Especificações comuns para componentes ópticos

As especificações ópticas são utilizadas no projeto e na produção de um componente ou sistema para permitir que o componente ou sistema atenda com precisão aos requisitos de desempenho específicos. As especificações ópticas são úteis por dois motivos: primeiro, elas podem especificar limites aceitáveis para parâmetros-chave que determinam o desempenho de um sistema; e, em segundo lugar, eles podem determinar a quantidade de recursos (i.e., tempo e custo) que deve ser gasto na produção.

Os parâmetros de um sistema óptico que são subespecificados ou superespecificados podem afetar seu desempenho, resultando em desperdício desnecessário de recursos. A falha em definir todos os parâmetros necessários corretamente pode levar à subespecificação, o que pode degradar o desempenho. Definir os parâmetros do sistema com muita firmeza, sem levar em consideração quaisquer variações nos requisitos ópticos ou mecânicos, pode levar a uma especificação excessiva, o que pode aumentar as dificuldades de custo e produção. Para entender as especificações ópticas, é importante primeiro entender o que elas significam, portanto, conhecer as especificações mais usadas fornecerá a base mais forte para entender as especificações de quase qualquer produto óptico.

Especificações da produção:

1. diâmetro Tolerância

As tolerâncias de diâmetro para óptica circular fornecem uma gama de valores de diâmetro aceitáveis. Esta especificação de produção irá variar dependendo do nível de habilidade e capacidades de certas empresas de processamento óptico que fazem a óptica. Embora a tolerância de diâmetro não tenha nenhum efeito no desempenho óptico da própria óptica, é uma tolerância mecânica muito importante que você deve considerar se estiver montando a ótica em qualquer tipo de acessório. Por exemplo, se o diâmetro de uma lente se desviar de seu valor nominal, existe o risco de que o eixo mecânico no conjunto montado se desvie do eixo óptico, resultando em uma excentricidade de luz. Normalmente, as tolerâncias de produção para diâmetro são: + 0,00/-0,10mm para qualidade geral, + 0,00/-0,050mm para qualidade de precisão e + 0,000/-0,010mm para alta qualidade.

2. tolerância de espessura central A espessura central de um elemento óptico (mais tipicamente uma lente) mede a espessura do material na porção central do elemento óptico. A espessura do centro é medida pelo eixo mecânico da lente, que é definido como o eixo entre as bordas externas da lente. As variações na espessura central de uma lente afetam o desempenho óptico porque a espessura central e seu raio de curvatura determinam o comprimento do caminho óptico da luz através da lente. Normalmente, as tolerâncias de produção para a espessura do centro são: +/-0,20mm para qualidade média, +/-0,050mm para qualidade de precisão e +/-0,010mm para alta qualidade.

2. Raio de curvatura

O raio de curvatura é a distância entre o vértice do elemento óptico e o centro de curvatura. O raio pode ser positivo, zero ou negativo, dependendo se a superfície é convexa, plana ou côncava. Se o valor do raio de curvatura é conhecido, o comprimento do caminho óptico de um raio de luz através de uma lente ou espelho pode ser determinado e também desempenha um papel importante na determinação da potência da superfície. A tolerância de produção para o raio de curvatura é normalmente/-0,5, mas pode ser tão baixa quanto/-0,1% para aplicações precisas ou/-0,01% onde qualidade muito alta é necessária. h3> O centro de uma lente central, também conhecido como centrípeta ou fora do centro, é especificado com base no desvio do feixe δ (Equação 1). Uma vez que o desvio do feixe é dado, o ângulo de cunha W pode ser calculado por uma relação simples (Equação 2). A quantidade centrífuga da lente é a distância pela qual o eixo mecânico é fisicamente desviado do eixo óptico. O eixo mecânico de uma lente é simplesmente o eixo geométrico da lente, definido por sua superfície cilíndrica externa. O eixo óptico de uma lente é definido pelas superfícies ópticas, que são linhas que conectam os centros de curvatura de cada superfície. Para realizar um teste centrípeta, coloque a lente em uma xícara de chá e aplique pressão nela. A pressão aplicada à lente convergirá automaticamente para o centro de curvatura da primeira superfície no centro da xícara de chá, e este centro também se alinhará com o eixo de rotação. A luz paralela que entra ao longo desse eixo de rotação passará pela lente e alcançará o ponto focal no plano focal posterior. À medida que a lente gira com a rotação da xícara de chá, qualquer excentricidade na lente dispersa o feixe focalizado e cria uma trajetória circular de raio Δ no plano focal posterior.

Especificações de superfície

1. qualidade de superfície

O quA alidade de uma superfície ótica é usada para medir as características de superfície de um produto óptico e cobre uma série de imperfeições, como arranhões e poços. A maioria dessas imperfeições de superfície são puramente cosméticas e não afetam muito o desempenho do sistema, embora possam causar uma pequena queda no rendimento do sistema e uma dispersão mais precisa da luz espalhada. No entanto, algumas superfícies serão mais sensíveis a esses efeitos, como (1) superfícies com planos de imagem, pois essas imperfeições podem criar foco e (2) superfícies com altos níveis de potência, como essas imperfeições podem aumentar a absorção de energia e arruinar o produto óptico. A especificação mais comumente usada para qualidade de superfície é a especificação de arranhões e pitting ilustrada por MIL-PRF-13830B. Os nomes dos arranhões são determinados comparando arranhões em uma superfície a uma série de arranhões padrão fornecidos sob condições de iluminação controladas. Assim, em vez de descrever os arranhões reais, o nome do arranhão os compara a arranhões padrão com base nas especificações MIL. Os nomes dos poços, no entanto, se relacionam diretamente com pontos ou pequenos poços em uma superfície. Os nomes dos poços são calculados dividindo o diâmetro dos poços em mícrons por 10. Normalmente, uma especificação de poço de risco entre 80 e 50 seria considerada qualidade padrão, entre 60 e 40 seria uma qualidade precisa e entre 20 e 10 seria considerada qualidade de alta precisão.

2. nivelamento de superfície

P> O nivelamento de superfície é um tipo de especificação para medir a precisão da superfície, que é usada para medir o desvio de superfícies planas, como espelhos, peças de janela, prismas ou espelhos planos. Você pode medir esse desvio usando um cristal plano óptico, que é um plano de referência de alta qualidade e alta precisão para comparar a suavidade dos espécimes. Quando a superfície plana do produto óptico em teste é colocada contra o cristal óptico plano, aparecem estrias, Cuja forma indica a suavidade da superfície do produto óptico em teste. Se as estrias forem igualmente espaçadas e forem linhas retas paralelas, a superfície óptica testada é pelo menos tão plana quanto o cristal óptico plano de referência. Se as listras são curvas, o número de listras entre duas linhas tracejadas (Uma linha tracejada tangente ao ponto médio da faixa e a outra linha tracejada passando pelo ponto final da mesma faixa) aponta para um erro de suavidade. Os desvios na suavidade são geralmente medidos em termos de valores de ondulação (λ), que são compostos de vários comprimentos de onda da fonte de teste. Uma faixa corresponde a ½ de um comprimento de onda. Uma suavidade de 1λ indica um nível de qualidade geral; uma suavidade de λ/4 indica um nível de qualidade preciso; e uma suavidade de λ/20 indica um nível de qualidade de alta precisão.

3. número de abertura

O número de abertura é um tipo de especificação para medir a precisão da superfície, que é aplicável a superfícies ópticas curvas ou superfícies com potência. O teste de número de abertura é semelhante a um teste de planura em que a superfície é comparada a uma superfície de referência com um raio de curvatura colegial. Usando o mesmo princípio de interferência gerado pela lacuna entre as duas superfícies, um padrão de interferência listrado é usado para indicar o desvio da superfície de teste da superfície de referência. O desvio da referência produzirá uma série de anéis chamados anéis de Newton. Quanto mais anéis presentes, maior o desvio. O número de anéis escuros ou brilhantes, em vez do número total de anéis escuros e brilhantes, é igual ao dobro do erro de comprimento de onda.

4. Irregularidade

Irregularidade é um tipo de especificação que mede a precisão de uma superfície e descreve o desvio da forma da superfície de uma forma de superfície de referência. A irregularidade é medida da mesma forma que o número de abertura. Irregularidade é a faixa circular esférica formada pela comparação da superfície de teste com uma superfície de referência. Quando a superfície tem um número de abertura de mais de 5 listras, será difícil detectar pequenas formas irregulares menores que 1 faixa. Portanto, é prática comum especificar a razão entre o número de aberturas e a irregularidade da superfície, de modo que seja aproximadamente 5:1. O acabamento superficial, também conhecido como rugosidade da superfície, é usado para medir algumas das pequenas irregularidades de uma superfície. Eles são geralmente o resultado de processos de polimento pobres. As superfícies ásperas tendem a ser mais resistentes à abrasão do que as superfícies lisas e podem não ser adequadas para algumas aplicações, especialmente em aplicações que usam lasers ou em ambientes superaquecidos, devido à possibilidade de pequenas quebras ou imperfeições no local de nucleação. Uma tolerância de produção de 50 Å RMS para acabamento de superfície indica qualidade média, em 20 Å RMS indica qualidade precisa e em 5 Å RMS indica alta qualidade.

Especificações do material

1. Índice de refração

O índice de refração de um meio é a razão entre a velocidade da luzEm um vácuo para a velocidade da luz no meio. O índice de refração do vidro geralmente varia de 1,4 a 4,0, e a faixa de índice de refração do vidro de visão é um pouco menor do que a do vidro otimizado para luz infravermelha. Por exemplo, N-BK7 (um vidro visível de uso geral) tem um índice de refração de 1,517, no entanto germânio (um vidro infravermelho de uso geral) Tem um índice de refração de 4.003. O índice de refração do vidro óptico é uma propriedade importante porque a potência de uma superfície óptica é derivada da diferença entre o raio de Curvatura da superfície e o índice de refração do meio em cada lado da superfície. O fabricante do vidro especifica a falta de homogeneidade como a variação no índice de refração do vidro. A homogeneidade é especificada de acordo com diferentes graus, onde o grau e a falta de homogeneidade estão inversamente relacionados entre si, com a falta de homogeneidade diminuindo à medida que o grau aumenta.

2. coeficiente de dispersão

Outra propriedade material do vidro é o coeficiente de dispersão, que é usado para quantificar a quantidade de dispersão apresentada pelo vidro. É o índice de refração do material nos comprimentos de onda f (486,1nm), d (587,6nm) e c (656,3nm) (Equação 3). (4) A faixa de valores de coeficiente de dispersão para vd = nd-1nf-ncvd = nd-1nf-nc é geralmente entre 25 e 65. Quando o coeficiente de dispersão de um vidro é maior que 55 (menos dispersão), o vidro é considerado um vidro corona, enquanto aqueles com coeficientes de dispersão menores que 50 (mais dispersão) São considerados vidro de sílex. Devido à dispersão, o índice de refração de um vidro irá variar dependendo do comprimento de onda. O resultado mais significativo da dispersão é que a distância focal do sistema será ligeiramente diferente para diferentes comprimentos de onda de luz. H3> Limite de danos ao laser O limiar de danos ao laser é a quantidade máxima de potência do laser que pode ser tolerada pela superfície de cada área antes do dano ao laser. Ambos os lasers pulsados e lasers de onda contínua (CW) têm limiares de danos ao laser correspondentes. Limiares de danos a laser são uma especificação de material muito importante para espelhos devido ao fato de que eles são usados em conjunto com produtos a laser em vez de qualquer outra óptica, no entanto, qualquer óptica de grau laser fornecerá limites. Por exemplo, considere um refletor de laser Ti: Sapphire com um limite de classificação de dano de 0,5 J/cm2 @ 150 pulsos de femtossegundo e 100kW/cm2 CW. Isso indicaria que o refletor pode tolerar um laser pulsado de femtossegundo de alta repetição com uma densidade de energia de 0,5J por centímetro quadrado, ou um laser CW de alta potência com uma densidade de energia de 100kW por centímetro quadrado. Se o feixe de laser estiver concentrado em uma área menor, devem ser consideradas medidas para garantir que o limite geral não seja excedido pelo valor especificado.

Embora haja uma variedade de outras especificações de produção, superfície e material, a confusão pode ser evitada significativamente se as especificações ópticas mais comumente usadas forem compreendidas. Lentes, espelhos, janelas, filtros, polarizadores, prismas, divisores de luz, grades e fibras ópticas têm uma variedade de atributos, assim, entender como eles se relacionam entre si e como eles afetarão o desempenho geral do sistema ajudará você a selecionar os melhores componentes para integrar em seus aplicativos ópticos, de imagem ou optoeletrônicos.