五角棱镜

光束定角度转向器

五角棱镜是光束定角度(90°)转向器之一。它有两个用途：其一是，不管第一面上的入射角是多少，出射光把入射光转向一定角度(90°)；其二是，它和直角棱镜不同，所成的象既无旋转也无镜面反射。五棱镜被常用于照相机的取景器、图像观察系统或测量仪器。

基本概念

五角棱镜的特性是光线由90°角的任一面垂直入射，然后经其45°角的两个面反射，从90°角的另一面出射，入射光线和出射光线等于90°角，这样应用五角棱镜可把光轴转过90°。最近以来，利用五角棱镜的这个特性进行大平面的平面性测量，即把五角棱镜绕水平轴作旋转时出射光线在垂直面内扫出一个平面，反之绕垂直轴旋转，可测定水平面内的平面性，当采用激光作光源时，由于激光射程远，便可以扫出一个很大的平面，这对于用作房屋建设、大工程建设中的平面性测量显然是简单方便而又精度高的，因此五角棱镜的需要愈来愈多。

五角棱镜无法实现根据临界角原理的内部全反射。因此，此棱镜的两个反射面一般被镀上铝膜，并涂了黑漆，其入射面和出射面镀了MgF2 单层防反射膜，如图1所示。

基本特性

图2为五角棱镜的平面示意图。

五角棱镜的使用角的精度与90°角和45°角有关，也和棱镜的材料有关。五角棱镜中的角误差与光线一致的称为第一平行差，而与光轴垂直的称为第二平行差(即塔差)。第一平行差的误差为式1，第二平行差的误差为式2。

n为玻璃折射率。

当研究上述误差式时，由于第一平行差更为重要，因此研讨下列几个问题：

（1）在第一平行差中45°角前有2n系数，可见加工时45°角的误差影响较大，为此一般设法把45°角加工准确；

（2）式中90°角和45°角组成相减项，这显然希望加工时45°角和90°角的误差值符号相同，以便使其相互补偿，从而使的误差值变小，如果两者误差异号，则误差将会增加；

（3）由于其误差形式与n有关，因此还需注意玻璃的折射率n的变化数值：例如当n=1.5时，误差式为

由于n的变化，对90°角与45°角的影响为1:6的影响，这对于挑选玻璃一致性时要特别注意，即一定要挑选折射率的变化小的优质玻璃。

五角棱镜加工注意事项

从光路中，很明显看到45°角的角度需认真控制，以便达到角度精度要求。同时采用修磨90°角的一出射面以确保第一平行差，且使入射光与出射光的90°角的精度达到高精度的要求。在这里需注意两个问题：

（1）成条加工时的注意问题：尺寸较小的五角棱镜加工时，往往成条加工出，然后进行切割。因此在选择材料时，需要特别注意整条玻璃折射率的一致性，不然由于n的变化会使有些棱镜精度不合格；

（2）一般加工时往往较注意45°角的精度，但对光束波阵面要求高的棱镜，如对45°角面的平面性加工不够注意时，那么出射光束的波阵面检查就不合格，这时即使返修出射面也不能达到要求，因此加工45°角两平面时，角度与平面性皆应注意。

五角棱镜工作角测定

（1）测试系统

五角棱镜的工作角，即入射光和出射光的夹角，由于<90°角与<45°角之间有6倍左右的关系，为此当角度的相互关系处理好时，五角棱镜的工作角往往可以达到较好的精度。但是由于五角棱镜中光线的光路很长，为此当五角棱镜尺寸较大时，对折射率的一致性要求很高，同时由于光束经多个面透射、反射、出射，因此每个面的平面度与光洁度皆对最后的波特面有影响。综合而言，对于五角棱镜的要求还是相当高的。对工作角的测试系统可见图3。

在多齿分变器上装反光镜，如图3（a），图3（b）情况下进行第一次读数，图3（c）中多齿分变器转180°再进行读数，当把图3（b）情况下读数与图3（c）情况下读数相加除2，即是要求的数据，显然这样测试是为了消除五角棱镜90°角的偏心，从而得到真正的90°角的误差值。

（2）数据

在该测试系统中，可以测出三种角误差:入射光和出射光之间的90°角的误差，其读数值来之于反射镜，从而可在光电平行光管上读数，即五角棱镜工作角的误差;从五角棱镜的出射面反射回来的光束，在回到光电平行光管，这时可以读出第一平行差和第二平行差，由于反射回来的光线较弱，故此其反射像也不象反射镜反射的像那样明亮，从而也区别了两者的不同。

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