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Fabricación y pruebas ópticas

La fabricación y el ensayo ópticos comprenden el proceso de fabricación y ensayo de componentes ópticos . Abarca una amplia gama de procedimientos de fabricación y configuracion...

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La fabricación y el ensayo ópticos comprenden el proceso de fabricación y ensayo de componentes ópticos . Abarca una amplia gama de procedimientos de fabricación y configuraciones de ensayo óptico.

La fabricación de una lente esférica convencional generalmente comienza con la generación de la forma básica de la óptica mediante el pulido de un bloque de vidrio. [ 1 ] Esto se puede hacer, por ejemplo, con herramientas de anillo. A continuación, la superficie de la lente se pule hasta obtener su forma final. Normalmente, esto se hace mediante el lapeado : rotar y frotar la superficie rugosa de la lente contra una herramienta con la forma de superficie deseada, con una mezcla de abrasivos y fluido entre medias. Normalmente se utiliza una herramienta de brea tallada para pulir la superficie de una lente. La mezcla de abrasivo se llama suspensión y generalmente está hecha de óxido de cerio o de circonio en agua con lubricantes añadidos para facilitar el movimiento de la herramienta de brea sin que se adhiera a la lente. El tamaño de partícula en la suspensión se ajusta para obtener la forma y el acabado deseados.

Los tipos de lapeado incluyen el lapeado planetario, el lapeado de doble cara y el lapeado cilíndrico. [ 2 ]

Durante el pulido, la lente puede someterse a pruebas para confirmar que se está produciendo la forma deseada y para asegurar que la forma final tenga la forma correcta dentro de la precisión permitida. La desviación de una superficie óptica con respecto a la forma correcta se expresa típicamente en fracciones de longitud de onda , para alguna longitud de onda de luz conveniente (quizás la longitud de onda a la que se utilizará la lente, o una longitud de onda visible para la que se dispone de una fuente). Las lentes económicas pueden tener desviaciones de forma tan grandes como varias longitudes de onda (λ, 2λ, etc.). Las lentes industriales más típicas tendrían desviaciones no mayores a un cuarto de longitud de onda (λ/4). Las lentes de precisión para su uso en aplicaciones como láseres , interferómetros y holografía tienen superficies con una tolerancia de una décima de longitud de onda (λ/10) o mejor. Además del perfil de la superficie, una lente debe cumplir con los requisitos de calidad de la superficie (arañazos, picaduras, motas, etc.) y precisión dimensional.

Técnicas de fabricación

Entre las técnicas no convencionales se incluyen el torneado con diamante de un solo punto (SPDT) y el acabado magnetorreológico (MRF). [ 3 ]

Rectificado sin abrasivos

El rectificado con abrasivos libres es una técnica para desgastar la superficie de un material antes del pulido. Consiste en el uso de pequeñas partículas abrasivas para eliminar pequeñas virutas de material de la superficie de una pieza óptica. Estas partículas se conocen como abrasivos libres. Se añaden a una suspensión líquida que se coloca entre una placa abrasiva y el material. Se utilizan movimientos de deslizamiento entre la placa abrasiva y el material. [ 4 ]

Tras el pulido, se observa una ligera rugosidad superficial, que depende del tamaño del grano. También se produce una pequeña fractura bajo la superficie del material, conocida como daño subsuperficial (SSD). [ 4 ]

Para reducir la rugosidad superficial y el daño subsuperficial, se puede realizar un rectificado adicional con un tamaño de grano más pequeño. [ 4 ] Normalmente, se utilizan dos o tres etapas de rectificado, con tamaños de grano decrecientes en la segunda y tercera etapa. Por ejemplo, una secuencia típica de etapas de grano es de 30 micrómetros, luego 15 micrómetros y luego 9 micrómetros. Otra secuencia típica de etapas de grano es de 20 micrómetros, luego 12 micrómetros y luego 5 micrómetros. [ 4 ]

Entre los tipos de abrasivos se incluyen el óxido de aluminio , el diamante industrial y el carburo de silicio . El diamante se utiliza normalmente solo para desbastar materiales muy duros o ciertos cristales. [ 5 ]

Pulido

Las lentes se pulen en una suspensión de partículas abrasivas, un fluido portador y aditivos opcionales. [ 6 ] Entre los tipos de partículas abrasivas que se pueden utilizar se incluyen el óxido de cerio(IV) , el diamante, el óxido de aluminio y la sílice coloidal . [ 6 ] Los aditivos opcionales incluyen agentes de suspensión, lubricantes y detergentes. [ 6 ]

Materiales

Existen diversos materiales que pueden utilizarse para componentes ópticos, incluyendo varios tipos de vidrio, sílice fundida , silicio y cuarzo cristalino. [ 7 ] El fluoruro de calcio (CaF 2 ) puede utilizarse como material óptico, aunque se fractura y raya con facilidad. [ 7 ]

Los materiales para componentes ópticos infrarrojos incluyen seleniuro de zinc (ZnSe), sulfuro de zinc (ZnS) y arseniuro de galio (GaAs). [ 7 ]

Presupuesto

Las especificaciones de los componentes ópticos varían según su tipo:

Las especificaciones para prismas incluyen error piramidal, trayectoria del haz, desplazamiento y desviación del haz, ángulo de la base, astillas en el borde del techo, frente de onda y polarización. [ 8 ]

Las especificaciones para lentes asféricas incluyen radio base con tolerancia, coeficientes cónicos y polinómicos, referencia de esfera de mejor ajuste, referencia de tabla de flecha, tolerancia de error de flecha, errores de pendiente en función del ancho de banda, frente de onda por prueba especificada, inclinación y descentramiento. [ 8 ]

Las especificaciones del recubrimiento óptico incluyen aperturas, reflexión, transmisión, absorción, desplazamiento de fase, adhesión, resistencia a la abrasión y umbral de daño. [ 8 ]

Para evitar la pérdida irreparable que supone no alcanzar el espesor mínimo, los ópticos se esfuerzan por cumplir todas las demás especificaciones de un componente óptico con el espesor máximo permitido dentro de la tolerancia. [ 9 ]

Calidad de la superficie

La calidad de la superficie es el estado de la superficie de un componente óptico. Indica la presencia de imperfecciones, como arañazos y picaduras. [ 10 ] Normalmente se clasifica según las especificaciones de rayado-picadura (SD). [ 11 ]

Las normas para especificar la calidad de la superficie incluyen la Especificación de Rendimiento Militar de EE. UU. MIL-PRF-13830B e ISO 10110. [ 10 ] MIL-PRF-13830B era anteriormente MIL-O-13830a. Otras normas incluyen MIL-C-48497a y MIL-F-48616, que están formalmente inactivas y se aplican solo a recubrimientos. [ 11 ] Estas tres normas militares carecen de especificaciones para parámetros estadísticos de la superficie, como la rugosidad cuadrática media, el error de pendiente y la ondulación. [ 11 ] Una extensión y mejora de MIL-PRF es la norma ANSI/OEOSC OP1.002. [ 11 ]

Técnicas de ensayo

El interferómetro de Fizeau es el tipo estándar de interferómetro que se utiliza en la fabricación óptica. [ 12 ]

La interferometría de unión se puede utilizar para probar superficies asféricas. Consiste en realizar pruebas de subapertura que se unen para formar una única imagen de alta resolución. [ 13 ]

Véase también

Notas y referencias

  1. ↑ Shorey, Aric B.; Golini, Don; Kordonski, William (octubre de 2007). "Acabado superficial de óptica compleja". Optics and Photonics News . 18 (10). Optical Society of America: 14–16 .
  2. ↑ Williamson, Ray (2011). Guía de campo para la fabricación óptica . Guías de campo de SPIE. Bellingham, Wash: SPIE Press. págs. 45–48 . ISBN  978-0-8194-8676-9.
  3. ↑ Williamson, Ray (2011). Guía de campo para la fabricación óptica . Guías de campo de SPIE. Bellingham, Wash: SPIE Press. ISBN 978-0-8194-8676-9.
  4. 1 2 3 4 Williamson, Ray (2011). Guía de campo para la fabricación óptica . Guías de campo de SPIE. Bellingham, Wash: SPIE Press. pág. 26. ISBN  978-0-8194-8676-9.
  5. ↑ Williamson, Ray (2011). Guía de campo para la fabricación óptica . Guías de campo de SPIE. Bellingham, Wash: SPIE Press. pág. 27. ISBN  978-0-8194-8676-9.
  6. 1 2 3 Williamson, Ray (2011). Guía de campo para la fabricación óptica . Guías de campo de SPIE. Bellingham, Wash: SPIE Press. pág. 38. ISBN  978-0-8194-8676-9.
  7. 1 2 3 Williamson, Ray (2011). Guía de campo para la fabricación óptica . Guías de campo de SPIE. Bellingham, Wash: SPIE Press. pág. 8. ISBN  978-0-8194-8676-9.
  8. 1 2 3 Williamson, Ray (2011). Guía de campo para la fabricación óptica . Guías de campo de SPIE. Bellingham, Wash: SPIE Press. pág. 10. ISBN  978-0-8194-8676-9.
  9. ↑ Williamson, Ray (2011). Guía de campo para la fabricación óptica . Guías de campo de SPIE. Bellingham, Wash: SPIE Press. pág. 11. ISBN  978-0-8194-8676-9.
  10. 1 2 "Comprensión de las especificaciones de calidad de la superficie" . Edmund Optics . Archivado del original el 16 de diciembre de 2023.
  11. 1 2 3 4 Williamson, Ray (2011). Guía de campo para la fabricación óptica . Guías de campo de SPIE. Bellingham, Wash: SPIE Press. pág. 7. ISBN  978-0-8194-8676-9.
  12. ↑ Williamson, Ray (2011). Guía de campo para la fabricación óptica . Guías de campo de SPIE. Bellingham, Wash: SPIE Press. pág. 87. ISBN  978-0-8194-8676-9.
  13. ↑ Williamson, Ray (2011). Guía de campo para la fabricación óptica . Guías de campo de SPIE. Bellingham, Wash: SPIE Press. pág. 12. ISBN  978-0-8194-8676-9.
  • Malacara, D., Pruebas en tiendas de óptica - Segunda edición , John Wiley and Sons, 1992, ISBN 0-471-52232-5
  • Fábrica virtual de lentes, Museo de la Cámara Canon. Vídeos instructivos de los procesos, dentro de una interfaz web Flash.