Cermin Sfera Optik: Jenis, Spesifikasi dan Panduan Aplikasi

Pilih geometri cermin yang salah dan keseluruhan sistem optik dana membayar — fokus terdegradasi, cahaya sesat atau ralat pengukuran yang mengesan kembali kepada satu komponen yang diabaikan. Cermin sfera optik adalah antara elemen reflektif yang paling serba boleh dalam optik ketepatan, tetapi menggunakannya dengan berkesan memerlukan pemahaman kedua-dua kekuatan dan batasannya yang diketahui.

Apakah Cermin Sfera Optik?

Cermin sfera mempunyai permukaan reflektif yang membentuk sebahagian daripada sfera. Bergantung pada bahagian mana yang mencerminkan, ia diklasifikasikan sebagai sama ada a cermin cekung (permukaan dalam) atau a cermin cembung (permukaan luar). Kedua-dua jenis ini berkelakuan secara asasnya berbeza dengan cahaya dan sesuai dengan aplikasi yang berbeza.

Parameter optik utama ialah jejari kelengkungan (R). Panjang fokus (f) berkaitan dengannya secara ringkas: f = R/2 . Cermin dengan jejari kelengkungan 200 mm mempunyai panjang fokus 100 mm. Hubungan ini mengawal cara cermin membentuk imej dan cara ia mengendalikan pemfokusan rasuk atau perbezaan.

Concave vs. Convex: Memilih Jenis yang Betul

Cermin cekung menumpu cahaya. Sinaran selari yang mengenai permukaan semuanya memantul melalui titik fokus — yang menjadikan cermin cekung pilihan yang tepat untuk pemfokusan rasuk, pengumpulan suria dan cermin utama teleskop. Mereka juga boleh menghasilkan imej sebenar yang diperbesarkan, itulah sebabnya ia muncul dalam cermin solek, cermin pergigian dan instrumen pengimejan saintifik.

Cermin cembung mencapah cahaya dan sentiasa menghasilkan imej maya yang tegak dan berkurangan tanpa mengira kedudukan objek. Bidang pandangan mereka yang luas menjadikannya standard untuk cermin sisi kenderaan, cermin keselamatan statau dan cermin keselamatan persimpangan jalan. Anda mengorbankan ketepatan kedalaman untuk liputan panorama.

Spesifikasi Utama untuk Dinilai

Apabila mendapatkan cermin sfera optik untuk sistem ketepatan, empat spesifikasi menentukan sama ada ia akan berfungsi:

• Ketepatan angka permukaan — diukur dalam pecahan panjang gelombang (λ). Cermin gred penyelidikan biasanya memerlukan λ/8 atau lebih baik. Untuk aplikasi yang kurang menuntut, λ/4 boleh diterima. Toleransi yang lebih ketat bermakna pengisaran dan penggilap yang lebih mahal.
• Kekasaran permukaan (RMS) - menjejaskan serakan. Aplikasi laser berkuasa tinggi selalunya memerlukan kekasaran di bawah 1 nm RMS untuk mengelakkan kehilangan taburan yang merendahkan kualiti pancaran.
• Salutan reflektif — salutan menentukan julat panjang gelombang yang boleh digunakan dan pemantulan puncak. Aluminium terlindung meliputi UV hingga berhampiran-IR (~250–700 nm) pada sekitar 85–90% pemantulan. Emas terlindung sesuai dengan aplikasi IR pertengahan (>700 nm) pada pemantulan >97%. Salutan perak yang dipertingkatkan menolak pemantulan melebihi 98% dalam julat yang boleh dilihat tetapi memerlukan pengendalian yang teliti.
• Bahan substrat — Kaca borosilikat adalah standard, menggabungkan kos rendah dengan kestabilan haba yang baik. Silika bercantum lebih disukai untuk aplikasi UV atau persekitaran dengan kitaran haba.

Untuk sistem yang juga memerlukan stereng dan penapisan rasuk, pasangkan cermin sfera dengan pemantul optik rata untuk pengalihan rasuk yang tepat or penapis kaca optik untuk kawalan selektif panjang gelombang adalah biasa dalam reka bentuk sistem laser dan pengimejan.

Aberasi Sfera: Had Utama

Cermin sfera bukanlah elemen pemfokusan yang sempurna. Sinar yang mengenai cermin jauh dari paksi optik (sinar marginal) memfokus pada titik yang sedikit berbeza daripada sinar berhampiran pusat (sinar paraxial). Ini adalah penyimpangan sfera - dan ia adalah wujud kepada geometri sfera. Untuk apertur kecil, sistem NA rendah, ia boleh diabaikan. Untuk aplikasi apertur besar atau sudut lebar, ia merendahkan kualiti imej dengan ketara.

Cara praktikal untuk menguruskan penyimpangan sfera ialah: (1) menggunakan apertur kecil berbanding dengan panjang fokus (nombor f tinggi), (2) bergabung dengan kumpulan kanta pembetulan, atau (3) beralih kepada cermin parabola di mana penyelarasan ketat tidak boleh dirunding. Banyak reka bentuk teleskop menggunakan primer parabola dengan tepat kerana penyimpangan sfera menjadi tidak boleh diterima pada apertur besar. Walau bagaimanapun, cermin parabola memerlukan kos yang lebih tinggi untuk mengeluarkan dan menguji berbanding setara sfera - itulah sebabnya cermin sfera kekal sebagai lalai untuk optik saintifik dan industri dengan bukaan sederhana.

Aplikasi Merentasi Industri

Cermin sfera ditemui merentasi rangkaian sistem yang lebih luas daripada yang kebanyakan jurutera sedar pada mulanya:

• Optik laser — digunakan sebagai elemen pengembangan rasuk atau lipatan di dalam rongga laser, dan untuk memfokuskan output laser dalam sistem pemotongan, ukiran dan pemprosesan bahan.
• Astronomi dan teleskop — Reflektor Newtonian menggunakan cermin utama sfera atau parabola cekung; reka bentuk sfera berfungsi dengan baik pada nisbah fokus di atas f/8.
• Mikroskopi dan pengimejan — cermin cekung berfungsi sebagai elemen pemeluwap dalam mikroskop UV dan IR tertentu di mana kanta biasan memperkenalkan penyimpangan kromatik.
• Automotif dan optik pengguna — cermin cembung memberikan pandangan sudut lebar dalam sistem bantuan pemandu. Cermin lengkung tersuai juga muncul dalam paparan kepala (HUD) untuk menayangkan data instrumen pada cermin depan.
• Keselamatan dan pengawasan — cermin sfera cembung besar dalam persekitaran runcit dan lalu lintas menutup bintik buta yang tidak dapat ditangani oleh cermin rata.

Pereka sistem yang bekerja dengan pelbagai jenis elemen optik sering menggunakan cermin sfera bersama-sama kanta optik ketepatan untuk pemfokusan dan penyelarasan and prisma optik untuk sisihan rasuk dan putaran imej .

Pengendalian dan Penyelenggaraan

Salutan reflektif - terutamanya perak dan aluminium - lembut dan mudah tercalar. Gunakan hanya nitrogen kering atau udara bersih bebas minyak untuk mengeluarkan zarah longgar. Jika pembersihan basah tidak dapat dielakkan, gunakan metanol gred optik atau isopropanol pada sapuan bebas lin dengan satu pukulan. Jangan sekali-kali seret swab kering ke seluruh permukaan. Simpan cermin dalam bekas bertutup dan berlapis jauh dari kelembapan dan gas menghakis, yang merendahkan salutan aluminium yang tidak dilindungi dengan cepat. Salutan terlindung menambah lapisan dielektrik keras yang meningkatkan rintangan kimia dan mekanikal dengan ketara tanpa mengurangkan pemantulan secara bermakna.

Pertimbangan Sumber

Cermin sfera tersuai — diameter bukan piawai, jejari kelengkungan yang luar biasa, atau keperluan salutan khusus — dihasilkan mengikut tempahan oleh pembekal optik ketepatan. Masa utama biasanya berkisar antara dua hingga enam minggu bergantung pada kerumitan. Apabila menentukan bahagian tersuai, sediakan: diameter, jejari kelengkungan (atau panjang fokus), toleransi angka permukaan, jenis salutan dan julat panjang gelombang, dan bahan substrat. Spesifikasi yang jelas menghalang kelewatan penyumberan yang paling biasa. Untuk larian pengeluaran volum, sahkan bahawa pengilang boleh memegang toleransi yang konsisten merentas kelompok dan menyediakan laporan ujian interferometrik dengan setiap penghantaran.

Untuk gambaran keseluruhan penuh komponen optik ketepatan yang serasi — daripada cermin sfera kepada wafer dan prisma — lihat julat produk komponen optik ketepatan lengkap .