Optické sférické zrcadlo: typy, specifikace a aplikační příručka

Vyberte špatnou geometrii zrcadla a zaplatí celý váš optický systém – zhnebošené ostření, rozptýlené světlo nebo chyby měření, které vedou k jedné přehlížené součásti. Optická sférická zrcadla patří mezi nejuniverzálnější reflexní prvky v přesné optice, ale jejich efektivní použití vyžaduje pochopení jak jejich silných stránek, tak jejich známých omezení.

Co je to optické sférické zrcadlo?

Kulové zrcadlo má reflexní povrch, který tvoří část koule. V závislosti na tom, která strana odráží, je klasifikována buď jako a konkávní zrcadlo (vnitřní povrch) nebo a konvexní zrcadlo (vnější povrch). Tyto dva typy se se světlem chovají zásadně odlišně a vyhovují různým aplikacím.

Klíčovým optickým parametrem je poloměr zakřivení (R). Ohnisková vzdálenost (f) se k tomu vztahuje jednoduše: f = R/2 . Zrcadlo s poloměrem zakřivení 200 mm má ohniskovou vzdálenost 100 mm. Tento vztah určuje, jak zrcadlo vytváří obrazy a jak zachází se zaostřováním nebo divergenci paprsku.

Konkávní vs. konvexní: Výběr správného typu

Konkávní zrcadla sbíhají světlo. Paralelní paprsky dopadající na povrch se všechny odrážejí přes ohnisko – díky čemuž jsou konkávní zrcadla správnou volbou pro zaostřování paprsku, solární sběr a primární zrcadla dalekohledu. Mohou také vytvářet zvětšené skutečné obrazy, což je důvod, proč se objevují v kosmetických zrcátkách, zubních zrcadlech a vědeckých zobrazovacích přístrojích.

Konvexní zrcadla rozptylují světlo a vždy vytvářejí vzpřímené, zmenšené virtuální obrazy bez ohledu na polohu objektu. Jejich široké zorné pole z nich dělá staard pro boční zrcátka vozidla, bezpečnostní zrcátka v obchodech a bezpečnostní zrcátka na křižovatkách. Obětujete přesnost hloubky pro panoramatické pokrytí.

Klíčové specifikace k vyhodnocení

Při získávání optického sférického zrcadla pro přesný systém určují čtyři specifikace, zda bude fungovat:

• Přesnost tvaru povrchu — měřeno ve zlomcích vlnové délky (λ). Výzkumná zrcadla obvykle vyžadují λ/8 nebo lepší. Pro méně náročné aplikace je přijatelný λ/4. Přísnější tolerance znamenají dražší broušení a leštění.
• Drsnost povrchu (RMS) — ovlivňuje rozptyl. Vysoce výkonné laserové aplikace často vyžadují drsnost pod 1 nm RMS, aby se zabránilo ztrátám rozptylem, které zhoršují kvalitu paprsku.
• Reflexní vrstva — povlak určuje použitelný rozsah vlnových délek a maximální odrazivost. Chráněný hliník pokrývá UV až blízko IR (~250–700 nm) při odrazivosti přibližně 85–90 %. Chráněné zlato vyhovuje středně IR aplikacím (>700 nm) při odrazivosti >97 %. Vylepšené stříbrné povlaky posouvají odrazivost nad 98 % ve viditelné oblasti, ale vyžadují opatrné zacházení.
• Materiál podkladu — Borosilikátové sklo je standard, kombinuje nízkou cenu s dobrou tepelnou stabilitou. Tavený oxid křemičitý je preferován pro UV aplikace nebo prostředí s tepelným cyklováním.

U systémů, které také vyžadují řízení a filtrování paprsku, spárování sférického zrcátka ploché optické reflektory pro přesné přesměrování paprsku or optické skleněné filtry pro selektivní kontrolu vlnové délky je běžná v designu laserových a zobrazovacích systémů.

Sférická aberace: hlavní omezení

Sférická zrcadla nejsou dokonalé zaostřovací prvky. Paprsky dopadající na zrcadlo daleko od optické osy (okrajové paprsky) se zaměřují na mírně odlišný bod než paprsky blízko středu (paraxiální paprsky). Toto je sférická aberace – a je vlastní sférické geometrii. U systémů s malou aperturou a nízkou NA je zanedbatelná. U aplikací s velkou clonou nebo širokoúhlých aplikací znatelně snižuje kvalitu obrazu.

Praktické způsoby, jak zvládnout sférickou aberaci, jsou: (1) použití malé clony vzhledem k ohniskové vzdálenosti (vysoké clonové číslo), (2) kombinace se skupinou korekčních čoček nebo (3) přechod na parabolické zrcadlo, kde je těsná kolimace nesmlouvavá. Mnoho konstrukcí dalekohledů používá parabolický primár právě proto, že sférická aberace se při velkých otvorech stává nepřijatelnou. Parabolická zrcadla však stojí podstatně více na výrobu a testování než sférické ekvivalenty – proto sférická zrcadla zůstávají výchozím nastavením pro vědeckou a průmyslovou optiku se střední aperturou.

Aplikace napříč odvětvími

Sférická zrcadla se nacházejí v širší řadě systémů, než si většina inženýrů zpočátku uvědomuje:

• Laserová optika — používané jako prvky pro rozpínání nebo skládání paprsku uvnitř laserových dutin a pro zaostřování laserového výstupu v systémech řezání, gravírování a zpracování materiálů.
• Astronomie a dalekohledy — Newtonovy reflektory používají konkávní kulové nebo parabolické primární zrcadlo; sférické konstrukce fungují dobře při ohniskových vzdálenostech nad f/8.
• Mikroskopie a zobrazování — konkávní zrcadla slouží jako kondenzátorové prvky v určitých UV a IR mikroskopech, kde refrakční čočky způsobují chromatickou aberaci.
• Automobilová a spotřební optika — vypouklá zrcátka poskytují širokoúhlý výhled v asistenčních systémech řidiče. Na průhledových displejích (HUD) se také objevují zrcátka s vlastní křivkou, která promítají data přístrojů na čelní skla.
• Bezpečnost a dohled — velká konvexní sférická zrcadla v maloobchodních a dopravních prostředích zakrývají slepá místa, která plochá zrcátka nemohou řešit.

Návrháři systémů pracující s více typy optických prvků často používají vedle sebe sférická zrcadla přesné optické čočky pro zaostřování a kolimaci and optické hranoly pro odchylku paprsku a rotaci obrazu .

Manipulace a údržba

Reflexní vrstvy – zejména stříbrné a hliníkové – jsou měkké a snadno se poškrábou. K odstranění uvolněných částic používejte pouze suchý dusík nebo čistý vzduch bez oleje. Pokud je mokré čištění nevyhnutelné, použijte methanol nebo isopropanol optické kvality na tampon, který nepouští vlákna, jediným tahem. Nikdy netahejte suchým tamponem po povrchu. Zrcadla skladujte v uzavřených polstrovaných nádobách mimo vlhkost a korozivní plyny, které rychle degradují nechráněné hliníkové povlaky. Chráněné povlaky přidávají tvrdý dielektrický vrchní povlak, který výrazně zlepšuje chemickou a mechanickou odolnost, aniž by významně snižoval odrazivost.

Úvahy o získávání zdrojů

Zakázková sférická zrcadla – nestandardní průměry, neobvyklý poloměr zakřivení nebo specifické požadavky na povrchovou úpravu – jsou vyráběna na zakázku dodavatelů přesné optiky. Dodací lhůty se obvykle pohybují od dvou do šesti týdnů v závislosti na složitosti. Při určování uživatelského dílu uveďte: průměr, poloměr zakřivení (nebo ohniskovou vzdálenost), toleranci tvaru povrchu, typ povlaku a rozsah vlnových délek a materiál substrátu. Jasné specifikace zabraňují nejčastějším zpožděním při získávání zdrojů. U hromadných výrobních sérií ověřte, že výrobce může dodržet konzistentní tolerance napříč šaržemi a poskytněte zprávy o interferometrických testech s každou dodávkou.

Úplný přehled kompatibilních přesných optických komponent – od sférických zrcadel po destičky a hranoly – viz kompletní produktová řada přesných optických komponent .