Fabricación de espejos grandes

Cuando se trata de sistemas ópticos multiespectrales de largo alcance, los grandes espejos desempeñan un papel integral. Estos sistemas ópticos se utilizan para aplicaciones de defensa, vigilancia y seguimiento, así como para determinadas aplicaciones comerciales. Por ejemplo, se pueden integrar espejos grandes en los sistemas ópticos de aviones como los grandes vehículos aéreos no tripulados. Una aplicación comercial interesante es el monitoreo aéreo a larga distancia de la temperatura de los campos agrícolas mediante infrarrojos. Las aplicaciones más comúnmente reconocidas para espejos grandes se encuentran en la industria aeroespacial para satélites y telescopios.

Los sistemas reflectantes suelen tener una distancia focal larga y están destinados a la vigilancia a larga distancia, posiblemente decenas de kilómetros. Los telescopios reflectantes pueden utilizar uno o más espejos en el eje o fuera del eje para producir imágenes de alta resolución. Muchos telescopios, así como otros sistemas ópticos que utilizan espejos grandes, son sistemas catadióptricos que utilizan una combinación de lentes y espejos curvos; esto maximiza la corrección de errores y permite un campo de visión más amplio. Los espejos grandes adoptan muchas formas, desde esféricas hasta asféricas, parabólicas o libres. Se utilizan para un amplio espectro de luz, incluida la visible, UV e IR. Los espejos se fabrican con materiales como aluminio (Al), silicio (Si), germanio (Ge) y cobre (Cu).

La producción de tales espejos presenta un conjunto único de desafíos para los fabricantes de óptica. Uno es la precisión de la forma de la superficie, ya sea esférica, asférica, parabólica o libre. Los requisitos de tolerancia del orden de 0,2 franjas de luz de HeNe no son infrecuentes. La forma fuera de eje se especifica en sistemas que no pueden tolerar el oscurecimiento central. Estos espejos fuera de eje son sustancialmente más desafiantes en términos de fabricación, prueba y ensamblaje del sistema.

Como los espejos grandes se utilizan a menudo para aplicaciones multiespectrales, deben funcionar a un alto nivel en una amplia gama de longitudes de onda. Esto significa que los espejos deben tener una rugosidad mínima, especialmente cuando se utilizan en longitudes de onda VIS, inferiores a 40 Å RMS, para evitar que la luz se disperse. Además, a medida que la resolución de los detectores aumenta, ha aumentado la demanda de espejos con superficies cada vez más precisas.

Para cumplir con las estrictas especificaciones requeridas, los fabricantes de ópticas deben emplear tecnologías de vanguardia. Ophir utiliza esmerilado y pulido CNC avanzado, así como torneado con diamante, para la producción de espejos esféricos, asféricos, parabólicos y de forma libre de hasta 700 mm de diámetro, ya sea dentro o fuera del eje. Los espejos grandes tienen una tolerancia de radio del 0,05 %, irregularidades inferiores a 0,5 Fr PV, 0,1 Fr RMS a 0,633 μ y una rugosidad inferior a 40 Å RMS, lo que da como resultado una alta precisión y una baja dispersión. Hay varios revestimientos reflectantes patentados disponibles para rendimiento espectral y durabilidad de la superficie.

Veamos el efecto de la figura de la superficie en el rendimiento con un ejemplo sencillo: un diseño totalmente reflectante, similar al clásico telescopio Cassegrain, con un número f de f/3,4.

Los sistemas reflectantes de este tipo son más ventajosos en los casos en los que existe una gran relación entre la distancia focal efectiva (EFL) y la longitud física. En este ejemplo, el EFL es de 1000 mm, mientras que la longitud total de la óptica por sí sola es de 200 mm. Esta proporción de 5 a 1 es poco común en el caso de sistemas refractivos. La MTF de este sistema a 100 pares de líneas por mm (lp/mm) es 0,7 para la longitud de onda de 500 nm. Esto corresponde al límite de difracción.

En este caso simple y totalmente reflectante, con una relación de 5:1 entre EFL y longitud, la curvatura del campo es sustancial y hay un astigmatismo significativo en las posiciones del campo fuera del eje. Esto se puede ver en el gráfico MTF de la Figura 2, donde el rendimiento del campo de 0,25° está muy degradado. Por esta razón, nuestro ejemplo simple es sólo para ilustración y no debe considerarse un diseño práctico.

En general, se necesitan elementos refractivos para aplanar el campo. La solución clásica es la placa correctora Schmidt, que se coloca delante del espejo primario, aproximadamente en la misma posición axial que el espejo secundario. Alternativamente, los elementos refractivos entre el espejo secundario y la imagen pueden corregir simultáneamente el campo y cambiar el EFL. La desventaja de los elementos refractivos en el sistema es que limitan el espectro de longitudes de onda e introducen aberración cromática.

La figura superficial de los elementos reflectantes es extremadamente importante para los sistemas de alta resolución. La cantidad de error del frente de onda causado por una determinada irregularidad de la superficie en la reflexión es más del doble que el causado por la misma superficie en la refracción. Para modelar la relación entre la irregularidad de la superficie y el rendimiento de la resolución de imágenes, aplicamos el término 11 del estándar Zernike en el espejo primario. Luego se traza el MTF del campo central frente al error de superficie RMS para cinco casos representativos.

Los errores RMS de tan solo 0,02 μ pueden ser significativos en sistemas de luz visible de alta resolución; esto equivale a 0,03λ RMS a λ=633 nm de longitud de onda de prueba. Para sistemas IR en la región de longitud de onda de 4 μ, el límite de resolución de difracción es mucho menor, por lo que se pueden tolerar errores RMS de hasta 0,1 μ.

La producción de espejos grandes y de precisión presenta sus propios desafíos. En primer lugar, la elección de la materia prima es crucial, especialmente en el caso de los espejos de aluminio torneado con diamante. A menudo recomendamos el uso de RSA 6061, la súper aleación de aluminio patentada, para aplicaciones multiespectrales. Este material permite niveles bajos de rugosidad superficial, inalcanzables con el Al 6061 convencional. Si bien una rugosidad más alta generalmente no tiene consecuencias en los sistemas IR, una rugosidad superficial baja es vital para aplicaciones visibles y SWIR. RSA 6061 tiene la ventaja adicional de ser algo más fuerte que el AI 6061 convencional.

Otro aspecto clave del diseño es que la superficie posterior del espejo debe permitir un montaje sin tensiones. Tras el montaje, el espejo no debe permitir que la tensión traspase la superficie óptica. A menudo nos encontramos con roscas perforadas en los bocetos cerca de la superficie del espejo, lo que casi con seguridad provoca una distorsión de la imagen. También debe haber una superficie amplia para sujetar el espejo en las máquinas de corte.

El entorno de producción es otra preocupación central. El aluminio tiene un coeficiente de expansión térmica relativamente alto (αL=~26 m/moC) en comparación con otros materiales torneados con diamante, como el germanio. Por lo tanto, las áreas de producción deben tener temperatura controlada y aislamiento sísmico.

Al diseñar espejos de aluminio, los diseñadores deben aprovechar el hecho de que la máquina de torneado de diamante es en realidad un sofisticado torno CNC. Por lo tanto, se pueden alcanzar dimensiones mecánicas críticas con tolerancias exigentes. Por ejemplo, la distancia "d" en la Figura 4, que puede ser la distancia entre el centro del espejo cóncavo y una superficie de montaje plana, puede ser de unas pocas micras, ya que ambas superficies se pueden generar con la misma herramienta. Superficies como estas permiten un montaje preciso y sencillo, debido a su alto grado de planitud y rugosidad.

La limpieza de los espejos es otra parte importante del proceso de producción. En general, limpiar el aluminio no es un procedimiento trivial y preparar los espejos para probarlos y recubrirlos es una habilidad esencial. Nos aseguramos de que todos los espejos se limpien a fondo y con cuidado inmediatamente después de finalizar el torneado con diamante, eliminando imperfecciones cosméticas.

Quizás el aspecto más crítico del proceso de producción sea la capacidad de medir con precisión y confiabilidad. Las ópticas tienen muchas opciones para medir estas superficies. Históricamente, las parábolas han sido la forma preferida de los espejos grandes, y este contorno cónico especial se mide fácilmente mediante el método de autocolimación. En teoría, las parábolas por sí solas también prometen una baja aberración esférica. Un sistema típico de autocolimación consta de un interferómetro comercial, una esfera de transmisión y un gran espejo plano con un orificio central. Sin embargo, las aberraciones inherentes a cada uno de los componentes de estos sistemas aumentan el error general. A menudo, los errores incorporados se pueden compensar realizando una calibración y anulación bastante complicadas. En cambio, Ophir utiliza esferas de transmisión precisas de Fizeau para reducir estos errores integrados. Otra desventaja del sistema de autocolimación es que medir el radio de curvatura es complicado y complicado. Esto se magnifica especialmente en espejos sin centros.

En los últimos años, los diseños se han alejado de las parábolas puras y ha aumentado el uso de varias asferas. Por lo tanto, las ópticas deben estar equipadas con herramientas versátiles para medir una amplia variedad de espejos asféricos. Un Zygo VFA Asphere nos permite medir con precisión la mayoría de grandes espejos asféricos. Al medir espejos que no tienen centro, el Zygo VFA requiere un tapón central artificial, lo que añade algo más de incertidumbre a la ecuación. Sin embargo, el radio de curvatura se puede adquirir con un alto grado de precisión y baja incertidumbre.

Para requisitos muy exigentes, utilizamos regularmente un CGH (holograma generado por computadora) o un DFNL (lente nula difractiva de Fizeau). Ambos permiten la medición extremadamente precisa de espejos asféricos. Estas herramientas a menudo agregan características adicionales, lo que permite medir el radio de curvatura y la irregularidad de la superficie en conjunto. Una clara ventaja del DFNL sobre otros métodos de medición asféricos, para superficies con F#>1, es que el DFNL en sí es el único componente necesario para comprobar la asfera. Para estas superficies, el DFNL es capaz de doblar y colimar la luz y crear un nulo.

Luego, los operadores pueden utilizar datos de salida interferométricos para crear programas de corrección de retroalimentación. Estas operaciones dependen de procesos altamente precisos, con una certeza muy alta. Esta característica de “Corrección de medición” es tan exitosa como la precisión e incertidumbre del proceso de medición. En general, las funciones de corrección de medición solo corrigen errores simétricos. Debido a esto, los problemas asimétricos, como la tensión de montaje o los problemas térmicos, no se pueden solucionar.

En la figura 3 podemos ver los resultados de un espejo de aluminio de Φ190 mm. Los resultados bajos muestran una aberración esférica de menos de 0,02 λ RMS, lograda utilizando herramientas y equipos avanzados. A menudo, el proceso de recubrimiento puede degradar los resultados. En estos casos, estos efectos deben tenerse en cuenta en los cálculos. La naturaleza multiespectral de largo alcance de los sistemas ópticos con espejos grandes presenta un desafío para los fabricantes de óptica. Sin embargo, utilizando tecnologías avanzadas, estos espejos se pueden producir para cumplir con los requisitos, con una precisión suficientemente alta para cumplir con las especificaciones de rendimiento actuales.

Este artículo fue escrito por el Dr. Nissim Asida, I+D, director de ingeniería y director de tecnología; Eliyahu Bender, físico; y David Alexander, ingeniero óptico senior; Óptica Ophir (Jerusalén, Israel). Para mas informacion, visite aqui .

Este artículo apareció por primera vez en la edición de enero de 2022 de la revista Photonics & Imaging Technology.

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