Calidad de la superficie
La calidad de la superficie de una superficie óptica describe su apariencia cosmética e incluye defectos tales como rayones y picaduras o excavaciones.En la mayoría de los casos, estos defectos superficiales son puramente estéticos y no afectan significativamente el rendimiento del sistema, aunque pueden causar una pequeña pérdida en el rendimiento del sistema y un pequeño aumento en la luz dispersa.Sin embargo, ciertas superficies son más sensibles a estos efectos, tales como: (1) superficies en los planos de la imagen porque estos defectos están enfocados y (2) superficies que ven altos niveles de potencia porque estos defectos pueden causar una mayor absorción de energía y daños. la ópticaLa especificación más común utilizada para la calidad de la superficie es la especificación de excavación por raspado descrita por MIL-PRF-13830B.La designación de rayones se determina comparando los rayones en una superficie con un conjunto de rayones estándar bajo condiciones de iluminación controlada.Por lo tanto, la designación del rasguño no describe el rasguño real en sí mismo, sino que lo compara con un rasguño estandarizado de acuerdo con MIL-Spec.La designación de excavación, sin embargo, se relaciona directamente con la excavación o pequeño pozo en la superficie.La designación de excavación se calcula en el diámetro de la excavación en micras dividido por 10. Las especificaciones de excavación desde cero de 80-50 generalmente se consideran calidad estándar, 60-40 calidad de precisión y 20-10 calidad de alta precisión.
| Tabla 6: Tolerancias de fabricación para la calidad de la superficie | |
| Calidad de la superficie (scratch-dig) | Grado de calidad |
| 80-50 | Típico |
| 60-40 | Precisión |
| 40-20 | Alta precisión |
Planitud de la superficie
La planitud de la superficie es un tipo de especificación de precisión de la superficie que mide la desviación de una superficie plana como la de un espejo, una ventana, un prisma o una lente plana.Esta desviación se puede medir utilizando un plano óptico, que es una superficie de referencia plana de alta precisión y alta calidad que se utiliza para comparar la planitud de una pieza de prueba.Cuando la superficie plana de la óptica de prueba se coloca contra la superficie plana óptica, aparecen franjas cuya forma dicta la planitud de la superficie de la óptica bajo inspección.Si las franjas están espaciadas uniformemente, son rectas y paralelas, entonces la superficie óptica bajo prueba es al menos tan plana como la superficie óptica de referencia.Si las franjas son curvas, el número de franjas entre dos líneas imaginarias, una tangente al centro de una franja y otra a través de los extremos de esa misma franja, indica el error de planitud.Las desviaciones en planitud a menudo se miden en valores de ondas (λ), que son múltiplos de la longitud de onda de la fuente de prueba.Una franja corresponde a la ½ de una onda, es decir, 1 λ equivale a 2 franjas.
| Tabla 7: Tolerancias de fabricación para planitud | |
| Llanura | Grado de calidad |
| 1λ | Típico |
| l/4 | Precisión |
| λ/10 | Alta precisión |
Fuerza
La potencia es un tipo de especificación de precisión de superficie, se aplica a superficies ópticas curvas o superficies con potencia.Es una medida de la curvatura en la superficie de una óptica y se diferencia del radio de curvatura en que se aplica a la desviación de microescala en la forma esférica de una lente.por ejemplo, considere que la tolerancia del radio de curvatura se define como 100 +/-0,1 mm, una vez que se genera, pule y mide este radio, encontramos que su curvatura real es de 99,95 mm, lo que se encuentra dentro de la tolerancia mecánica especificada.En este caso sabemos que la distancia focal también es correcta ya que hemos conseguido la forma esférica correcta.Pero el hecho de que el radio y la distancia focal sean correctos no significa que la lente funcionará según lo diseñado.Por lo tanto, no es suficiente simplemente definir el radio de curvatura, sino también la consistencia de la curvatura, y esto es precisamente lo que el poder está diseñado para controlar.Nuevamente, utilizando el mismo radio de 99,95 mm mencionado anteriormente, un óptico puede desear controlar aún más la precisión de la luz refractada limitando la potencia a ≤ 1 λ.Esto significa que, en todo el diámetro, no puede haber una desviación mayor de 632,8 nm (1λ = 632,8 nm) en la consistencia de la forma esférica.Agregar este nivel de control más estricto a la forma de la superficie ayuda a garantizar que los rayos de luz en un lado de la lente no se refracten de manera diferente a los del otro lado.Dado que el objetivo puede ser lograr un enfoque milimétrico de toda la luz incidente, cuanto más consistente sea la forma, con mayor precisión se comportará la luz al pasar a través de la lente.
Los ópticos especifican el error de potencia en términos de ondas o franjas y lo miden con un interferómetro.Se prueba de manera similar a la planitud, en el sentido de que una superficie curva se compara con una superficie de referencia con un radio de curvatura altamente calibrado.Usando el mismo principio de interferencia causado por los espacios de aire entre las dos superficies, el patrón de franjas de interferencia se usa para describir la desviación de la superficie de prueba de la superficie de referencia (Figura 11).Una desviación de la pieza de referencia creará una serie de anillos, conocidos como Anillos de Newton.Cuantos más anillos presentes, mayor será la desviación.El número de anillos oscuros o claros, no la suma de ambos claros y oscuros, corresponde al doble del número de ondas de error.
Figura 11: Error de potencia probado al comparar con una superficie de referencia o usando un interferómetro
El error de potencia está relacionado con el error en el radio de curvatura mediante la siguiente ecuación, donde ∆R es el error del radio, D es el diámetro de la lente, R es el radio de la superficie y λ es la longitud de onda (normalmente 632,8 nm):
Error de potencia [ondas o λ] = ∆R D²/8R²λ
Figura 12: Error de potencia sobre Diamater vs Error de radio en el centro
Irregularidad
La irregularidad tiene en cuenta las variaciones a pequeña escala en una superficie óptica.Al igual que la potencia, se mide en términos de ondas o franjas y se caracteriza mediante un interferómetro.Conceptualmente, es más fácil pensar en la irregularidad como una especificación que define cuán uniformemente suave debe ser una superficie óptica.Mientras que los picos y valles medidos en general en una superficie óptica pueden ser muy consistentes en un área, una sección diferente de la óptica puede exhibir una desviación mucho mayor.En tal caso, la luz refractada por la lente puede comportarse de manera diferente dependiendo de dónde sea refractada por la óptica.Por lo tanto, la irregularidad es una consideración importante al diseñar lentes.La siguiente figura muestra cómo esta desviación de la forma de la superficie de la perfectamente esférica se puede caracterizar utilizando una especificación de PV de irregularidad.
Figura 13: Medición de PV irregular
La irregularidad es un tipo de especificación de precisión de superficie que describe cómo la forma de una superficie se desvía de la forma de una superficie de referencia.Se obtiene de la misma medida que la potencia.La regularidad se refiere a la esfericidad de las franjas circulares que se forman a partir de la comparación de la superficie de prueba con la superficie de referencia.Cuando la potencia de una superficie es superior a 5 franjas, es difícil detectar pequeñas irregularidades de menos de 1 franja.Por lo tanto, es una práctica común especificar superficies con una relación de potencia a irregularidad de aproximadamente 5:1.
Figura 14: Planitud vs Potencia vs Irregularidad
RMS frente a potencia fotovoltaica e irregularidad
Cuando se habla de poder e irregularidad, es importante discernir los dos métodos por los cuales se pueden definir.El primero es un valor absoluto.Por ejemplo, si se define que una óptica tiene 1 irregularidad de onda, no puede haber más de 1 diferencia de onda entre el punto más alto y el más bajo en la superficie óptica o de pico a valle (PV).El segundo método consiste en especificar la potencia o irregularidad como 1 onda RMS (raíz cuadrática media) o promedio.En esta interpretación, una superficie óptica definida como 1 onda RMS irregular puede, de hecho, tener picos y valles que superen 1 onda; sin embargo, al examinar la superficie completa, la irregularidad promedio general debe estar dentro de 1 onda.
En general, RMS y PV son métodos para describir qué tan bien la forma de un objeto coincide con su curvatura diseñada, denominada "figura de la superficie" y "rugosidad de la superficie", respectivamente.Ambos se calculan a partir de los mismos datos, como una medida de interferómetro, pero los significados son bastante diferentes.PV es bueno para dar un "peor de los casos-escenario" para la superficie;RMS es un método para describir la desviación promedio de la figura de superficie de la superficie deseada o de referencia.RMS es bueno para describir la variación total de la superficie.No existe una relación simple entre PV y RMS.Sin embargo, como regla general, un valor RMS es aproximadamente 0,2 más estricto que el valor no promedio cuando se compara uno al lado del otro, es decir, 0,1 PV irregular de onda equivale a aproximadamente 0,5 RMS de onda.
Acabado de la superficie
El acabado de la superficie, también conocido como rugosidad de la superficie, mide las irregularidades a pequeña escala en una superficie.Por lo general, son un subproducto desafortunado del proceso de pulido y el tipo de material.Incluso si la óptica se considera excepcionalmente suave con poca irregularidad en la superficie, en una inspección de cerca, un examen microscópico real puede revelar una gran variación en la textura de la superficie.Una buena analogía de este artefacto es comparar la rugosidad de la superficie con el grano de papel de lija.Si bien el tamaño de grano más fino puede sentirse suave y regular al tacto, la superficie en realidad está compuesta de picos y valles microscópicos determinados por el tamaño físico del grano en sí.En el caso de la óptica, el "grano" se puede considerar como irregularidades microscópicas en la textura de la superficie provocadas por la calidad del pulido.Las superficies rugosas tienden a desgastarse más rápido que las superficies lisas y pueden no ser adecuadas para algunas aplicaciones, especialmente aquellas con láser o calor intenso, debido a los posibles sitios de nucleación que pueden aparecer en pequeñas grietas o imperfecciones.
A diferencia de la potencia y la irregularidad, que se miden en ondas o fracciones de onda, la rugosidad de la superficie, debido a su enfoque de primer plano extremo en la textura de la superficie, se mide en la escala de angstroms y siempre en términos de RMS.A modo de comparación, se necesitan diez angstroms para igualar un nanómetro y 632,8 nanómetros para igualar una onda.
Figura 15: Medición RMS de rugosidad superficial
| Tabla 8: Tolerancias de fabricación para acabado superficial | |
| Rugosidad de la superficie (RMS) | Grado de calidad |
| 50Å | Típico |
| 20Å | Precisión |
| 5Å | Alta precisión |
Error de frente de onda transmitido
El error de frente de onda transmitido (TWE) se utiliza para calificar el rendimiento de los elementos ópticos a medida que pasa la luz.A diferencia de las mediciones de la forma de la superficie, las mediciones del frente de onda transmitido incluyen errores de la superficie anterior y posterior, la cuña y la homogeneidad del material.Esta métrica de rendimiento general ofrece una mejor comprensión del rendimiento real de una óptica.
Si bien muchos componentes ópticos se prueban individualmente para la forma de la superficie o las especificaciones TWE, estos componentes inevitablemente se integran en conjuntos ópticos más complejos con sus propios requisitos de rendimiento.En algunas aplicaciones, es aceptable confiar en las medidas y tolerancias de los componentes para predecir el rendimiento final, pero para aplicaciones más exigentes, es importante medir el ensamblaje tal como se construyó.
Las mediciones de TWE se utilizan para confirmar que un sistema óptico está construido según las especificaciones y funcionará como se espera.Además, las mediciones de TWE se pueden usar para alinear activamente los sistemas, lo que reduce el tiempo de ensamblaje y garantiza que se logre el rendimiento esperado.
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Hora de publicación: 26-abr-2023