Oglindă sferică optică: tipuri, specificații și ghid de aplicații

Alegeți geometria greșită a oglinzii și întregul dvs. sistem optic plătește - focalizare degradată, lumină parazită sau ersaui de măsurare care se regăsesc la o componentă trecută cu vederea. Oglinzile optice sferice sunt printre cele mai versatile elemente reflectorizante din optica de precizie, dar utilizarea lor eficientă necesită înțelegerea atât a punctelor lor forte, cât și a limitărilor cunoscute.

Ce este o oglindă optică sferică?

O oglindă sferică are o suprafață reflectorizantă care face parte dintr-o sferă. În funcție de ce parte reflectă, este clasificat fie ca a oglindă concavă (suprafața interioară) sau a oglindă convexă (suprafața exterioară). Aceste două tipuri se comportă fundamental diferit cu lumina și se potrivesc diferitelor aplicații.

Parametrul optic cheie este raza de curbură (R). Distanța focală (f) se referă la aceasta pur și simplu: f = R/2 . O oglindă cu o rază de curbură de 200 mm are o distanță focală de 100 mm. Această relație guvernează modul în care oglinda formează imagini și modul în care se ocupă de focalizarea sau divergența fasciculului.

Concav vs. Convex: Alegerea tipului potrivit

Oglinzile concave converg lumina. Razele paralele care lovesc suprafața se reflectă toate prin punctul focal - ceea ce face ca oglinzile concave să fie alegerea potrivită pentru focalizarea fasciculului, colectarea solară și oglinzile primare ale telescopului. De asemenea, pot produce imagini reale mărite, motiv pentru care apar în oglinzile de machiaj, oglinzile dentare și instrumentele de imagistică științifică.

Oglinzile convexe diverg lumina și produc întotdeauna imagini virtuale verticale, reduse, indiferent de poziția obiectului. Câmpul lor larg de vedere le face stşiardul pentru oglinzile laterale ale vehiculelor, oglinzile de securitate pentru magazine și oglinzile de siguranță pentru intersecția drumurilor. Sacrifici acuratețea adâncimii pentru acoperirea panoramică.

Specificații cheie de evaluat

Când se aprovizionează o oglindă optică sferică pentru un sistem de precizie, patru specificații determină dacă va funcționa:

• Precizia cifrei de suprafață — măsurată în fracțiuni de lungime de undă (λ). Oglinzile de calitate pentru cercetare necesită de obicei λ/8 sau mai bine. Pentru aplicații mai puțin solicitante, λ/4 este acceptabil. Toleranțe mai strânse înseamnă șlefuire și lustruire mai costisitoare.
• Rugozitatea suprafeței (RMS) — afectează dispersia. Aplicațiile laser de mare putere necesită adesea rugozitate sub 1 nm RMS pentru a evita pierderile prin împrăștiere care degradează calitatea fasciculului.
• Înveliș reflectorizant — acoperirea determină intervalul de lungimi de undă utilizabile și reflectivitatea de vârf. Aluminiul protejat acoperă UV până la aproape IR (~250–700 nm) la aproximativ 85–90% reflectivitate. Aurul protejat se potrivește aplicațiilor mid-IR (>700 nm) la reflectivitate >97%. Straturile de argint îmbunătățite împing reflectivitatea peste 98% în domeniul vizibil, dar necesită o manipulare atentă.
• Material de substrat — Sticla borosilicată este standardul, combinând costul scăzut cu o bună stabilitate termică. Siliciul topit este preferat pentru aplicații UV sau medii cu ciclu termic.

Pentru sistemele care necesită, de asemenea, direcționare și filtrare a fasciculului, asocierea unei oglinzi sferice cu reflectoare optice plate pentru redirecționarea precisă a fasciculului or filtre optice din sticlă pentru controlul selectiv al lungimii de undă este comună în proiectarea laserului și a sistemelor de imagistică.

Aberația sferică: principala limitare

Oglinzile sferice nu sunt elemente de focalizare perfecte. Razele care lovesc oglinda departe de axa optică (razele marginale) se concentrează într-un punct ușor diferit de razele din apropierea centrului (razele paraxiale). Aceasta este aberația sferică - și este inerentă geometriei sferice. Pentru sistemele cu deschidere mică, cu NA scăzută, este neglijabilă. Pentru aplicații cu deschidere mare sau cu unghi larg, calitatea imaginii degradează considerabil.

Modalitățile practice de a gestiona aberația sferică sunt: ​​(1) folosiți o deschidere mică în raport cu distanța focală (număr f mare), (2) combinați cu un grup de lentile corective sau (3) treceți la o oglindă parabolică în care colimarea strânsă nu este negociabilă. Multe modele de telescoape folosesc un primar parabolic tocmai pentru că aberația sferică devine inacceptabilă la deschideri mari. Cu toate acestea, oglinzile parabolice costă mult mai mult de fabricat și testat decât echivalentele sferice - motiv pentru care oglinzile sferice rămân implicite pentru optica științifică și industrială cu deschidere moderată.

Aplicații în diverse industrii

Oglinzile sferice se găsesc într-o gamă mai largă de sisteme decât își dau seama inițial majoritatea inginerilor:

• Optica laser — utilizate ca elemente de expansiune sau pliere a fasciculului în interiorul cavităților laser și pentru focalizarea ieșirii laser în sistemele de tăiere, gravare și prelucrare a materialelor.
• Astronomie și telescoape — reflectoarele newtoniene folosesc o oglindă primară concavă sferică sau parabolică; desenele sferice funcționează bine la rapoarte focale peste f/8.
• Microscopie și imagistică — oglinzile concave servesc ca elemente condensatoare în anumite microscoape UV și IR, unde lentilele de refracție introduc aberații cromatice.
• Optică auto și de consum — oglinzile convexe oferă vederi cu unghi larg în sistemele de asistență pentru șofer. Oglinzile cu curbă personalizată apar și în afișajele head-up (HUD) pentru a proiecta datele instrumentului pe parbriz.
• Securitate și supraveghere — oglinzile sferice convexe mari din mediile de vânzare cu amănuntul și de trafic acoperă punctele moarte pe care oglinzile plate nu le pot aborda.

Proiectanții de sistem care lucrează cu mai multe tipuri de elemente optice folosesc adesea oglinzi sferice alături lentile optice de precizie pentru focalizare si colimare and prisme optice pentru deviația fasciculului și rotația imaginii .

Manipulare și întreținere

Straturile reflectorizante - în special argintiu și aluminiu - sunt moi și se zgârie ușor. Utilizați numai azot uscat sau aer curat, fără ulei pentru a îndepărta particulele libere. Dacă curățarea umedă este inevitabil, utilizați metanol sau izopropanol de calitate optică pe un tampon fără scame, cu o singură mișcare. Nu trageți niciodată un tampon uscat pe suprafață. Depozitați oglinzile în recipiente sigilate, căptușite, departe de umiditate și gaze corozive, care degradează rapid straturile de aluminiu neprotejate. Acoperirile protejate adaugă un strat dielectric dur care îmbunătățește semnificativ rezistența chimică și mecanică fără a reduce semnificativ reflectivitatea.

Considerații privind aprovizionarea

Oglinzile sferice personalizate - diametre non-standard, raza de curbură neobișnuită sau cerințe specifice de acoperire - sunt fabricate la comandă de către furnizorii de optică de precizie. Timpul de livrare variază de obicei între două și șase săptămâni, în funcție de complexitate. Când specificați o piesă personalizată, furnizați: diametrul, raza de curbură (sau distanța focală), toleranța la suprafață, tipul de acoperire și intervalul de lungimi de undă și materialul substratului. Specificațiile clare previn cele mai frecvente întârzieri de aprovizionare. Pentru serii de producție în volum, confirmați că producătorul poate păstra toleranțe consistente între loturi și poate furniza rapoarte de testare interferometrică cu fiecare livrare.

Pentru o imagine de ansamblu completă a componentelor optice de precizie compatibile - de la oglinzi sferice la wafer-uri și prisme - consultați gamă completă de produse optice de precizie .