• 前言
• 开始
• • • 1. 分光棱镜
    • • 1.1 偏振分光棱镜
      • 1.2 非偏振分光棱镜
    • 2. 凸透镜
    • • 2.1 原理特性
      • 2.2 缺点
      • 2.3 解决
    • 3. 菲涅尔透镜
    • 4. 眼球成像
    • 5. 五角棱镜
    • • 5.1 原理
      • 5.2 对比
    • 6. 屋脊棱镜

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前言

这是该专栏的第一篇文章，同时也是非常重要的一篇，为后续原理讲解过程打下理论基础。
在此提供第二篇讲解原理的文章：《谷歌眼镜原理揭秘 (二) —– 简述谷歌眼镜成像原理》

开始

1. 分光棱镜

用透明光学元件将激光光束分成透过光和反射光的光学零件称为分光镜，其中，透过光量与反射光量比例为１：１的称为半反射镜。

首先说明一下，可能有的朋友在后续的学习过程中还会接触到另一个很相似的名词“偏振分光棱镜”。

1.1 偏振分光棱镜

以下内容观看此视频后能够更好理解：《光的偏振：圆偏振，线偏振，非偏振光》

1. 线偏振光：振动方向和光波前进方向构成的平面叫做振动面，光的振动面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或线偏振光；
2. 圆偏振光：光的振动面以光波前进方向为轴旋转所成的光叫做圆偏振光。将两段振动方向面成一定角度的线偏振光带有相位差地进行矢量相加就可以变成圆偏振光；
3. P、S偏振光：当光线以非垂直角度穿透光学元件（如分光镜）的表面时，反射和透射特性均依赖于偏振现象。这种情况下，使用的坐标系是用含有输入和反射光束的那个平面定义的。如果光线的偏振矢量在这个平面内，则称为p-偏振，如果偏振矢量垂直于该平面，则称为s-偏振；
4. 偏振分光棱镜（PBS）：偏振分光棱镜就是能够将P和S偏振光分离的分光棱镜。（下图所示）
   
   有关偏振分光棱镜的详细资料，请参见：《偏振分光棱镜（PBS）知识》
5. 消偏振分光棱镜：与偏振分光棱镜相反，消偏振分光棱镜不会将P和S偏振光分离或者使其分离度很小。经分光棱镜分光后尽可能地保持入射光中原有水平偏振和垂直偏振的比例关系。

下图所示就是，1处的灯泡发出的2处的自然光在不经处理的情况下为非偏振光，然后该非偏振光经过3处的起偏器（只允许某一特定振动方向的光通过的光学仪器）后变成4处的线偏振光。

下图则是圆偏振光的示意图：

我说了那么多，是想引出：人的眼睛并没有辨别偏振光的能力，故无法察觉。因此大家要是看到偏振分光棱镜也不要感到困惑，我们不是做光学实验，把它当作普通分光棱镜看待即可。

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1.2 非偏振分光棱镜

在谷歌眼镜上，放置于眼前的那小块玻璃就是一块分光棱镜：

我们可以观察到，分光棱镜里面有一层膜横跨整块玻璃。没错，分光棱镜的原理就是当光线从一端射入到内部的膜结构上面时，光线会被这层膜分为两个方向的光，故称之为分光棱镜。

以下是示意图：

当使用分光棱镜时，将要被分开的入射光A 是屏幕发出的光，而我们的眼镜处于90° 分光C 的出射方向上。C 的逆方向自然就是前方景物啦。

这样一来，屏幕分出的C 光和前方景物通过C 方向直射眼睛的分光就融合在一起了，最终就实现为这样：

2. 凸透镜

2.1 原理特性

凸透镜大家应该都接触得很多了，我们的近视眼镜和老花镜都是凸透镜，其成像原理初中物理也有教。
要是忘了的朋友可以看看这个《初中物理实验-探究凸透镜成像的规律》哈哈哈！！！
（其实我真的看了，感觉挺好的，又回顾了一遍 😃）

最后凸透镜的特性简单归纳如下：

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好了，以上是凸透镜的一些理论特性。

2.2 缺点

但要是想直接用一块凸透镜对眼前的物体进行成像，也就是让物体处于一倍焦距处形成平行光，从而使人眼得以看清的话，其效果不是很好。
我的测试结果如下所示：

大家可以看到，上面我用凸透镜对一倍焦距处物体成像，在凸透镜边缘部分会因球差的存在而导致模糊不清，导致最后成像效果实在不尽人意。

关于球差的介绍，大家可参考 https://www.sohu.com/a/257633155_194997
这个视频也能帮助大家更好理解：《多透镜结合消除镜头像差原理简介》

2.3 解决

为了解决这个问题，方法有，可以更换其他透镜，也可从光路设计入手，例如下面加一个凹透镜之类的，但稍显麻烦。

为此，经过多次试验之后我发现两种可以消除球差效应的透镜，第一种和凸透镜很像，但是其在透镜边缘做了更多的切割处理。可见这种透镜的效果好很多：

还有一种就是菲涅尔透镜👇

3. 菲涅尔透镜

看了这个视频，你就完全明白了菲涅尔透镜是咋么回事：《菲涅尔透镜和放大镜有啥区别？》

上面对凸透镜的分析中提到，单一凸透镜的成像效果不佳，边缘存在球差效应。而设计光路消除球差又未免麻烦。
所以，我给大家介绍一种从凸透镜衍生而来，但在某些光学特性上又优于凸透镜的透镜——菲涅尔透镜。

简单来说就是，人们发现凸透镜对光线的折射效应只发生在凸透镜具有曲率的表面层，而在其内部不发生折射。于是我们就可以将内部不发生折射的部分去掉，只留下表面层。这样既可以减小尺寸，又可以获得同等的光学特性，甚至还能解决凸透镜的球差效应。
（将凸透镜中不发生折射的部分（红色部分）去掉后变成菲涅尔透镜，其拥有一样的折射能力）

大家可以看到，菲涅尔透镜确实没有任何凹凸，且上面真的有一圈圈的折射表面层（黄框内可以看见明显的圈层结构）。

这是我的测试结果，大家可以看到，效果比上面用凸透镜的好了很多，至少边缘几乎没有球差效应了。

4. 眼球成像

众所周知，当一个物体距离我们的眼睛太近时（例如10cm内），我们就会难以看清该物体的细节，而是模糊一片。

针对上面这个问题，大家可以先看看我们的眼球是如何成像的👉《动画演示眼球结构、成像原理以及近视远视成因》

其实之所以我们看不清距离太近的物体，就是因为当某物距离眼球太近时，其发出的光线是发散的，而不是像远处物体发出的平行光那般。而我们的晶状体又不足以将该发散的光线成功在视网膜上汇聚成清晰的像。所以，我们就看不清了。

但是到这里，可能有的朋友就会问，“使用相机的电子取景器、夜视仪等手持设备的时候，也是离我们眼睛很近啊！为什么还是可以看得清呢？”

那是因为这些设备的电子显示屏和我们眼球之间存在着一块凸透镜。这块凸透镜的作用是将近距离的显示屏发出的发散光，转为平行光，然后平行光再射入我们的眼睛，而一旦我们的眼睛接收到平行光，则会感觉这是在无穷远处的物体一般。
（当物体处于凸透镜一倍焦距处，其通过凸透镜发出的光为平行光，永远不会交叉）

我觉得如果大家要自己做一个AR 设备，对人体眼睛以及一些基本的光学器件的认识是要有的，毕竟这属于交叉学科，不只是某一单一方面的东西。

5. 五角棱镜

五角棱镜是一种能够固定将光束的方向转变90°的光学仪器。
它有两个用途：

1. 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°)；
2. 它和直角棱镜不同，因为光路在五角棱镜内部发生偶数次(两次)反射，故所成的象既无旋转也无镜面反射。

5.1 原理

                    图5.1.1 与奇数次反射的三角棱镜对比                  图5.1.2 五角棱镜内部光路图

光路在五角棱镜内部发生偶数次(两次)反射，故所成的象既无旋转也无镜面反射。

且由三角形内角和为180°这一定理，与五角棱镜内部角度关系，可推知，无论入射光与五角棱镜呈何角度，出射光总能与之呈垂直关系。

5.2 对比

下面分别是镜面反射和五角棱镜的反射

                    图5.2.1 镜面反射                                        图5.2.2 五角棱镜反射

大家可以看到，镜面反射90°的必要条件是入射光束与镜面呈45°；
而五角棱镜则不然，无论入射光束与其表面呈何角度，出射光束都是偏转90°，这对于系统整体的稳定性来说是非常重要的。

所以在低端相机内部光路的反射可能会使用镜面反射，而高端相机则一定会使用五角棱镜或者下面将要介绍的屋脊棱镜。

6. 屋脊棱镜

从上述五角棱镜性质可知，其不仅可以稳定地使光线方向偏转90°，并且不会造成像的旋转或镜面反射。
但在某些时候，由于其他光学仪器已经造成了奇数次反射而所成镜面反射像，若我们继续使用五角棱镜的话，则会造成镜面反射像依然是镜面反射像，这不是我们想要的。如此一来，便有了屋脊棱镜。

例如在单反中，就经常使用屋脊棱镜：

其构造就是将普通五角棱镜的一个反射面做成了两个相互垂直的面：

进而使该本应反射一次的光线反射了两次：

所以光线透过屋脊棱镜，一共反射了三次，能够造成像的镜面反射。