Qualidade da superfície
A qualidade da superfície de uma superfície ótica descreve sua aparência cosmética e inclui defeitos como arranhões e cavidades ou sulcos.Na maioria dos casos, esses defeitos de superfície são puramente cosméticos e não afetam significativamente o desempenho do sistema, embora possam causar uma pequena perda na taxa de transferência do sistema e um pequeno aumento na luz espalhada.No entanto, certas superfícies são mais sensíveis a esses efeitos, como: (1) superfícies em planos de imagem porque esses defeitos estão em foco e (2) superfícies que apresentam altos níveis de potência porque esses defeitos podem causar maior absorção de energia e danos o óptico.A especificação mais comum usada para a qualidade da superfície é a especificação scratch-dig descrita por MIL-PRF-13830B.A designação do arranhão é determinada comparando os arranhões em uma superfície com um conjunto de arranhões padrão sob condições de iluminação controladas.Portanto, a designação do arranhão não descreve o arranhão real em si, mas compara-o a um arranhão padronizado de acordo com o MIL-Spec.A designação de escavação, no entanto, está diretamente relacionada à escavação, ou pequena cova na superfície.A designação de escavação é calculada no diâmetro da escavação em mícrons dividido por 10. As especificações de escavação zero de 80-50 são normalmente consideradas qualidade padrão, qualidade de precisão 60-40 e qualidade de alta precisão 20-10.
| Tabela 6: Tolerâncias de fabricação para qualidade de superfície | |
| Qualidade da Superfície (scratch-cavar) | Grau de qualidade |
| 80-50 | Típica |
| 60-40 | Precisão |
| 40-20 | Alta precisão |
Planicidade da Superfície
Planicidade de superfície é um tipo de especificação de precisão de superfície que mede o desvio de uma superfície plana, como a de um espelho, janela, prisma ou lente plana.Esse desvio pode ser medido usando um plano óptico, que é uma superfície de referência plana de alta qualidade e precisão usada para comparar o nivelamento de uma peça de teste.Quando a superfície plana da ótica de teste é colocada contra a ótica plana, aparecem franjas cuja forma determina o nivelamento da superfície da ótica sob inspeção.Se as franjas estiverem igualmente espaçadas, retas e paralelas, então a superfície óptica em teste é pelo menos tão plana quanto a plana óptica de referência.Se as franjas forem curvas, o número de franjas entre duas linhas imaginárias, uma tangente ao centro de uma franja e outra pelas extremidades dessa mesma franja, indica o erro de planicidade.Os desvios na planicidade são frequentemente medidos em valores de ondas (λ), que são múltiplos do comprimento de onda da fonte de teste.Uma franja corresponde a ½ de onda, ou seja, 1 λ equivale a 2 franjas.
| Tabela 7: Tolerâncias de Fabricação para Planicidade | |
| Planicidade | Grau de qualidade |
| 1λ | Típica |
| λ/4 | Precisão |
| λ/10 | Alta precisão |
Poder
Potência é um tipo de especificação de precisão de superfície, aplicável a superfícies ópticas curvas ou superfícies com potência.É uma medida da curvatura na superfície de uma óptica e difere do raio de curvatura na medida em que se aplica ao desvio de microescala na forma esférica de uma lente.por exemplo, considere que a tolerância do raio de curvatura é definida como 100 +/-0,1 mm, uma vez que esse raio é gerado, polido e medido, descobrimos que sua curvatura real é de 99,95 mm, que está dentro da tolerância mecânica especificada.Nesse caso, sabemos que a distância focal também está correta, pois alcançamos a forma esférica correta.Mas só porque o raio e a distância focal estão corretos, não significa que a lente funcionará como projetada.Portanto, não basta simplesmente definir o raio de curvatura, mas também a consistência da curvatura – e é exatamente isso que o poder foi projetado para controlar.Novamente usando o mesmo raio de 99,95 mm mencionado acima, um oftalmologista pode desejar controlar ainda mais a precisão da luz refratada limitando a potência a ≤ 1 λ.Isso significa que, em todo o diâmetro, não pode haver desvio maior que 632,8 nm (1λ = 632,8 nm) na consistência da forma esférica.Adicionar esse nível de controle mais rigoroso à forma da superfície ajuda a garantir que os raios de luz de um lado da lente não sejam refratados de maneira diferente dos do outro lado.Como o objetivo pode ser obter o foco preciso de toda a luz incidente, quanto mais consistente for a forma, mais precisamente a luz se comportará ao passar pela lente.
Os oftalmologistas especificam o erro de potência em termos de ondas ou franjas e o medem usando um interferômetro.Ele é testado de maneira semelhante à planicidade, em que uma superfície curva é comparada com uma superfície de referência com um raio de curvatura altamente calibrado.Usando o mesmo princípio de interferência causada pelos espaços de ar entre as duas superfícies, o padrão de franjas da interferência é usado para descrever o desvio da superfície de teste da superfície de referência (Figura 11).Um desvio da peça de referência criará uma série de anéis, conhecidos como anéis de Newton.Quanto mais anéis presentes, maior o desvio.O número de anéis escuros ou claros, não a soma dos claros e escuros, corresponde ao dobro do número de ondas de erro.
Figura 11: Erro de potência testado comparando com uma superfície de referência ou usando um interferômetro
O erro de potência está relacionado ao erro no raio de curvatura pela seguinte equação onde ∆R é o erro do raio, D é o diâmetro da lente, R é o raio da superfície e λ é o comprimento de onda (normalmente 632,8 nm):
Erro de potência [ondas ou λ] = ∆R D²/8R²λ
Figura 12: Erro de potência sobre Diamater vs Erro de raio no centro
Irregularidade
A irregularidade leva em conta as variações de pequena escala em uma superfície óptica.Assim como a potência, ela é medida em termos de ondas ou franjas e caracterizada por meio de um interferômetro.Conceitualmente, é mais fácil pensar na irregularidade como uma especificação que define quão uniformemente lisa uma superfície óptica deve ser.Considerando que os picos e vales medidos em uma superfície óptica podem ser muito consistentes em uma área, uma seção diferente da óptica pode exibir um desvio muito maior.Nesse caso, a luz refratada pela lente pode se comportar de maneira diferente dependendo de onde é refratada pela ótica.A irregularidade é, portanto, uma consideração importante ao projetar lentes.A figura a seguir mostra como esse desvio da forma de superfície perfeitamente esférica pode ser caracterizado usando uma especificação PV de irregularidade.
Figura 13: Medição de Irregularidade PV
A irregularidade é um tipo de especificação de precisão de superfície que descreve como a forma de uma superfície se desvia da forma de uma superfície de referência.É obtido da mesma medida que a potência.Regularidade refere-se à esfericidade das franjas circulares que são formadas a partir da comparação da superfície de teste com a superfície de referência.Quando o poder de uma superfície é superior a 5 franjas, é difícil detectar pequenas irregularidades com menos de 1 franja.Portanto, é prática comum especificar superfícies com uma proporção de potência para irregularidade de aproximadamente 5:1.
Figura 14: Planicidade vs Potência vs Irregularidade
RMS Versões de Potência PV e Irregularidade
Ao discutir poder e irregularidade, é importante discernir os dois métodos pelos quais eles podem ser definidos.O primeiro é um valor absoluto.Por exemplo, se uma ótica é definida como tendo 1 irregularidade de onda, não pode haver mais de 1 diferença de onda entre o ponto mais alto e o mais baixo na superfície ótica ou pico-a-vale (PV).O segundo método é especificar a potência ou irregularidade como 1 onda RMS (raiz média quadrada) ou média.Nesta interpretação, uma superfície óptica definida como irregular de 1 onda RMS pode, de fato, ter picos e vales que excedem 1 onda, no entanto, ao examinar a superfície completa, a irregularidade média geral deve cair dentro de 1 onda.
Em suma, RMS e PV são métodos para descrever o quão bem a forma de um objeto corresponde à sua curvatura projetada, chamada de "figura da superfície" e "rugosidade da superfície", respectivamente.Ambos são calculados a partir dos mesmos dados, como uma medição do interferômetro, mas os significados são bem diferentes.PV é bom em fornecer um “pior cenário” para a superfície;RMS é um método para descrever o desvio médio da figura da superfície da superfície desejada ou de referência.O RMS é bom para descrever a variação geral da superfície.Não existe uma relação simples entre PV e RMS.No entanto, como regra geral, um valor RMS é aproximadamente 0,2 tão rigoroso quanto o valor não médio quando comparado lado a lado, ou seja, 0,1 onda PV irregular é equivalente a aproximadamente 0,5 onda RMS.
Acabamento de superfície
O acabamento da superfície, também conhecido como rugosidade da superfície, mede irregularidades de pequena escala em uma superfície.Eles geralmente são um subproduto infeliz do processo de polimento e do tipo de material.Mesmo que a ótica seja considerada excepcionalmente lisa com pouca irregularidade na superfície, em uma inspeção mais próxima, um exame microscópico real pode revelar uma grande variação na textura da superfície.Uma boa analogia desse artefato é comparar a rugosidade da superfície com o grão da lixa.Embora o tamanho do grão mais fino possa parecer suave e regular ao toque, a superfície é, na verdade, composta de picos e vales microscópicos determinados pelo tamanho físico do próprio grão.No caso da ótica, o “grit” pode ser pensado como irregularidades microscópicas na textura da superfície causadas pela qualidade do polimento.Superfícies rugosas tendem a se desgastar mais rapidamente do que superfícies lisas e podem não ser adequadas para algumas aplicações, principalmente aquelas com lasers ou calor intenso, devido a possíveis locais de nucleação que podem aparecer em pequenas trincas ou imperfeições.
Ao contrário da potência e da irregularidade, que são medidas em ondas ou frações de onda, a rugosidade da superfície, devido ao seu foco extremo na textura da superfície, é medida na escala de angstroms e sempre em termos de RMS.Para comparação, leva dez angstroms para igualar um nanômetro e 632,8 nanômetros para igualar uma onda.
Figura 15: Medição RMS de Rugosidade Superficial
| Tabela 8: Tolerâncias de fabricação para acabamento de superfície | |
| Rugosidade da Superfície (RMS) | Grau de qualidade |
| 50Å | Típica |
| 20Å | Precisão |
| 5Å | Alta precisão |
Erro de Frente de Onda Transmitido
O erro de frente de onda transmitido (TWE) é usado para qualificar o desempenho de elementos ópticos à medida que a luz passa.Ao contrário das medições de forma de superfície, as medições de frente de onda transmitida incluem erros da superfície frontal e posterior, cunha e homogeneidade do material.Essa métrica de desempenho geral oferece uma melhor compreensão do desempenho de uma óptica no mundo real.
Embora muitos componentes ópticos sejam testados individualmente quanto à forma de superfície ou especificações TWE, esses componentes são inevitavelmente incorporados a conjuntos ópticos mais complexos com requisitos de desempenho próprios.Em algumas aplicações é aceitável confiar nas medições e tolerâncias dos componentes para prever o desempenho final, mas para aplicações mais exigentes é importante medir o conjunto como construído.
As medições TWE são usadas para confirmar que um sistema óptico foi construído de acordo com a especificação e funcionará conforme o esperado.Além disso, as medições TWE podem ser usadas para alinhar sistemas ativamente, diminuindo o tempo de montagem e garantindo o desempenho esperado.
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Horário de postagem: 26 de abril de 2023