Оптическое сферическое зеркало: виды, характеристики и руководство по применению

Выберите неправильную геометрию зеркала, и вся ваша оптическая система окупится — ухудшение фокуса, рассеянный свет или ошибки измерений, которые связаны с одним пропущенным компонентом. Оптические сферические зеркала являются одними из наиболее универсальных отражающих элементов в прецизионной оптике, но их эффективное использование требует понимания как их сильных сторон, так и известных ограничений.

Что такое оптическое сферическое зеркало?

Сферическое зеркало имеет отражающую поверхность, которая является частью сферы. В зависимости от того, какая сторона отражает, его классифицируют как вогнутое зеркало (внутренняя поверхность) или выпуклое зеркало (внешняя поверхность). Эти два типа принципиально по-разному ведут себя со светом и подходят для разных применений.

Ключевым оптическим параметром является радиус кривизны (R). Фокусное расстояние (f) относится к нему просто: е = Р/2 . Зеркало с радиусом кривизны 200 мм имеет фокусное расстояние 100 мм. Это соотношение определяет, как зеркало формирует изображения и как оно управляет фокусировкой или расхождением луча.

Вогнутая или выпуклая: выбор правильного типа

Вогнутые зеркала собирают свет. Все параллельные лучи, падающие на поверхность, отражаются через фокальную точку, что делает вогнутые зеркала правильным выбором для фокусировки луча, сбора солнечной энергии и главных зеркал телескопов. Они также могут создавать увеличенные реальные изображения, поэтому их можно увидеть в зеркалах для макияжа, стоматологических зеркалах и инструментах для создания научных изображений.

Выпуклые зеркала рассеивают свет и всегда создают вертикальные уменьшенные виртуальные изображения независимо от положения объекта. Благодаря широкому полю обзора они являются стандартом для боковых зеркал транспортных средств, зеркал безопасности магазинов и зеркал безопасности пересечения дорог. Вы жертвуете точностью глубины ради панорамного покрытия.

Ключевые характеристики для оценки

При выборе оптического сферического зеркала для прецизионной системы его работоспособность определяется четырьмя спецификациями:

• Точность фигуры поверхности — измеряется в долях длины волны (λ). Зеркала исследовательского класса обычно требуют λ/8 или выше. Для менее требовательных приложений приемлемо значение λ/4. Более жесткие допуски означают более дорогостоящую шлифовку и полировку.
• Шероховатость поверхности (RMS) — влияет на разброс. Приложения с мощными лазерами часто требуют среднеквадратичной шероховатости ниже 1 нм, чтобы избежать потерь на рассеяние, которые ухудшают качество луча.
• Светоотражающее покрытие — покрытие определяет полезный диапазон длин волн и пиковую отражательную способность. Защищенный алюминий охватывает диапазон от УФ до ближнего ИК (~ 250–700 нм) с коэффициентом отражения около 85–90%. Защищенное золото подходит для применений в среднем ИК-диапазоне (>700 нм) с коэффициентом отражения>97%. Улучшенное серебряное покрытие повышает отражательную способность выше 98% в видимом диапазоне, но требует осторожного обращения.
• Материал подложки — Боросиликатное стекло является стандартом, сочетающим в себе низкую стоимость и хорошую термическую стабильность. Плавленый кварц предпочтителен для применения в УФ-излучении или в средах с термоциклированием.

Для систем, которые также требуют управления и фильтрации луча, сочетание сферического зеркала с плоские оптические отражатели для точного перенаправления луча или оптические стеклянные фильтры для избирательного контроля длины волны часто встречается при проектировании лазеров и систем визуализации.

Сферическая аберрация: главное ограничение

Сферические зеркала не являются идеальными фокусирующими элементами. Лучи, падающие на зеркало далеко от оптической оси (краевые лучи), фокусируются в несколько иной точке, чем лучи вблизи центра (параксиальные лучи). Это сферическая аберрация — и она присуща сферической геометрии. Для систем с малой апертурой и малой числовой апертурой она незначительна. Для приложений с большой апертурой или широкоугольным объективом это заметно ухудшает качество изображения.

Практические способы управления сферической аберрацией: (1) использовать меньшую диафрагму по сравнению с фокусным расстоянием (большое число f), (2) комбинировать с группой корректирующих линз или (3) переключиться на параболическое зеркало, где точная коллимация не подлежит обсуждению. Во многих конструкциях телескопов используется параболическая первичная система именно потому, что сферическая аберрация становится неприемлемой при больших апертурах. Однако производство и испытания параболических зеркал обходятся значительно дороже, чем сферические эквиваленты, поэтому сферические зеркала остаются стандартом для научной и промышленной оптики средней апертуры.

Приложения в разных отраслях

Сферические зеркала встречаются в более широком спектре систем, чем первоначально предполагало большинство инженеров:

• Лазерная оптика — используются в качестве расширяющих или складывающих элементов внутри лазерных резонаторов, а также для фокусировки лазерного излучения в системах резки, гравировки и обработки материалов.
• Астрономия и телескопы — В ньютоновских отражателях используется вогнутое сферическое или параболическое главное зеркало; сферические конструкции хорошо работают при фокусном расстоянии выше f/8.
• Микроскопия и визуализация — вогнутые зеркала служат конденсорными элементами в некоторых УФ- и ИК-микроскопах, в которых преломляющие линзы вносят хроматическую аберрацию.
• Автомобильная и потребительская оптика — Выпуклые зеркала обеспечивают широкий угол обзора в системах помощи водителю. Зеркала с индивидуальной кривизной также появляются на проекционных дисплеях (HUD) для проецирования данных приборов на лобовые стекла.
• Безопасность и наблюдение — большие выпуклые сферические зеркала в розничной торговле и на транспорте закрывают слепые зоны, которые не могут устранить плоские зеркала.

Разработчики систем, работающие с несколькими типами оптических элементов, часто используют наряду с ними сферические зеркала. прецизионные оптические линзы для фокусировки и коллимации и оптические призмы для отклонения луча и вращения изображения .

Обращение и обслуживание

Светоотражающие покрытия, особенно серебро и алюминий, мягкие и легко царапаются. Для удаления отслоившихся частиц используйте только сухой азот или чистый, не содержащий масла воздух. Если влажная очистка неизбежна, используйте метанол или изопропанол оптического качества на безворсовом тампоне одним движением. Никогда не проводите сухим тампоном по поверхности. Храните зеркала в герметичных, мягких контейнерах вдали от влаги и агрессивных газов, которые быстро разрушают незащищенные алюминиевые покрытия. Защищенные покрытия добавляют твердое диэлектрическое покрытие, которое значительно улучшает химическую и механическую стойкость без существенного снижения отражательной способности.

Соображения по выбору источников

Сферические зеркала нестандартного диаметра, необычного радиуса кривизны или особых требований к покрытию изготавливаются на заказ поставщиками прецизионной оптики. Срок выполнения обычно составляет от двух до шести недель в зависимости от сложности. При указании пользовательской детали укажите: диаметр, радиус кривизны (или фокусное расстояние), допуск на фигуру поверхности, тип покрытия и диапазон длин волн, а также материал подложки. Четкие спецификации предотвращают наиболее распространенные задержки при выборе поставщиков. При серийном производстве убедитесь, что производитель может поддерживать одинаковые допуски для всех партий, и предоставьте отчеты об интерферометрических испытаниях для каждой партии.

Полный обзор совместимых прецизионных оптических компонентов — от сферических зеркал до пластин и призм — см. Полный ассортимент прецизионных оптических компонентов .