棱镜（Prism）

GMPT

1.应用背景

棱镜是一种由透明材料制成的多边形形状的光学元件，能够通过折射和反射改变光线的传播方向和折射角度。棱镜通常用于分光、偏转光线和纠正光线的偏折。同时，棱镜可以根据形状和角度将白光分散成不同的波长，形成色散效应。棱镜常用于分光仪器和光谱分析中，用于分散光线和测量折射率。

在光谱分析中，棱镜可以将入射的白光分解成不同波长的光谱组成，从而实现光谱分离和分析。这在物理、化学等领域中具有广泛的应用，例如材料成分分析、光谱测量等。
在光学显微镜中，棱镜被用于改变光线的传播方向，实现对样品的观察和成像。通过将光线偏转，棱镜可以改变光路，使得显微镜可以观察到不同角度和位置的样品细节。
在光学通信中，棱镜被用于光信号的分配和路由。通过调整棱镜的角度和位置，可以控制光信号的传输方向和路径，实现光信号的灵活调度和分发。

此外，棱镜还广泛应用于光学仪器、激光器、摄影镜头等领域。例如，棱镜在投影仪中用于将光线聚焦和偏转，实现图像的投影；在摄影镜头中，棱镜被用于调整光线的路径，实现对焦和成像。

2.案例展示

2.1 三棱镜分光

2.1.1 背景介绍

三棱镜是一种常见的光学元件，是由透明材料做成的截面呈三角形的光学仪器，属于色散棱镜的一种，能够使复色光在通过棱镜时发生色散。1666年，英国物理学家牛顿在用三棱镜准备实验时，发现阳光透过三棱镜后，在地面投射出七种颜色排开的彩色光带，这便是三棱镜分光的起源，光谱学自此逐渐被人们所认知。三棱镜应用背景广泛，包括物理实验、光学仪器和光学通信等领域。

物理实验中，三棱镜常用于分光实验。光线经过三棱镜时，会发生折射和反射，分解成不同波长和角度的光线，可以研究光的性质和波长的变化。
光学仪器中，三棱镜被用于光谱仪、激光器和摄像机等设备中。光谱仪利用三棱镜将光线分解成不同波长的光谱，用于研究物质的特性和成分。激光器利用三棱镜来调节和分离激光束，以满足不同应用场景的需求。摄像机中的三棱镜用于将不同颜色的光线分离，并捕捉到不同的像素，实现彩色图像的拍摄。
光学通信中，三棱镜用于光纤连接和光信号的调制和解调。通过三棱镜的折射和反射，可以使光信号在不同角度下传输，实现光纤之间的连接和光信号的传输。通过改变光信号的入射角度和波长，实现信息的编码和解码。

2.1.2 原理介绍

三棱镜的分光原理是基于色散和折射的物理原理。光从三棱镜的一个侧面射入，从另一个侧面射出，出射光线将向底面（第三个侧面）偏折，而偏折角的大小与棱镜的折射率、棱镜的顶角和入射角有关。白光是由各种单色光组成的复色光，不同波长的单色光在同一介质中的折射率和传播速度均有差异，所以，通过三棱镜时，各单色光的偏折角不同，实现白光的分光效果。

2.1.3 软件功能支持

使用 Rayzen 对三棱镜进行设计仿真，需要用到以下参数和功能：

材料及光学属性：添加棱镜材料参数及表面光学属性，包括折射率、透射率等；
光学仿真和分析工具：使用 Rayzen 的光学仿真和分析功能，以恰当模拟三棱镜对光线的折射和色散行为；
系统布局：Rayzen 还提供了系统布局工具，可以将三棱镜与其他光学元件进行组合，构建完整的光学系统。

2.1.4 仿真设置

光学元件：

Components	Number of sides	Radius	Taper	Depth	(x,y,z,α,β,γ)	Material	Optical Properties
Prism	3	1	1	1	(0,0,0,0,0,0)	BK7	100%Transmittance

光源与接收器：

Components	L	W	(x,y,z,α,β,γ)	Additional Settings
PointSource	---	---	(0,0,-1,-,-,-)	Angular Distribution: Uniform Theta to +X:20 Phi to +Y:0 Angle From:0 Angle to:0 Spectrum:Continuous Spectrum BlackBody Temperature Temperature:6500 Min Wavelength:360 Max Wavelength:830 Count:100
SurfaceReceiver	0.1	0.1	(0,-0.5,2.5,0,0,0)	---

2.1.5 结果分析

我们设置仿真光线数量为 10000 条，追迹后场景中光线预览如下图所示；通常来讲，波长越长的光折射率越小，因此红光偏转角较小，紫光偏转角较大。

三棱镜分光光线预览图

三棱镜分光RGB图