Qualità della superficie
La qualità della superficie di una superficie ottica descrive il suo aspetto cosmetico e include difetti quali graffi, solchi o avvallamenti.Nella maggior parte dei casi, questi difetti superficiali sono puramente estetici e non influiscono in modo significativo sulle prestazioni del sistema, tuttavia possono causare una piccola perdita di rendimento del sistema e un piccolo aumento della luce diffusa.Tuttavia, alcune superfici sono più sensibili a questi effetti come: (1) superfici sui piani dell'immagine perché questi difetti sono a fuoco e (2) superfici che vedono livelli di potenza elevati perché questi difetti possono causare un maggiore assorbimento di energia e danni l'ottica.La specifica più comune utilizzata per la qualità della superficie è la specifica scratch-dig descritta da MIL-PRF-13830B.La designazione del graffio viene determinata confrontando i graffi su una superficie con una serie di graffi standard in condizioni di illuminazione controllata.Pertanto la designazione del graffio non descrive il graffio effettivo in sé, ma piuttosto lo confronta con un graffio standardizzato secondo la MIL-Spec.La designazione dello scavo, tuttavia, si riferisce direttamente allo scavo, o piccola fossa in superficie.La designazione dello scavo viene calcolata al diametro dello scavo in micron diviso per 10. Le specifiche Scratch-dig di 80-50 sono generalmente considerate qualità standard, qualità di precisione 60-40 e qualità di alta precisione 20-10.
| Tabella 6: Tolleranze di produzione per la qualità della superficie | |
| Qualità della superficie (scavo graffiato) | Grado di qualità |
| 80-50 | Tipico |
| 60-40 | Precisione |
| 40-20 | Alta precisione |
Planarità della superficie
La planarità della superficie è un tipo di specifica di precisione della superficie che misura la deviazione di una superficie piana come quella di uno specchio, una finestra, un prisma o una lente piana.Questa deviazione può essere misurata utilizzando un piano ottico, che è una superficie di riferimento piana di alta qualità e molto precisa utilizzata per confrontare la planarità di un pezzo di prova.Quando la superficie piana dell'ottica di prova viene appoggiata al piano ottico, compaiono delle frange la cui forma determina la planarità della superficie dell'ottica in esame.Se le frange sono uniformemente distanziate, diritte e parallele, la superficie ottica sottoposta a test è piana almeno quanto il piano ottico di riferimento.Se le frange sono curve, il numero di frange tra due linee immaginarie, una tangente al centro di una frangia e una attraverso le estremità di quella stessa frangia, indica l'errore di planarità.Le deviazioni nella planarità sono spesso misurate in valori di onde (λ), che sono multipli della lunghezza d'onda della sorgente di prova.Una frangia corrisponde a ½ di un'onda, cioè 1 λ equivalente a 2 frange.
| Tabella 7: Tolleranze di produzione per planarità | |
| Planarità | Grado di qualità |
| 1λ | Tipico |
| λ/4 | Precisione |
| λ/10 | Alta precisione |
Energia
La potenza è un tipo di specifica di precisione della superficie, si applica alle superfici ottiche curve o alle superfici con potenza.È una misura della curvatura sulla superficie di un'ottica e differisce dal raggio di curvatura in quanto si applica alla deviazione su microscala nella forma sferica di una lente.ad esempio, si consideri che la tolleranza del raggio di curvatura è definita come 100 +/-0,1 mm, una volta che questo raggio è stato generato, lucidato e misurato, troviamo che la sua curvatura effettiva è di 99,95 mm che rientra nella tolleranza meccanica specificata.In questo caso, sappiamo che anche la lunghezza focale è corretta poiché abbiamo ottenuto la forma sferica corretta.Ma solo perché il raggio e la lunghezza focale sono corretti, non significa che l'obiettivo funzionerà come previsto.Non è quindi sufficiente definire semplicemente il raggio di curvatura, ma anche la consistenza della curvatura - ed è proprio questo ciò che il potere è progettato per controllare.Sempre utilizzando lo stesso raggio di 99,95 mm menzionato sopra, un ottico potrebbe voler controllare ulteriormente la precisione della luce rifratta limitando la potenza a ≤ 1 λ.Ciò significa che su tutto il diametro non può esserci una deviazione maggiore di 632,8 nm (1λ = 632,8 nm) nella consistenza della forma sferica.L'aggiunta di questo livello di controllo più rigoroso alla forma della superficie aiuta a garantire che i raggi di luce su un lato della lente non si rifrangano in modo diverso rispetto a quelli sull'altro lato.Poiché l'obiettivo potrebbe essere quello di ottenere una messa a fuoco precisa di tutta la luce incidente, più uniforme è la forma, più precisamente si comporterà la luce quando passa attraverso l'obiettivo.
Gli ottici specificano l'errore di potenza in termini di onde o frange e lo misurano utilizzando un interferometro.Viene testato in modo simile alla planarità, in quanto una superficie curva viene confrontata con una superficie di riferimento con un raggio di curvatura altamente calibrato.Utilizzando lo stesso principio di interferenza causato dai traferri tra le due superfici, il modello di frange di interferenza viene utilizzato per descrivere la deviazione della superficie di prova dalla superficie di riferimento (Figura 11).Una deviazione dal pezzo di riferimento creerà una serie di anelli, noti come anelli di Newton.Più anelli sono presenti, maggiore è la deviazione.Il numero di anelli scuri o chiari, non la somma di entrambi chiari e scuri, corrisponde al doppio del numero di onde di errore.
Figura 11: errore di alimentazione testato confrontandolo con una superficie di riferimento o utilizzando un interferometro
L'errore di potenza è correlato all'errore nel raggio di curvatura mediante la seguente equazione in cui ∆R è l'errore del raggio, D è il diametro della lente, R è il raggio della superficie e λ è la lunghezza d'onda (tipicamente 632,8 nm):
Errore di potenza [onde o λ] = ∆R D²/8R²λ
Figura 12: Errore di potenza su Diamater vs Errore di raggio al centro
Irregolarità
L'irregolarità tiene conto delle variazioni su piccola scala su una superficie ottica.Come la potenza, viene misurata in termini di onde o frange e caratterizzata mediante un interferometro.Concettualmente, è più facile pensare all'irregolarità come a una specifica che definisce quanto deve essere uniformemente liscia una superficie ottica.Mentre i picchi e gli avvallamenti complessivi misurati su una superficie ottica possono essere molto coerenti in un'area, una sezione diversa dell'ottica può presentare una deviazione molto maggiore.In tal caso, la luce rifratta dalla lente può comportarsi in modo diverso a seconda di dove viene rifratta dall'ottica.L'irregolarità è quindi una considerazione importante quando si progettano le lenti.La figura seguente mostra come questa deviazione della forma superficiale da quella perfettamente sferica può essere caratterizzata utilizzando una specifica PV di irregolarità.
Figura 13: Misura PV di irregolarità
L'irregolarità è un tipo di specifica di precisione della superficie che descrive come la forma di una superficie devia dalla forma di una superficie di riferimento.Si ottiene dalla stessa misura della potenza.La regolarità si riferisce alla sfericità delle frange circolari che si formano dal confronto della superficie di prova con la superficie di riferimento.Quando la potenza di una superficie è superiore a 5 frange, è difficile rilevare piccole irregolarità inferiori a 1 frangia.Pertanto è pratica comune specificare superfici con un rapporto tra potenza e irregolarità di circa 5:1.
Figura 14: Planarità vs Potenza vs Irregolarità
RMS contro potenza fotovoltaica e irregolarità
Quando si discute di potere e irregolarità, è importante discernere i due metodi con cui possono essere definiti.Il primo è un valore assoluto.Ad esempio, se un'ottica è definita come avente 1 irregolarità d'onda, non può esserci più di 1 differenza d'onda tra il punto più alto e quello più basso sulla superficie ottica o picco-valle (PV).Il secondo metodo consiste nello specificare la potenza o l'irregolarità come 1 onda RMS (root mean square) o media.In questa interpretazione, una superficie ottica definita come 1 onda RMS irregolare può, infatti, avere picchi e avvallamenti che superano 1 onda, tuttavia, esaminando l'intera superficie, l'irregolarità media complessiva deve rientrare in 1 onda.
Tutto sommato, RMS e PV sono entrambi metodi per descrivere quanto bene la forma di un oggetto corrisponda alla sua curvatura progettata, chiamata rispettivamente "figura della superficie" e "rugosità della superficie".Sono entrambi calcolati dagli stessi dati, come una misurazione dell'interferometro, ma i significati sono piuttosto diversi.Il fotovoltaico è bravo a fornire uno "scenario peggiore" per la superficie;RMS è un metodo per descrivere la deviazione media della figura della superficie dalla superficie desiderata o di riferimento.RMS è utile per descrivere la variazione complessiva della superficie.Non esiste una relazione semplice tra PV e RMS.Tuttavia, come regola generale, un valore RMS è di circa 0,2 tanto stringente quanto il valore non medio se confrontato fianco a fianco, ovvero 0,1 PV irregolare d'onda equivale a circa 0,5 RMS d'onda.
Finitura superficiale
La finitura superficiale, nota anche come rugosità superficiale, misura le irregolarità su piccola scala su una superficie.Di solito sono uno sfortunato sottoprodotto del processo di lucidatura e del tipo di materiale.Anche se l'ottica è ritenuta eccezionalmente liscia con poche irregolarità sulla superficie, a un'ispezione ravvicinata, un vero esame microscopico può rivelare una grande variazione nella struttura della superficie.Una buona analogia di questo manufatto è confrontare la rugosità superficiale con la grana della carta vetrata.Mentre la granulometria più fine può sembrare liscia e regolare al tatto, la superficie è in realtà composta da microscopici picchi e avvallamenti determinati dalla dimensione fisica della graniglia stessa.Nel caso dell'ottica, la "grinta" può essere pensata come irregolarità microscopiche nella trama superficiale causate dalla qualità della lucidatura.Le superfici ruvide tendono ad usurarsi più velocemente delle superfici lisce e potrebbero non essere adatte per alcune applicazioni, in particolare quelle con laser o calore intenso, a causa di possibili siti di nucleazione che possono apparire in piccole crepe o imperfezioni.
A differenza della potenza e dell'irregolarità, che vengono misurate in onde o frazioni di un'onda, la rugosità superficiale, a causa della sua estrema attenzione ravvicinata alla struttura superficiale, viene misurata sulla scala degli angstrom e sempre in termini di RMS.Per confronto, occorrono dieci angstrom per eguagliare un nanometro e 632,8 nanometri per eguagliare un'onda.
Figura 15: Misura RMS della rugosità superficiale
| Tabella 8: Tolleranze di produzione per Finitura superficiale | |
| Rugosità superficiale (RMS) | Grado di qualità |
| 50Å | Tipico |
| 20Å | Precisione |
| 5Å | Alta precisione |
Errore di fronte d'onda trasmesso
L'errore di fronte d'onda trasmesso (TWE) viene utilizzato per qualificare le prestazioni degli elementi ottici al passaggio della luce.A differenza delle misurazioni della forma superficiale, le misurazioni del fronte d'onda trasmesso includono errori dalla superficie anteriore e posteriore, dal cuneo e dall'omogeneità del materiale.Questa metrica delle prestazioni complessive offre una migliore comprensione delle prestazioni reali di un'ottica.
Mentre molti componenti ottici vengono testati individualmente per la forma della superficie o le specifiche TWE, questi componenti sono inevitabilmente integrati in gruppi ottici più complessi con requisiti prestazionali propri.In alcune applicazioni è accettabile affidarsi alle misurazioni e alle tolleranze dei componenti per prevedere le prestazioni finali, ma per le applicazioni più impegnative è importante misurare l'assieme come costruito.
Le misurazioni TWE vengono utilizzate per confermare che un sistema ottico è costruito secondo le specifiche e funzionerà come previsto.Inoltre, le misurazioni TWE possono essere utilizzate per allineare attivamente i sistemi, riducendo i tempi di assemblaggio, garantendo al tempo stesso il raggiungimento delle prestazioni previste.
Paralight Optics incorpora smerigliatrici e lucidatrici CNC all'avanguardia, sia per forme sferiche standard, sia per contorni asferici ea forma libera.L'impiego della metrologia avanzata, inclusi interferometri Zygo, profilometri, TriOptics Opticentric, TriOptics OptiSpheric, ecc. ottiche ad alte prestazioni per soddisfare le specifiche ottiche richieste dai clienti.
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Tempo di pubblicazione: 26 aprile 2023