Optische sferische spiegel: typen, specificaties en toepassingsgids

Kies de verkeerde spiegelgeometrie en uw hele optische systeem betaalt zich terug: verminderde focus, strooilicht of meetfouten die terug te voeren zijn op één over het hoofd gezien onderdeel. Optische bolvofmige spiegels behoren tot de meest veelzijdige reflecterende elementen in de precisie-optica, maar als je ze effectief wilt gebruiken, moet je zowel hun sterke punten als hun bekende beperkingen begrijpen.

Wat is een optische sferische spiegel?

Een bolvormige spiegel heeft een reflecterend oppervlak dat deel uitmaakt van een bol. Afhankelijk van welke kant reflecteert, wordt het geclassificeerd als een holle spiegel (binnenoppervlak) of a bolle spiegel (buitenoppervlak). Deze twee typen gedragen zich fundamenteel eners met licht en zijn geschikt voor verschillende toepassingen.

De belangrijkste optische parameter is de kromtestraal (R). De brandpuntsafstand (f) heeft er eenvoudigweg betrekking op: f = R/2 . Een spiegel met een kromtestraal van 200 mm heeft een brandpuntsafstand van 100 mm. Deze relatie bepaalt hoe de spiegel beelden vormt en hoe deze omgaat met bundelfocussering of -divergentie.

Concaaf versus convex: het juiste type kiezen

Holle spiegels convergeren licht. Parallelle stralen die het oppervlak raken, reflecteren allemaal door het brandpunt - wat concave spiegels de juiste keuze maakt voor bundelfocussering, zonnecollector en primaire spiegels van telescopen. Ze kunnen ook vergrote echte beelden produceren, en daarom verschijnen ze in make-upspiegels, tandartsspiegels en wetenschappelijke beeldinstrumenten.

Bolle spiegels divergeren het licht en produceren altijd rechtopstaande, verkleinde virtuele beelden, ongeacht de positie van het object. Door hun brede gezichtsveld zijn ze de standaard voor zijspiegels van voertuigen, veiligheidsspiegels voor winkels en veiligheidsspiegels voor kruispunten. U offert dieptenauwkeurigheid op voor panoramische dekking.

Belangrijkste specificaties om te evalueren

Bij de aanschaf van een optische sferische spiegel voor een precisiesysteem bepalen vier specificaties of deze zal presteren:

• Nauwkeurigheid van oppervlaktecijfers — gemeten in fracties van een golflengte (λ). Spiegels van onderzoekskwaliteit vereisen doorgaans λ/8 of beter. Voor minder veeleisende toepassingen is λ/4 acceptabel. Nauwere toleranties betekenen duurder slijpen en polijsten.
• Oppervlakteruwheid (RMS) — beïnvloedt de spreiding. Lasertoepassingen met hoog vermogen vereisen vaak een ruwheid van minder dan 1 nm RMS om verstrooiingsverliezen te voorkomen die de straalkwaliteit verslechteren.
• Reflecterende coating — de coating bepaalt het bruikbare golflengtebereik en de piekreflectie. Beschermd aluminium dekt UV tot bijna-IR (~250–700 nm) met een reflectiviteit van ongeveer 85–90%. Beschermd goud is geschikt voor mid-IR-toepassingen (>700 nm) bij>97% reflectiviteit. Verbeterde zilvercoatings zorgen ervoor dat de reflectiviteit boven de 98% ligt in het zichtbare bereik, maar vereisen een zorgvuldige behandeling.
• Substraat materiaal — Borosilicaatglas is de standaard en combineert lage kosten met goede thermische stabiliteit. Gesmolten silica heeft de voorkeur voor UV-toepassingen of omgevingen met thermische cycli.

Voor systemen die ook straalsturing en -filtering vereisen, kan een bolvormige spiegel worden gecombineerd platte optische reflectoren voor nauwkeurige straalomleiding or optische glasfilters voor golflengteselectieve regeling is gebruikelijk bij het ontwerpen van laser- en beeldvormingssystemen.

Sferische aberratie: de belangrijkste beperking

Bolvormige spiegels zijn geen perfecte focusseringselementen. Stralen die de spiegel ver van de optische as raken (marginale stralen), concentreren zich op een iets ander punt dan stralen nabij het midden (paraaxiale stralen). Dit is sferische aberratie – en het is inherent aan de sferische geometrie. Voor systemen met een kleine opening en lage NA is dit verwaarloosbaar. Bij toepassingen met een groot diafragma of groothoek verslechtert de beeldkwaliteit merkbaar.

De praktische manieren om sferische aberratie te beheersen zijn: (1) een klein diafragma gebruiken in verhouding tot de brandpuntsafstand (hoog f-getal), (2) combineren met een corrigerende lensgroep, of (3) overstappen op een parabolische spiegel waarbij strakke collimatie niet onderhandelbaar is. Veel telescoopontwerpen maken gebruik van een parabolische primaire, juist omdat sferische aberratie bij grote openingen onaanvaardbaar wordt. Parabolische spiegels kosten echter aanzienlijk meer om te vervaardigen en te testen dan sferische equivalenten. Daarom blijven sferische spiegels de standaard voor wetenschappelijke en industriële optica met een gemiddelde opening.

Toepassingen in verschillende sectoren

Bolvormige spiegels worden in een breder scala aan systemen aangetroffen dan de meeste ingenieurs zich aanvankelijk realiseren:

• Laser-optiek — gebruikt als bundelvergrotende of vouwende elementen in laserholtes, en voor het focusseren van de laseruitvoer bij snij-, graveer- en materiaalverwerkingssystemen.
• Astronomie en telescopen — Newtoniaanse reflectoren gebruiken een concave sferische of parabolische primaire spiegel; sferische ontwerpen werken goed bij brandpuntsverhoudingen boven f/8.
• Microscopie en beeldvorming — concave spiegels dienen als condensorelementen in bepaalde UV- en IR-microscopen waarbij refractieve lenzen chromatische aberratie introduceren.
• Auto- en consumentenoptiek — bolle spiegels bieden een groothoekzicht in rijhulpsystemen. Op maat gemaakte spiegels verschijnen ook in head-up displays (HUD) om instrumentgegevens op de voorruit te projecteren.
• Beveiliging en bewaking — grote convexe bolvormige spiegels in winkel- en verkeersomgevingen bedekken blinde plekken die platte spiegels niet kunnen aanpakken.

Systeemontwerpers die met meerdere typen optische elementen werken, gebruiken er vaak bolvormige spiegels naast precisie optische lenzen voor scherpstelling en collimatie and optische prisma's voor straalafwijking en beeldrotatie .

Behandeling en onderhoud

Reflecterende coatings – vooral zilver en aluminium – zijn zacht en krassen gemakkelijk. Gebruik alleen droge stikstof of schone, olievrije lucht om losse deeltjes te verwijderen. Als nat reinigen onvermijdelijk is, gebruik dan met één beweging methanol of isopropanol van optische kwaliteit op een pluisvrij wattenstaafje. Sleep nooit een droog wattenstaafje over het oppervlak. Bewaar spiegels in afgesloten, gevoerde containers, uit de buurt van vocht en corrosieve gassen, die onbeschermde aluminiumcoatings snel aantasten. Beschermde coatings voegen een harde diëlektrische bovenlaag toe die de chemische en mechanische weerstand aanzienlijk verbetert zonder de reflectiviteit significant te verminderen.

Overwegingen bij inkoop

Op maat gemaakte sferische spiegels – niet-standaard diameters, ongebruikelijke kromtestraal of specifieke coatingvereisten – worden op bestelling vervaardigd door leveranciers van precisie-optica. Doorlooptijden variëren doorgaans van twee tot zes weken, afhankelijk van de complexiteit. Geef bij het specificeren van een aangepast onderdeel het volgende op: diameter, kromtestraal (of brandpuntsafstand), tolerantie van het oppervlak, coatingtype en golflengtebereik, en substraatmateriaal. Duidelijke specificaties voorkomen de meest voorkomende vertragingen bij de inkoop. Voor volumeproductieruns moet u bevestigen dat de fabrikant consistente toleranties voor batches kan aanhouden en bij elke zending interferometrische testrapporten kunnen overleggen.

Voor een volledig overzicht van compatibele optische precisiecomponenten – van sferische spiegels tot wafers en prisma’s – zie de compleet assortiment optische precisiecomponenten .