镜内的3次全反射后从角锥棱镜的通光面出射，最后从第二90度倒像棱镜的通光面入射，经第二90度倒像棱镜内的3次全反射后从第二90度倒像棱镜的通光面出射，出射光线相对于入射光线产生180度反射；
8.入射像经过第一90度倒像棱镜反射后顺时针方向旋转90度，然后经过角锥棱镜反射后旋转180度，最后经过第二90度倒像棱镜反射后再次顺时针方向旋转90度，最终出射像的方位相对于入射像未发生变化，出射像的位置相对于入射像发生了平移，平移量的大小由入射光的位置及该反射棱镜组中各棱镜的相对位置决定。
9.进一步，该可90度倒像的180度反射棱镜是由通光面、第一全反射面、第二全反射面和第三全反射面组成的四面体abco；通光面为面abc，第一全反射面为面abo，第二全反射面为面bco，第三全反射面为面aco；
10.通光面为等腰直角三角形，角abc为直角，边ab＝bc；第一全反射面与通光面相交于边ab，并与通光面成45度角；第二全反射面与通光面相交于边bc，并与通光面成45度角；第三全反射面与通光面相交于边ac，并与通光面垂直；
11.入射光垂直于通光面入射该反射棱镜，并依次经第一全反射面、第三全反射面和第二全反射面三次全反射反射后垂直于通光面出射该反射棱镜；三次全反射的入射角和反射角均为45度，出射光与入射光平行，出射像相对于入射像实现90度旋转；
12.该反射棱镜的材料折射率
13.一种具备像平移特性的180度反射棱镜组，包括第一90度倒像棱镜、第二90度倒像棱镜和角锥棱镜；其中第一90度倒像棱镜和第二90度倒像棱镜均为可90度倒像的180度反射棱镜，角锥棱镜为可对入射像实现180度旋转的180度反射棱镜；第一90度倒像棱镜和角锥棱镜并列放置，二者通光面共面，并与第二90度倒像棱镜相对且平行；
14.光线由第一90度倒像棱镜的通光面垂直入射，经第一90度倒像棱镜内的3次全反射后从第一90度倒像棱镜的通光面出射，然后从第二90度倒像棱镜的通光面入射，经第二90度倒像棱镜内的3次全反射后从第二90度倒像棱镜的通光面出射，最后从角锥棱镜的通光面入射，经角锥棱镜内的3次全反射后从角锥棱镜的通光面出射，出射光线相对于入射光线产生180度反射；
15.入射像经过第一90度倒像棱镜反射后顺时针方向旋转90度，然后经过第二90度倒像棱镜反射后再次顺时针方向旋转90度，最后经过角锥棱镜反射后旋转180度，最终出射像的方位相对于入射像未发生变化，出射像的位置相对于入射像发生了平移，平移量的大小由入射光的位置及棱镜组中各棱镜的相对位置决定。
16.进一步，该可90度倒像的180度反射棱镜是由通光面、第一全反射面、第二全反射面和第三全反射面组成的四面体abco；通光面为面abc，第一全反射面为面abo，第二全反射面为面bco，第三全反射面为面aco；
17.通光面为等腰直角三角形，角abc为直角，边ab＝bc；第一全反射面与通光面相交于边ab，并与通光面成45度角；第二全反射面与通光面相交于边bc，并与通光面成45度角；第三全反射面与通光面相交于边ac，并与通光面垂直；
18.入射光垂直于通光面入射该反射棱镜，并依次经第一全反射面、第三全反射面和第二全反射面三次全反射反射后垂直于通光面出射该反射棱镜；三次全反射的入射角和反射角均为45度，出射光与入射光平行，出射像相对于入射像实现90度旋转；
19.该反射棱镜的材料折射率
20.本发明的有益效果为：
21.本发明的具备像平移特性的180度反射棱镜组，可对垂直于通光面的入射光线实现180度折转反射，出射像的方位相对于入射像未发生变化，出射像的位置相对于入射像发生了平移，平移量的大小由入射光的位置及棱镜组中各棱镜的相对位置决定。
附图说明
22.图1是本发明的一种反射棱镜组的结构示意图；
23.图2是本发明的一种反射棱镜组对入射像旋转过程示意图；
24.图3是本发明的角锥棱镜对入射像旋转180度示意图；
25.图4是本发明的可90度倒像的180度反射棱镜的结构示意图；
26.图5是本发明的可90度倒像的180度反射棱镜对入射像旋转90度的原理图；
27.图6是本发明的另一种反射棱镜组的结构示意图；
28.图7是本发明的另一种反射棱镜组对入射像旋转过程示意图。
29.图中：100-第一90度倒像棱镜，101-第一全反射面，102-第二全反射面，103-第三全反射面，104-通光面，105-入射像，106-第一像，107-第二像，108-出射像，200-第二90度倒像棱镜，300-角锥棱镜。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.本发明设计了一种具备像平移特性的180度反射棱镜组，可对垂直于通光面的入射光线实现180度反射，入射光与反射光间的间距可通过棱镜尺寸及入射光的位置确定；其反射像相对于入射像不发生旋转或镜像，仅为位置的平移。
32.实施例1：
33.一种具备像平移特性的180度反射棱镜组，如图1所示，是由第一90度倒像棱镜100、第二90度倒像棱镜200、角锥棱镜300组成，其中第一90度倒像棱镜100和第二90度倒像棱镜200并列放置，其通光面与角锥棱镜300相对。
34.如图1所示，光线由第一90度倒像棱镜100的通光面入射，经第一90度倒像棱镜100内的3次全反射后从第一90度倒像棱镜100的通光面出射，然后从角锥棱镜300的通光面入射，经角锥棱镜300内的3次全反射后从角锥棱镜300的通光面出射，最后从第二90度倒像棱镜200的通光面入射，经第二90度倒像棱镜200内的3次全反射后从第二90度倒像棱镜200的通光面出射，出射光线相对于入射光线产生180度反射。
35.如图2所示，入射像依次经过第一90度倒像棱镜100、角锥棱镜300、第二90度倒像棱镜200反射后的变化如图2所示。入射像经过第一90度倒像棱镜100反射后顺时针方向旋转90度，然后经过角锥棱镜300反射后旋转180度，最后经过第二90度倒像棱镜200反射后再次顺时针方向旋转90度，最终像的方位相对于入射像未发生变化。由于反射棱镜组对入射光线实现了180度折转反射，最终像的位置相对于入射像发生了平移，平移量的大小由入射光的位置及棱镜组中各棱镜的相对位置决定。
36.实施例2：
37.另一种具备像平移特性的180度反射棱镜组，如图6所示，是由第一90度倒像棱镜100、第二90度倒像棱镜200、角锥棱镜300组成，其中第一90度倒像棱镜100和角锥棱镜300组成并列放置，其通光面与第二90度倒像棱镜200相对。
38.如图6所示，光线由第一90度倒像棱镜100的通光面入射，经第一90度倒像棱镜100内的3次全反射后从第一90度倒像棱镜100的通光面出射，然后从第二90度倒像棱镜200的通光面入射，经第二90度倒像棱镜200内的3次全反射后从第二90度倒像棱镜200的通光面出射，最后从角锥棱镜300的通光面入射，经角锥棱镜300内的3次全反射后从角锥棱镜300的通光面出射，出射光线相对于入射光线产生180度反射。
39.入射像依次经过第一90度倒像棱镜100、第二90度倒像棱镜200、角锥棱镜300反射
后的变化如图7所示。入射像经过第一90度倒像棱镜100反射后顺时针方向旋转90度，然后经过第二90度倒像棱镜200反射后再次顺时针方向旋转90度，最后经过角锥棱镜300反射后旋转180度，最终像的方位相对于入射像未发生变化。由于反射棱镜组对入射光线实现了180度折转反射，最终像的位置相对于入射像发生了平移，平移量的大小由入射光的位置及棱镜组中各棱镜的相对位置决定。
40.两个实施例中，角锥棱镜300可对入射像实现180度旋转，如图3所示，且角锥棱镜300为公知常识。
41.第一90度倒像棱镜100和第二90度倒像棱镜200具有相同特性，均是一种可90度倒像的180度反射棱镜。可90度转像的180度反射棱镜，如图4所示，是由通光面104、第一全反射面101、第二全反射面102、第三全反射面103组成的四面体abco。其中，通光面104为面abc，第一全反射面101为面abo，第二全反射面102为面bco，第三全反射面103为面aco。
42.通光面104为等腰直角三角形，角abc为直角，边ab＝bc；第一全反射面101与通光面104相交于边ab，并与通光面104成45度角；第二全反射面102与通光面104相交于边bc，并与通光面104成45度角；第三全反射面103与通光面104相交于边ac，并与通光面104垂直。
43.入射光垂直于通光面104入射棱镜，入射光依次经第一全反射面101、第三全反射面103、第二全反射面102三次全反射反射后垂直于通光面104出射棱镜，三次全反射的入射角和反射角均为45度，出射光与入射光平行，出射像108相对于入射像105实现90度旋转。
44.反射棱镜的材料为满足通光波段光学指标要求的光学材料，且材料折射率需满足通光波段45度全反射条件，即材料折射率
45.如图5所示，通过辅助立方体abcdefgh可证明该反射棱镜对入射像的90度旋转特性。设辅助立方体abcdefgh的几何中心为o点，连接oa、ob、oc，则四面体abco即为所述反射棱镜，其中面abc为通光面104，面abo为第一全反射面101，面bco为第二全反射面102，面aco为第三全反射面103。
46.设入射像105在面abc通光面104上，方向为x方向。因为面abo第一全反射面101即为面abgh，所以入射像105通过第一全反射面101成的第一像106在面abfe内，第一像106的方向为x方向。因为面aco第三全反射面103即为面acge，所以第一像106通过第三全反射面103成的第二像107在面aehd内，第二像107的方向为z方向。因为面bco第二全反射面102即为面bche，所以第二像107通过第二全反射面102成的第三像在面efgh内，第三像的方向为z方向。第三像即为入射像105经第一全反射面101、第三全反射面103、第二全反射面102反射后成的出射像108。因为入射像105的方向为x方向，出射像108的方向为z方向，所以入射像105经反射棱镜反射后的出射像108方向旋转了90度。
47.综上所述，反射棱镜可实现对垂直于通光面4入射的光线实现180度反射，且出射像相对于入射像旋转了90度。
48.本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。