Optikai gömbtükör: típusok, műszaki adatok és alkalmazási útmutató

Ha nem a megfelelő tükörgeometriát választja, az egész optikai rendszere fizet – az elromlott fókusz, szórt fény vagy mérési hibák, amelyek egy figyelmen kívül hagyott alkatrészre vezethetők vissza. Az optikai gömbtükrök a precíziós optika legsokoldalúbb fényvisszaverő elemei közé tartoznak, de hatékony használatukhoz meg kell érteni erősségeiket és ismert kvagylátaikat.

Mi az optikai gömbtükör?

A gömb alakú tükörnek van egy fényvisszaverő felülete, amely egy gömb részét képezi. Attól függően, hogy melyik oldal tükröződik, vagy a homorú tükör (belső felület) vagy a domború tükör (külső felület). Ez a két típus alapvetően eltérően viselkedik a világítással, és más-más alkalmazásokhoz illeszkedik.

A legfontosabb optikai paraméter a görbületi sugár (R). A gyújtótávolság (f) egyszerűen vonatkozik rá: f = R/2 . A 200 mm-es görbületi sugarú tükör gyújtótávolsága 100 mm. Ez a kapcsolat szabályozza, hogy a tükör hogyan alkot képeket, és hogyan kezeli a sugár fókuszálását vagy divergenciáját.

Konkáv vs. konvex: A megfelelő típus kiválasztása

A homorú tükrök konvergálják a fényt. A felületet érő párhuzamos sugarak a fókuszponton keresztül verődnek vissza – így a homorú tükrök a megfelelő választás a sugárfókuszáláshoz, a napkollektorhoz és a teleszkóp elsődleges tükréhez. Valós nagyított képeket is készíthetnek, ezért jelennek meg sminktükrökben, fogászati ​​tükrökben és tudományos képalkotó eszközökben.

A domború tükrök eltérítik a fényt, és mindig függőleges, kicsinyített virtuális képeket készítenek, függetlenül az objektum helyzetétől. Széles látómezőjük a járművek oldalsó tükrei, az üzletek biztonsági tükrei és az útkereszteződések biztonsági tükrei szabványává teszi őket. Feláldozza a mélységpontosságot a panoráma lefedettség érdekében.

Az értékelendő főbb specifikációk

Amikor optikai gömbtükröt vásárolunk egy precíziós rendszerhez, négy specifikáció határozza meg, hogy teljesíti-e:

• Felületi alak pontossága — a hullámhossz törtrészében (λ) mérve. A kutatási minőségű tükrök általában λ/8-at vagy jobbat igényelnek. Kevésbé igényes alkalmazásoknál a λ/4 elfogadható. A szigorúbb tűrések költségesebb csiszolást és polírozást jelentenek.
• Felületi érdesség (RMS) — befolyásolja a szóródást. A nagy teljesítményű lézeres alkalmazásokhoz gyakran 1 nm RMS alatti érdességre van szükség a sugárminőséget rontó szóródási veszteségek elkerülése érdekében.
• Fényvisszaverő bevonat — a bevonat határozza meg a használható hullámhossz-tartományt és a csúcsreflexiós képességet. A védett alumínium 85–90%-os visszaverőképességgel fedi le az UV-sugárzást közel IR-ig (~250–700 nm). A védett arany középső infravörös alkalmazásokhoz (>700 nm) alkalmas, több mint 97%-os visszaverődés mellett. A továbbfejlesztett ezüst bevonat a látható tartományban 98% fölé emeli a visszaverődést, de gondos kezelést igényel.
• Aljzat anyaga — A boroszilikát üveg a szabvány, amely az alacsony költséget a jó hőstabilitás mellett ötvözi. Az olvasztott szilícium-dioxid előnyös UV-alkalmazásokhoz vagy hőciklusos környezetekhez.

A sugárkormányzást és -szűrést is igénylő rendszereknél a gömbtükör párosítása a lapos optikai reflektorok a sugár pontos átirányításához or optikai üvegszűrők a hullámhossz-szelektív szabályozáshoz gyakori a lézeres és képalkotó rendszerek tervezésében.

Szférikus aberráció: A fő korlát

A gömb alakú tükrök nem tökéletes fókuszáló elemek. A tükörbe az optikai tengelytől távol eső sugarak (marginális sugarak) kissé eltérő pontra fókuszálnak, mint a középponthoz közeli sugarak (paraxiális sugarak). Ez gömbi aberráció – és a gömbgeometria velejárója. Kis rekesznyílású, alacsony NA-s rendszereknél ez elhanyagolható. Nagy rekesznyílású vagy nagy látószögű alkalmazásoknál észrevehetően rontja a képminőséget.

A szférikus aberráció kezelésének gyakorlati módjai a következők: (1) a gyújtótávolsághoz képest kis rekesznyílást használjon (nagy f-szám), (2) kombinálja a korrekciós lencsecsoporttal, vagy (3) váltson parabolikus tükörre, ahol a szoros kollimáció nem megtárgyalható. Sok teleszkóp-konstrukció éppen azért használ parabolikus primert, mert a gömbi aberráció elfogadhatatlanná válik nagy rekesznyílásoknál. A parabolatükrök előállítása és tesztelése azonban lényegesen többe kerül, mint a gömb alakú egyenértékűek – ezért a gömb alakú tükrök továbbra is a mérsékelt rekesznyílású tudományos és ipari optikák alapértelmezései.

Alkalmazások az iparágakban

A gömb alakú tükrök a rendszerek szélesebb körében találhatók, mint azt a legtöbb mérnök először gondolná:

• Lézer optika — lézerüregekben sugártágító vagy hajtogató elemként, valamint lézerkimenet fókuszálására használják vágó-, gravírozási és anyagfeldolgozó rendszerekben.
• Csillagászat és teleszkópok — A newtoni reflektorok homorú gömb- vagy parabolikus primer tükröt használnak; a gömb alakú kialakítások jól működnek f/8 feletti gyújtóarány mellett.
• Mikroszkópia és képalkotás — A homorú tükrök kondenzátorként szolgálnak bizonyos UV- és IR-mikroszkópokban, ahol a fénytörő lencsék kromatikus aberrációt okoznak.
• Autóipari és fogyasztói optika — a domború tükrök széles látószögű kilátást biztosítanak a vezetőt segítő rendszerekben. Az egyedi görbe tükrök a head-up kijelzőkön (HUD) is megjelennek, hogy a műszeradatokat a szélvédőkre vetítsék.
• Biztonság és megfigyelés — A nagy domború gömbtükrök kiskereskedelmi és közlekedési környezetben takarják el azokat a holtfoltokat, amelyeket a lapos tükrök nem képesek kezelni.

A többféle optikai elemmel dolgozó rendszertervezők gyakran használnak gömbtükröket is precíziós optikai lencsék fókuszáláshoz és kollimációhoz és optikai prizmák a nyaláb eltéréséhez és a kép elforgatásához .

Kezelés és karbantartás

A fényvisszaverő bevonatok – különösen az ezüst és az alumínium – puhák és könnyen karcolódnak. Csak száraz nitrogént vagy tiszta, olajmentes levegőt használjon a laza részecskék eltávolításához. Ha a nedves tisztítás elkerülhetetlen, használjon optikai minőségű metanolt vagy izopropanolt egy szöszmentes pálcikára egyetlen mozdulattal. Soha ne húzzon száraz pálcikát a felületen. Tárolja a tükröket lezárt, párnázott tartályokban, távol a nedvességtől és a korrozív gázoktól, amelyek gyorsan lebontják a védtelen alumínium bevonatot. A védett bevonatok kemény dielektromos fedőréteget adnak, amely jelentősen javítja a kémiai és mechanikai ellenállást anélkül, hogy jelentősen csökkentené a visszaverődést.

Beszerzési szempontok

Egyedi gömbtükröket – nem szabványos átmérők, szokatlan görbületi sugár vagy speciális bevonati követelmények – a precíziós optika beszállítói megrendelésre gyártják. Az átfutási idő a bonyolultságtól függően általában 2-6 hétig terjed. Egyedi alkatrész megadásakor adja meg az átmérőt, a görbületi sugarat (vagy gyújtótávolságot), a felületi alak tűréshatárát, a bevonat típusát és hullámhossz-tartományát, valamint a hordozóanyagot. Az egyértelmű specifikációk megakadályozzák a leggyakoribb beszerzési késéseket. A mennyiségi gyártásnál győződjön meg arról, hogy a gyártó konzisztens tűréseket tud tartani a tételek között, és interferometrikus vizsgálati jelentéseket biztosít minden szállítmányhoz.

A kompatibilis precíziós optikai alkatrészek teljes áttekintéséért – a gömbtükröktől az ostyákig és prizmákig – lásd a teljes precíziós optikai alkatrészek termékskála .