La fabricación y prueba óptica es el proceso de fabricación y prueba de componentes ópticos . Abarca una amplia gama de procedimientos de fabricación y configuraciones de prueba óptica.
La fabricación de una lente esférica convencional comienza típicamente con la generación de la forma aproximada de la óptica mediante el pulido de una pieza bruta de vidrio. [1] Esto se puede hacer, por ejemplo, con herramientas de anillo. A continuación, la superficie de la lente se pule hasta su forma final. Por lo general, esto se hace mediante lapeado , es decir, girando y frotando la superficie áspera de la lente contra una herramienta con la forma de superficie deseada, con una mezcla de abrasivos y líquido en el medio. Por lo general, se utiliza una herramienta de paso tallado para pulir la superficie de una lente. La mezcla de abrasivos se llama suspensión y generalmente está hecha de óxido de cerio o circonio en agua con lubricantes agregados para facilitar el movimiento de la herramienta de paso sin pegarse 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 probarse para confirmar que se está produciendo la forma deseada y para garantizar que la forma final tenga la forma correcta dentro de la precisión permitida. La desviación de una superficie óptica de la forma correcta se expresa típicamente en fracciones de una longitud de onda , para alguna longitud de onda conveniente de luz (quizás la longitud de onda en la que se usará la lente, o una longitud de onda visible para la cual hay una fuente disponible). 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 uso en aplicaciones como láseres , interferómetros y holografía tienen superficies con una tolerancia de una décima parte de una 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 (rayones, picaduras, motas, etc.) y precisión de las dimensiones.
Las técnicas no convencionales incluyen el torneado de diamante de una sola punta (SPDT) y el acabado magnetorreológico (MRF). [3]
El pulido con abrasivo libre es una técnica para pulir la superficie de un material antes de pulirlo. Implica el uso de pequeñas partículas de arena para eliminar pequeñas virutas de material de la superficie de una pieza óptica. Las partículas de arena se conocen como abrasivos libres. Las partículas se agregan a una suspensión líquida, que se coloca entre una placa de pulido y el material. Se utilizan movimientos deslizantes entre la placa de pulido y el material. [4]
Después del pulido, queda una pequeña cantidad de rugosidad superficial, que se basa en el tamaño del grano. También hay una pequeña cantidad de fractura debajo de la superficie del material, conocida como daño subsuperficial (SSD). [4]
Para reducir la cantidad de rugosidad de la superficie y el daño subsuperficial, se puede realizar un pulido adicional con un tamaño de grano más pequeño. [4] Por lo general, se utilizan dos o tres etapas de pulido, y la segunda y la tercera tienen un tamaño que va disminuyendo. Por ejemplo, un conjunto típico de etapas de grano es de 30 micrómetros, luego de 15 micrómetros y luego de 9 micrómetros. Un conjunto alternativo de etapas de grano típicas es de 20 micrómetros, luego de 12 micrómetros y luego de 5 micrómetros. [4]
Los tipos de abrasivos incluyen óxido de aluminio , diamante industrial y carburo de silicio . El diamante generalmente se utiliza solo para moler materiales muy duros o para ciertos cristales. [5]
Las ópticas se pulen en una suspensión de partículas abrasivas, un portador de fluido y aditivos opcionales. [6] Los tipos de partículas abrasivas que se pueden utilizar incluyen óxido de cerio (IV) , diamante, óxido de aluminio y sílice coloidal . [6] Los aditivos opcionales incluyen agentes de suspensión, lubricantes y detergentes. [6]
Existen diversos materiales que pueden utilizarse para componentes ópticos, incluidos varios tipos de vidrio, sílice fundida , silicio y cuarzo cristal. [7] El fluoruro de calcio (CaF2) puede utilizarse como material óptico, aunque se fractura y se 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]
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, defectos en el borde del techo, frente de onda y polarización. [8]
Las especificaciones para lentes asféricas incluyen radio base con tolerancia, coeficientes cónicos y polinomiales, referencia de esfera de mejor ajuste, referencia de tabla de curvatura, tolerancia de error de curvatura, errores de pendiente versus ancho de banda, frente de onda por prueba especificada, inclinación y descentramiento. [8]
Las especificaciones del recubrimiento óptico incluyen aperturas, reflexión, transmisión, absorción, cambio de fase, adhesión, resistencia a la abrasión y umbral de daño. [8]
Para evitar la pérdida irrecuperable que supone estar por debajo del 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]
La calidad de la superficie es el estado de la superficie de un componente óptico. Indica la presencia de imperfecciones, como rayones y picaduras. [10] Generalmente se clasifica según las especificaciones de raspado y excavación (SD). [11]
Las normas para especificar la calidad de la superficie incluyen la especificación de rendimiento militar estadounidense MIL-PRF-13830B y la ISO 10110. [10] La MIL-PRF-13830B era anteriormente la MIL-O-13830a. Otras normas incluyen la MIL-C-48497a y la MIL-F-48616, que están formalmente inactivas y se aplican solo a los revestimientos. [11] Las tres normas militares carecen de especificaciones para los parámetros estadísticos de la superficie, como la rugosidad cuadrática media, el error de pendiente y la ondulación. [11] Una extensión y mejora de la MIL-PRF es la norma ANSI/OEOSC OP1.002. [11]
El interferómetro Fizeau es el tipo estándar de interferómetro que se utiliza en la fabricación óptica. [12]
La interferometría de unión se puede utilizar para probar asferas. Implica realizar pruebas de subapertura que se unen para formar una única imagen de alta resolución. [13]