反射元件是指至少有一個反射面的光學元件。光學儀器中的反射元件起著折轉光路、縮小儀器體積、改變像的正倒關係等作用。家庭中常見的穿衣鏡就是平面鏡。
基本介紹
- 中文名：反射元件
- 外文名：reflecting element
- 舉例：穿衣鏡
- 含義：至少有一個反射面的光學元件
正文
至少有一個反射面的光學元件。反射面是指按照反射定律使光線有規則反射的光學表面。光學儀器中的反射元件起著折轉光路、縮小儀器體積、改變像的正倒關係等作用。反射面不是平面的元件還能使光束會聚（或發散），因此可以作為照明系統或成像系統的主要元件使用。
藉助於反射面上的全反射現象，或者在光學表面上鍍反射膜，可以獲得很高的反射率。用於分割光束的反射元件則在反射面上鍍析光膜，使入射光一部分反射,另一部分透射。
平面反射鏡 家庭中常見的穿衣鏡就是平面鏡（在不引起誤解時，反射鏡可簡稱鏡）。穿衣鏡是在平板玻璃的後表面鍍反射膜製成的；與它相比，光學儀器中的平面鏡尺寸小得多，但技術要求則高得多，且反射膜鍍在前表面的居多。
平面鏡的主要性質有：①對實物成虛像，物和像對稱於反射面；②以坐標系xyz表示實物，它被鏡所成的虛像為x′y′z′（圖1），將x′y′z′整體平移或旋轉都不能使其各軸與xyz的對應軸同時重合，因此稱x′y′z′為xyz的鏡像；③保持入射光線方向不變，若平面鏡偏轉θ角，反射光線方向偏轉2θ角（圖2）。 平面反射鏡組 彼此間保持固定角度關係的一組平面鏡。
由夾角為嗞的兩個平面鏡構成的平面鏡組簡稱{嗞}°（{嗞}°表示嗞的數值）角鏡，例如 45°角鏡、90°角鏡（圖3）。與反射面交線P垂直的任何平面都是角鏡的主截面。在主截面內入射的光線依次經兩個平面鏡反射後射出，出射光線與入射光線夾角為2嗞（圖3a）。當角鏡作為一個剛體繞P轉動時，嗞不變，因此光線夾角2嗞也不變。例如90°角鏡（圖3c）繞P擺動時, 2嗞=180°不變,因此出射光線總是與入射光線平行而方向相反。角鏡使光線折轉恆定角度這一特性在某些光學儀器中得到套用。例如光學測距機在外界因素（陽光照射、重力等）影響下，測距機管體難免發生某些程度的彎曲變形，而安裝在左右兩端的45°角鏡（圖3b）仍能保證入射光線折轉90°角。
圖4是由兩個以上平面鏡構成平面鏡組的一個例子。這是由互成直角的三個平面鏡構成的平面鏡組，稱為空心錐鏡。入射光線依次被三個平面鏡反射後射出，出射光線剛好與入射光線平行而方向相反。 反射稜鏡 用透明材料製造、由幾個光學平面（至少包含一個反射面）圍成的多面體。與折射稜鏡不同，當白光通過反射稜鏡時不會引起色散。
圖5是光學儀器中常用的一些反射稜鏡示意圖。有一個反射面的直角稜鏡（圖5a）使光軸折轉90°。有兩個反射面的直角稜鏡（圖5c）在光學性能上與90°角鏡相似。在稜鏡式雙筒望遠鏡的每個鏡筒中都用兩個這樣的稜鏡把倒像變成正像（圖6）；一個稜鏡使像上下顛倒，另一個稜鏡使像左右顛倒。
直角屋脊稜鏡（圖5b）實際上由一整塊光學玻璃製成，但從原理上看，是一種直角稜鏡（圖5c）疊加在另一種直角稜鏡（圖5a）的反射面上，形成所謂“屋脊”，因此它兼有這兩種直角稜鏡的性能。
五稜鏡與45°角鏡有相似的性能。斜方稜鏡相當於一個嗞=0°的角鏡,因此出射光線與入射光線的夾角為2嗞=0°，也就是說，光線通過斜方稜鏡後只產生平移而方向不變。在一些雙目儀器中利用兩個旋轉的斜方稜鏡改變儀器左、右出瞳之間的距離，使之適應不同觀察者的左、右眼間距。
道威（Dove）稜鏡和別漢（Pechan）稜鏡性能相似，當它們繞儀器光軸旋轉θ角時都會引起像旋轉2θ角。在某些光學瞄準鏡中套用了這一特性，令稜鏡轉動引起的像旋轉剛好抵消瞄準線周視掃描引起的像旋轉，因而當瞄準線向四周掃描時，觀察者看到的外界目標總是正立的。
常見的錐體稜鏡從幾何形狀上講猶如從玻璃立方體上切下來的一個角（圖7）,它的三個反射面OAB、OAC和OBC互成直角,因此與空心錐鏡的性能相似。用雷射測距儀測量目標距離時，如果是合作目標而不是敵對目標，可在目標上安裝若干錐體稜鏡，使射向目標的雷射有很大一部分反射後沿原路返回，增強雷射測距儀的接收信號。 如上所述，許多反射稜鏡都與一定的平面鏡組相對應，但實際的光學儀器常採用反射稜鏡而較少採用與之對應的平面鏡組,原因是:①大多數反射稜鏡可利用全反射現象減少光的損失；平面鏡組則必須鍍膜以提高反射率，這些反射膜層容易受外界因素影響而損壞或降低效能。②反射稜鏡光學表面之間的角度一旦加工到所需精度後，能長期保持不變；平面鏡組的鏡間夾角容易受環境條件影響而變動。③在惡劣的裝夾條件下，平面鏡組的表面容易變形而使成像質量下降；反射稜鏡在相同條件下表面變形量較小。與平面鏡組相比，反射稜鏡不太有利的方面在於對原材料要求高。材料不但要透明，而且要有高度的光學均勻性。如果反射稜鏡體積較大，往往在尋找大塊的合格材料上遇到困難。
製造反射稜鏡用的光學材料都有色散性能，為避免引起色差，設計反射稜鏡時要遵循一個原則：稜鏡展開後等效於兩表面互相平行的平板。
分束元件 分束元件是將入射光通量分割成反射和透射兩部分並保證二者有適當比例關係的元件。有時還要求反射部分和透射部分各有其特定的光譜性能，這樣的分束元件可稱分色元件。
圖8是兩種常見的分束元件。除了反射面上鍍析光膜(使光部分透射、部分反射的膜層)外，其他方面與平面鏡或反射稜鏡並無多大差別。分束板(圖8a)在非平行光束中套用時，產生雙像以及像散；因此非平行光束中用分束稜鏡（圖8b）較適宜。但在必須用大尺寸分束元件的場合下，分束板往往因較輕便而被採用。
析光膜有金屬膜和介質膜（見光學薄膜）兩種。金屬膜的光譜性能為中性，即反射光束與透射光束的光譜組成大體相同；金屬膜的缺點是吸收損失大，約有三分之一的入射光通量被膜層吸收。介質膜幾乎沒有吸收損失，而光譜性能則或多或少地偏離中性。對於一般的分束元件，偏離中性可能是缺點，對於分色元件則可利用介質膜的這一特點達到分色目的。
圖9表示一種常見的分色元件──彩色電視攝像機的分色稜鏡。入射光線遇到的第一個介質膜將綠光反射，讓紅光和藍光通過；第二個介質膜反射紅光，讓藍光透過。 球面反射鏡 工作面為精確的球面，是最簡單的成像元件之一。如果用金屬製造球面鏡，拋光後，金屬表面本身就有較高的反射率；但是光學儀器中的球面鏡多由玻璃磨製而成，在其拋光的球面上必須鍍反射膜以提高反射率。
球面鏡分凸、凹兩種，常用的是凹球面鏡。設球面曲率半徑為R，則球面鏡的焦距為R/2，這一數值與光的波長無關，也就是說球面鏡不產生色差；由於這一特點，它常被用在光譜儀器中。圖10表示一種分光光度計的單色光器光學系統，由光柵和兩個球面鏡組成。
凹球面鏡還可以作為天文望遠鏡的物鏡使用；雖然存在一些像差，但對於天文普及這一類用途而言，已能滿足要求。高質量的天文望遠鏡則需要加校正元件，例如馬克蘇托夫天文望遠鏡（圖11）用彎月形透鏡校正凹球面鏡的像差。 非球面反射鏡 工作面既不是平面也不是球面的反射元件。 比較常用的拋物面鏡、 橢球面鏡和雙曲面鏡（圖12）從幾何觀點看都是由一段圓錐曲線繞軸迴轉而形成其工作面的。在這根軸上有一對無像差的共軛點F1和F2(其中拋物面鏡的F1在無窮遠處),因而一些古典的天文望遠鏡利用它們構成物鏡。牛頓天文望遠鏡用拋物面鏡作為物鏡，遠處的星發出的光被拋物面鏡反射後在 F2處形成星的完善像。格雷戈里天文望遠鏡(圖13)是在此基礎上加一個橢球面鏡構成的；拋物面鏡形成的星像落在橢球面鏡的焦點F1上,光線被橢球面鏡反射後,聚於橢球面鏡另一焦點F2上，形成星的完善像。卡塞格倫天文望遠鏡（圖13）與此類似，只不過用雙曲面鏡代替橢球面鏡而已。
除了上述幾種具有迴轉對稱軸的非球面鏡外，還有柱面鏡、鐲面鏡等也偶爾在光學系統中套用。非球面鏡由於不具備像球面鏡那樣的對稱性,要加工到高精度(面形精度達到波長數量級)很不容易,往往需要用手工一件一件修磨，很難成批生產。但在對面形精度要求不高的場合下，非球面鏡較易加工，套用也較廣泛，如探照燈用的拋物面鏡，電影放映機用的橢球面鏡等。
參考書目
連銅淑著:《稜鏡調整》,國防工業出版社,北京,1978。
藉助於反射面上的全反射現象，或者在光學表面上鍍反射膜，可以獲得很高的反射率。用於分割光束的反射元件則在反射面上鍍析光膜，使入射光一部分反射,另一部分透射。
平面反射鏡 家庭中常見的穿衣鏡就是平面鏡（在不引起誤解時，反射鏡可簡稱鏡）。穿衣鏡是在平板玻璃的後表面鍍反射膜製成的；與它相比，光學儀器中的平面鏡尺寸小得多，但技術要求則高得多，且反射膜鍍在前表面的居多。
平面鏡的主要性質有：①對實物成虛像，物和像對稱於反射面；②以坐標系xyz表示實物，它被鏡所成的虛像為x′y′z′（圖1），將x′y′z′整體平移或旋轉都不能使其各軸與xyz的對應軸同時重合，因此稱x′y′z′為xyz的鏡像；③保持入射光線方向不變，若平面鏡偏轉θ角，反射光線方向偏轉2θ角（圖2）。 平面反射鏡組 彼此間保持固定角度關係的一組平面鏡。
由夾角為嗞的兩個平面鏡構成的平面鏡組簡稱{嗞}°（{嗞}°表示嗞的數值）角鏡，例如 45°角鏡、90°角鏡（圖3）。與反射面交線P垂直的任何平面都是角鏡的主截面。在主截面內入射的光線依次經兩個平面鏡反射後射出，出射光線與入射光線夾角為2嗞（圖3a）。當角鏡作為一個剛體繞P轉動時，嗞不變，因此光線夾角2嗞也不變。例如90°角鏡（圖3c）繞P擺動時, 2嗞=180°不變,因此出射光線總是與入射光線平行而方向相反。角鏡使光線折轉恆定角度這一特性在某些光學儀器中得到套用。例如光學測距機在外界因素（陽光照射、重力等）影響下，測距機管體難免發生某些程度的彎曲變形，而安裝在左右兩端的45°角鏡（圖3b）仍能保證入射光線折轉90°角。
圖4是由兩個以上平面鏡構成平面鏡組的一個例子。這是由互成直角的三個平面鏡構成的平面鏡組，稱為空心錐鏡。入射光線依次被三個平面鏡反射後射出，出射光線剛好與入射光線平行而方向相反。 反射稜鏡 用透明材料製造、由幾個光學平面（至少包含一個反射面）圍成的多面體。與折射稜鏡不同，當白光通過反射稜鏡時不會引起色散。
圖5是光學儀器中常用的一些反射稜鏡示意圖。有一個反射面的直角稜鏡（圖5a）使光軸折轉90°。有兩個反射面的直角稜鏡（圖5c）在光學性能上與90°角鏡相似。在稜鏡式雙筒望遠鏡的每個鏡筒中都用兩個這樣的稜鏡把倒像變成正像（圖6）；一個稜鏡使像上下顛倒，另一個稜鏡使像左右顛倒。
直角屋脊稜鏡（圖5b）實際上由一整塊光學玻璃製成，但從原理上看，是一種直角稜鏡（圖5c）疊加在另一種直角稜鏡（圖5a）的反射面上，形成所謂“屋脊”，因此它兼有這兩種直角稜鏡的性能。
五稜鏡與45°角鏡有相似的性能。斜方稜鏡相當於一個嗞=0°的角鏡,因此出射光線與入射光線的夾角為2嗞=0°，也就是說，光線通過斜方稜鏡後只產生平移而方向不變。在一些雙目儀器中利用兩個旋轉的斜方稜鏡改變儀器左、右出瞳之間的距離，使之適應不同觀察者的左、右眼間距。
道威（Dove）稜鏡和別漢（Pechan）稜鏡性能相似，當它們繞儀器光軸旋轉θ角時都會引起像旋轉2θ角。在某些光學瞄準鏡中套用了這一特性，令稜鏡轉動引起的像旋轉剛好抵消瞄準線周視掃描引起的像旋轉，因而當瞄準線向四周掃描時，觀察者看到的外界目標總是正立的。
常見的錐體稜鏡從幾何形狀上講猶如從玻璃立方體上切下來的一個角（圖7）,它的三個反射面OAB、OAC和OBC互成直角,因此與空心錐鏡的性能相似。用雷射測距儀測量目標距離時，如果是合作目標而不是敵對目標，可在目標上安裝若干錐體稜鏡，使射向目標的雷射有很大一部分反射後沿原路返回，增強雷射測距儀的接收信號。 如上所述，許多反射稜鏡都與一定的平面鏡組相對應，但實際的光學儀器常採用反射稜鏡而較少採用與之對應的平面鏡組,原因是:①大多數反射稜鏡可利用全反射現象減少光的損失；平面鏡組則必須鍍膜以提高反射率，這些反射膜層容易受外界因素影響而損壞或降低效能。②反射稜鏡光學表面之間的角度一旦加工到所需精度後，能長期保持不變；平面鏡組的鏡間夾角容易受環境條件影響而變動。③在惡劣的裝夾條件下，平面鏡組的表面容易變形而使成像質量下降；反射稜鏡在相同條件下表面變形量較小。與平面鏡組相比，反射稜鏡不太有利的方面在於對原材料要求高。材料不但要透明，而且要有高度的光學均勻性。如果反射稜鏡體積較大，往往在尋找大塊的合格材料上遇到困難。
製造反射稜鏡用的光學材料都有色散性能，為避免引起色差，設計反射稜鏡時要遵循一個原則：稜鏡展開後等效於兩表面互相平行的平板。
分束元件 分束元件是將入射光通量分割成反射和透射兩部分並保證二者有適當比例關係的元件。有時還要求反射部分和透射部分各有其特定的光譜性能，這樣的分束元件可稱分色元件。
圖8是兩種常見的分束元件。除了反射面上鍍析光膜(使光部分透射、部分反射的膜層)外，其他方面與平面鏡或反射稜鏡並無多大差別。分束板(圖8a)在非平行光束中套用時，產生雙像以及像散；因此非平行光束中用分束稜鏡（圖8b）較適宜。但在必須用大尺寸分束元件的場合下，分束板往往因較輕便而被採用。
析光膜有金屬膜和介質膜（見光學薄膜）兩種。金屬膜的光譜性能為中性，即反射光束與透射光束的光譜組成大體相同；金屬膜的缺點是吸收損失大，約有三分之一的入射光通量被膜層吸收。介質膜幾乎沒有吸收損失，而光譜性能則或多或少地偏離中性。對於一般的分束元件，偏離中性可能是缺點，對於分色元件則可利用介質膜的這一特點達到分色目的。
圖9表示一種常見的分色元件──彩色電視攝像機的分色稜鏡。入射光線遇到的第一個介質膜將綠光反射，讓紅光和藍光通過；第二個介質膜反射紅光，讓藍光透過。 球面反射鏡 工作面為精確的球面，是最簡單的成像元件之一。如果用金屬製造球面鏡，拋光後，金屬表面本身就有較高的反射率；但是光學儀器中的球面鏡多由玻璃磨製而成，在其拋光的球面上必須鍍反射膜以提高反射率。
球面鏡分凸、凹兩種，常用的是凹球面鏡。設球面曲率半徑為R，則球面鏡的焦距為R/2，這一數值與光的波長無關，也就是說球面鏡不產生色差；由於這一特點，它常被用在光譜儀器中。圖10表示一種分光光度計的單色光器光學系統，由光柵和兩個球面鏡組成。
凹球面鏡還可以作為天文望遠鏡的物鏡使用；雖然存在一些像差，但對於天文普及這一類用途而言，已能滿足要求。高質量的天文望遠鏡則需要加校正元件，例如馬克蘇托夫天文望遠鏡（圖11）用彎月形透鏡校正凹球面鏡的像差。 非球面反射鏡 工作面既不是平面也不是球面的反射元件。 比較常用的拋物面鏡、 橢球面鏡和雙曲面鏡（圖12）從幾何觀點看都是由一段圓錐曲線繞軸迴轉而形成其工作面的。在這根軸上有一對無像差的共軛點F1和F2(其中拋物面鏡的F1在無窮遠處),因而一些古典的天文望遠鏡利用它們構成物鏡。牛頓天文望遠鏡用拋物面鏡作為物鏡，遠處的星發出的光被拋物面鏡反射後在 F2處形成星的完善像。格雷戈里天文望遠鏡(圖13)是在此基礎上加一個橢球面鏡構成的；拋物面鏡形成的星像落在橢球面鏡的焦點F1上,光線被橢球面鏡反射後,聚於橢球面鏡另一焦點F2上，形成星的完善像。卡塞格倫天文望遠鏡（圖13）與此類似，只不過用雙曲面鏡代替橢球面鏡而已。
除了上述幾種具有迴轉對稱軸的非球面鏡外，還有柱面鏡、鐲面鏡等也偶爾在光學系統中套用。非球面鏡由於不具備像球面鏡那樣的對稱性,要加工到高精度(面形精度達到波長數量級)很不容易,往往需要用手工一件一件修磨，很難成批生產。但在對面形精度要求不高的場合下，非球面鏡較易加工，套用也較廣泛，如探照燈用的拋物面鏡，電影放映機用的橢球面鏡等。
參考書目
連銅淑著:《稜鏡調整》,國防工業出版社,北京,1978。
