Piso óptico

Pisos ópticos en estuche. Aproximadamente 2,5 centímetros (1 pulgada) de diámetro. El tercer piso de la izquierda está parado sobre el borde, mostrando el grosor.

Un plano óptico λ / 20 que ha sido recubierto con aluminio, haciendo un espejo de primera superficie

Dos planos ópticos probados con luz láser de 589 nm. Con 2 pulgadas (5,1 cm) de diámetro y 0,5 pulgadas (13 mm) de espesor, ambas superficies son planas dentro de 1/10 de la longitud de onda de la luz (58,9 nm), como lo indican las franjas perfectamente rectas.

Un plano óptico es una pieza de vidrio de grado óptico lapeada y pulida para que quede extremadamente plana en uno o ambos lados, generalmente en unas pocas decenas de nanómetros (mil millonésimas de metro). Se utilizan con una luz monocromática para determinar la planitud (precisión de la superficie) de otras superficies, ya sean ópticas, metálicas, cerámicas o de otro tipo, por interferencia . ^[1] Cuando un piso óptico se coloca sobre otra superficie y se ilumina, las ondas de luz se reflejan tanto en la superficie inferior del piso como en la superficie sobre la que descansa. Esto provoca un fenómeno similar a la interferencia de película delgada . Las ondas reflejadas interfieren, creando un patrón defranjas de interferencia visibles como bandas claras y oscuras. El espacio entre las franjas es menor donde el espacio cambia más rápidamente, lo que indica una desviación de la planitud en una de las dos superficies. Esto es comparable a las curvas de nivel que se encontrarían en un mapa. Una superficie plana se indica mediante un patrón de franjas rectas y paralelas con el mismo espaciado, mientras que otros patrones indican superficies irregulares. Dos franjas adyacentes indican una diferencia en la elevación de la mitad de la longitud de onda de la luz utilizada, por lo que contando las franjas, las diferencias en la elevación de la superficie se pueden medir en más de un micrómetro.

Por lo general, solo una de las dos superficies de un plano óptico se hace plana según la tolerancia especificada, y esta superficie se indica con una flecha en el borde del vidrio.

Los planos ópticos a veces reciben un recubrimiento óptico y se utilizan como espejos de precisión o ventanas ópticas para fines especiales, como en un interferómetro Fabry-Pérot o en una cavidad láser . Los planos ópticos también tienen usos en espectrofotometría .

Prueba de planitud

Prueba de planitud de superficies con planos ópticos. La superficie de la izquierda es plana; la superficie de la derecha es astigmática , con curvaturas en dos direcciones ortogonales.

Una prueba óptica plana en la que el tamaño angular de la fuente de luz es demasiado pequeño. Las franjas de interferencia solo se muestran en el reflejo, por lo que la luz debe parecer más grande que el plano.

Un plano óptico generalmente se coloca sobre una superficie plana para ser probado. Si la superficie está limpia y lo suficientemente reflectante, se formarán bandas de franjas de interferencia de colores del arco iris cuando la pieza de prueba se ilumine con luz blanca. Sin embargo, si se utiliza una luz monocromática para iluminar la pieza de trabajo, como helio, sodio de baja presión o un láser, se formarán una serie de franjas de interferencia claras y oscuras. Estas franjas de interferencia determinan la planitud de la pieza de trabajo, en relación con el plano óptico, dentro de una fracción de la longitud de onda de la luz. Si ambas superficies tienen perfectamente la misma planitud y son paralelas entre sí, no se formarán franjas de interferencia. Sin embargo, suele haber algo de aire atrapado entre las superficies. Si las superficies son planas, pero una pequeña cuña ópticaSi hay aire entre ellos, entonces se formarán franjas de interferencia rectas y paralelas, lo que indica el ángulo de la cuña (es decir: más franjas más delgadas indican una cuña más pronunciada, mientras que menos franjas pero más anchas indican menos de una cuña). La forma de las franjas también indica la forma de la superficie de prueba, porque las franjas con una curva, un contorno o anillos indican puntos altos y bajos en la superficie, como bordes redondeados, colinas o valles, o superficies convexas y cóncavas. ^[2]

Preparación

Tanto el plano óptico como la superficie a probar deben estar extremadamente limpios. La más mínima cantidad de polvo que se deposita entre las superficies puede arruinar los resultados. Incluso el grosor de una raya o una huella dactilar en las superficies puede ser suficiente para cambiar el ancho del espacio entre ellas. Antes de la prueba, las superficies generalmente se limpian muy a fondo. Más comúnmente, acetonase utiliza como agente de limpieza, ya que disuelve la mayoría de los aceites y se evapora por completo, sin dejar residuos. Por lo general, la superficie se limpiará mediante el método de "arrastre", en el que un pañuelo de papel sin pelusa y sin rayones se humedece, estira y arrastra por la superficie, arrastrando consigo las impurezas. Este proceso se suele realizar decenas de veces, asegurando que la superficie esté completamente libre de impurezas. Será necesario utilizar un nuevo tejido cada vez, para evitar la recontaminación de las superficies por el polvo y los aceites previamente eliminados.

Las pruebas a menudo se realizan en una sala limpia u otro entorno libre de polvo, lo que evita que el polvo se asiente en las superficies entre la limpieza y el montaje. A veces, las superficies pueden ensamblarse deslizándolas juntas, lo que ayuda a quitar el polvo que pueda caer sobre el piso. La prueba generalmente se realiza en un ambiente con temperatura controlada para evitar cualquier distorsión en el vidrio, y debe realizarse en una superficie de trabajo muy estable. Después de las pruebas, las superficies planas se limpian de nuevo y se almacenan en un estuche protector, y a menudo se mantienen en un ambiente con temperatura controlada hasta que se vuelven a utilizar.

Encendiendo

Para obtener los mejores resultados de la prueba, se utiliza una luz monocromática, que consta de una sola longitud de onda, para iluminar los planos. Para mostrar las franjas correctamente, se deben tener en cuenta varios factores al configurar la fuente de luz, como el ángulo de incidencia entre la luz y el observador, el tamaño angular de la fuente de luz en relación con la pupila del ojo, y la homogeneidad de la fuente de luz cuando se refleja en el vidrio.

Se pueden utilizar muchas fuentes de luz monocromática. La mayoría de los láseres emiten luz de un ancho de banda muy estrecho y, a menudo, proporcionan una fuente de luz adecuada. Un láser de helio-neón emite luz a 632 nanómetros (rojo), mientras que un láser Nd: YAG duplicado emite luz a 532 nm (verde). Varios diodos láser y láseres de estado sólido bombeados por diodos emiten luz en rojo, amarillo, verde, azul o violeta. Los láseres de tinte se pueden ajustar para emitir casi cualquier color. Sin embargo, los láseres también experimentan un fenómeno llamado moteado láser , que aparece en las franjas.

También se pueden utilizar varias lámparas de gas o de vapor de metal. Cuando se operan a baja presión y corriente, estas lámparas generalmente producen luz en varias líneas espectrales , siendo una o dos líneas las más predominantes. Debido a que estas líneas son muy estrechas, las lámparas se pueden combinar con filtros de ancho de banda estrecho para aislar la línea más fuerte. Una lámpara de descarga de helio producirá una línea a 587,6 nm (amarillo), mientras que una lámpara de vapor de mercurio producirá una línea a 546,1 (verde amarillento). El vapor de cadmio produce una línea a 643,8 nm (rojo), pero el sodio a baja presión produce una línea a 589,3 nm (amarillo). De todas las luces, el sodio de baja presión es el único que produce una sola línea, sin necesidad de filtro.

Las franjas solo aparecen en el reflejo de la fuente de luz, por lo que el plano óptico debe verse desde el ángulo exacto de incidencia con el que la luz incide sobre él. Si se ve desde un ángulo de cero grados (directamente desde arriba), la luz también debe estar en un ángulo de cero grados. A medida que cambia el ángulo de visión, el ángulo de iluminación también debe cambiar. La luz debe colocarse de manera que se pueda ver su reflejo cubriendo toda la superficie. Además, el tamaño angular de la fuente de luz debe ser muchas veces mayor que el ojo. Por ejemplo, si se usa una luz incandescente, las franjas solo pueden aparecer en el reflejo del filamento. Al mover la lámpara mucho más cerca del plano, el tamaño angular se hace más grande y el filamento puede parecer que cubre todo el plano, dando lecturas más claras. A veces, un difusorPuede usarse, como el recubrimiento en polvo dentro de las bombillas esmeriladas, para proporcionar un reflejo homogéneo del vidrio. Normalmente, las mediciones serán más precisas cuando la fuente de luz esté lo más cerca posible del piso, pero el ojo esté lo más lejos posible. ^[3]

Cómo se forman las franjas de interferencia

Cómo funciona la interferencia. La distancia entre la franja brillante (a) y la franja oscura (b) indica un cambio en la longitud de la trayectoria de la luz de 1/2 de la longitud de onda, por lo que un cambio del ancho del espacio de 1/4 de longitud de onda. Entonces, la distancia entre dos franjas brillantes u oscuras indica un cambio en la brecha de 1/2 longitud de onda. La brecha entre las superficies y la longitud de onda de las ondas de luz están muy exageradas.

El diagrama de la derecha muestra un plano óptico que descansa sobre una superficie a probar. A menos que las dos superficies sean perfectamente planas, habrá un pequeño espacio entre ellas (mostrado) , que variará con el contorno de la superficie. La luz monocromática (roja) brilla a través del plano de vidrio y se refleja tanto en la superficie inferior del plano óptico como en la superficie superior de la pieza de prueba, y los dos rayos reflejados se combinan y se superponen . Sin embargo, el rayo que se refleja en la superficie inferior recorre un camino más largo. La longitud de la ruta adicional es igual al doble del espacio entre las superficies. Además, el rayo que se refleja en la superficie inferior sufre una inversión de fase de 180 °, mientras que la reflexión internadel otro rayo desde la parte inferior del plano óptico no provoca inversión de fase. El brillo de la luz reflejada depende de la diferencia en la longitud del camino de los dos rayos:

Interferencia constructiva : en áreas donde la diferencia de longitud de trayectoria entre los dos rayos es igual a un múltiplo impar de la mitad de una longitud de onda (λ / 2) de las ondas de luz, las ondas reflejadas estarán en fase , por lo que los "valles" y "picos" "de las olas coinciden. Por tanto, las ondas se reforzarán (sumarán) y la intensidad de luz resultante será mayor. Como resultado, se observará un área brillante allí.
Interferencia destructiva : en otras ubicaciones, donde la diferencia de longitud de trayectoria es igual a un múltiplo par de media longitud de onda, las ondas reflejadas estarán desfasadas 180 ° , por lo que un "valle" de una onda coincide con un "pico" de la otra ola. Por lo tanto, las ondas se cancelarán (restarán) y la intensidad de luz resultante será más débil o nula. Como resultado, se observará un área oscura allí '.

Si el espacio entre las superficies no es constante, esta interferencia da como resultado un patrón de líneas o bandas brillantes y oscuras llamadas " franjas de interferencia " que se observan en la superficie. Estos son similares a las curvas de nivel.en mapas, revelando las diferencias de altura de la superficie de prueba inferior. El espacio entre las superficies es constante a lo largo de una franja. La diferencia de longitud de la trayectoria entre dos franjas adyacentes brillantes u oscuras es una longitud de onda de la luz, por lo que la diferencia en el espacio entre las superficies es la mitad de la longitud de onda. Dado que la longitud de onda de la luz es tan pequeña, esta técnica puede medir desviaciones muy pequeñas de la planitud. Por ejemplo, la longitud de onda de la luz roja es de aproximadamente 700 nm, por lo que la diferencia de altura entre dos franjas es la mitad, o 350 nm, aproximadamente 1/100 del diámetro de un cabello humano.

Derivación matemática

La variación en el brillo de la luz reflejada en función del ancho del espacio se puede encontrar derivando la fórmula para la suma de las dos ondas reflejadas. Suponga que el eje z está orientado en la dirección de los rayos reflejados. Suponga, por simplicidad, que la intensidad A de los dos rayos de luz reflejados es la misma (esto casi nunca es cierto, pero el resultado de las diferencias de intensidad es solo un contraste más pequeño entre las franjas claras y oscuras). La ecuación para el campo eléctrico del rayo de luz sinusoidal reflejado desde la superficie superior que viaja a lo largo del eje z es ${\ Displaystyle d \,}$

E_{1}(z,t)=A\cos \left({\frac {2\pi z}{\lambda }}-\omega t\right)

donde es la amplitud máxima, λ es la longitud de onda y es la frecuencia angular de la onda. El rayo reflejado desde la superficie inferior se retrasará por la longitud de la trayectoria adicional y la inversión de fase de 180 ° en la reflexión, lo que provocará un cambio de fase con respecto al rayo superior. $A\,$ $\omega =2\pi f\,$ $\phi \,$

E_{2}(z,t)=A\cos \left({\frac {2\pi z}{\lambda }}-\omega t+\phi \right)\,

donde es la diferencia de fase entre las ondas en radianes . Las dos ondas se superpondrán y sumarán: la suma de los campos eléctricos de las dos ondas es ${\textstyle \phi \,}$

E=E_{1}+E_{2}=A\left[\cos \left({\frac {2\pi z}{\lambda }}-\omega t\right)+\cos \left({\frac {2\pi z}{\lambda }}-\omega t+\phi \right)\right]\,

Usando la identidad trigonométrica para la suma de dos cosenos:, esto se puede escribir $\cos a+\cos b=2\cos \left({a+b \over 2}\right)\cos \left({a-b \over 2}\right)\,$

E=2A\cos \left({\phi \over 2}\right)\cos \left({2\pi z \over \lambda }-\omega t+{\phi \over 2}\right)\,

Esto representa una onda en la longitud de onda original cuya amplitud es proporcional al coseno de , por lo que el brillo de la luz reflejada es una función sinusoidal oscilante del ancho del espacio d . La diferencia de fase es igual a la suma del cambio de fase debido a la diferencia de longitud del camino 2 dy el cambio de fase adicional de 180 ° en la reflexión ${\textstyle {\frac {\phi }{2}}}$ ${\textstyle \phi }$ ${\textstyle {2\pi \over \lambda }(2d)\,}$

\phi ={4\pi d \over \lambda }+\pi =2\pi \left({2d \over \lambda }+{1 \over 2}\right)

por lo que el campo eléctrico de la onda resultante será

E=2A\cos \left[\pi \left({2d \over \lambda }+{1 \over 2}\right)\right]\cos \left[{2\pi z \over \lambda }-\omega t+\pi \left({2d \over \lambda }+{1 \over 2}\right)\right]\,

Esto representa una onda oscilante cuya magnitud varía sinusoidalmente entre y cero a medida que aumenta. $2A$ $d$

Interferencia constructiva : el brillo será máximo donde , lo que ocurre cuando $\left|\cos \pi \left({2d \over \lambda }+{1 \over 2}\right)\right|=1\,$
${\begin{aligned}\pi \left({2d \over \lambda }+{1 \over 2}\right)&=n\pi ,\quad n\in {0,1,2,\ldots }\\\Rightarrow d&=\left(n-{1 \over 2}\right){\lambda \over 2}\end{aligned}}$

$\Rightarrow d={\lambda \over 4},{3\lambda \over 4},{5\lambda \over 4},\ldots$

Interferencia destructiva : el brillo será cero (o en el caso más general mínimo) donde , que ocurre cuando $\left|\cos \pi \left({2d \over \lambda }+{1 \over 2}\right)\right|=0\,$
${\begin{aligned}\pi \left({2d \over \lambda }+{1 \over 2}\right)&=\left(n+{1 \over 2}\right)\pi ,\quad n\in {0,1,2,\ldots }\\\Rightarrow d&=n{\lambda \over 2}\end{aligned}}$

$\Rightarrow d=0,{2\lambda \over 4},{4\lambda \over 4},{6\lambda \over 4},\ldots$

Por lo tanto, las franjas brillantes y oscuras se alternan, y la separación entre dos franjas brillantes u oscuras adyacentes representa un cambio en la longitud del intervalo de media longitud de onda (λ / 2).

Precisión y errores

Dos pisos de λ / 10 a 589 nm. Aunque ambas superficies tienen algunas irregularidades, la prueba muestra que ambas son planas entre sí. A medida que avanza el retorcimiento, las franjas delgadas se ensanchan hasta que solo queda una franja.

Una imagen térmica de un piso óptico después de manipularlo durante unos segundos. Las áreas más cálidas aumentan el grosor del piso sobre las áreas más frías, distorsionando la superficie en consecuencia.

Contrariamente a la intuición, los flecos no existen dentro del espacio o el piso en sí. Las franjas de interferencia en realidad se forman cuando todas las ondas de luz convergen en el ojo o la cámara, formando la imagen. Debido a que la imagen es la compilación de todos los frentes de onda convergentes que interfieren entre sí, la planitud de la pieza de prueba solo se puede medir en relación con la planitud del plano óptico. Cualquier desviación en el plano se agregará a las desviaciones en la superficie de prueba. Por lo tanto, una superficie pulida a una planitud de λ / 4 no se puede probar eficazmente con una superficie plana de λ / 4, ya que no es posible determinar dónde se encuentran los errores, pero sus contornos se pueden revelar probando con superficies más precisas como λ / 20 o λ / 50 óptico plano. Esto también significa que tanto la iluminación como el ángulo de visión tienen un efecto sobre la precisión de los resultados.Cuando se ilumina o se ve en ángulo, la distancia que la luz debe recorrer a través del espacio es mayor que cuando se ve e ilumina de frente. Por lo tanto, a medida que el ángulo de incidencia se vuelve más pronunciado, las franjas también parecerán moverse y cambiar. Un ángulo de incidencia de cero grados suele ser el ángulo más deseable, tanto para la iluminación como para la visualización. Desafortunadamente, esto suele ser imposible de lograr a simple vista. MuchosLos interferómetros utilizan divisores de haz para obtener dicho ángulo. Debido a que los resultados son relativos a la longitud de onda de la luz, la precisión también se puede aumentar usando luz de longitudes de onda más cortas, aunque la línea de 632 nm de un láser de helio-neón se usa a menudo como estándar. ^[4]

Ninguna superficie es completamente plana. Por lo tanto, cualquier error o irregularidad que exista en el plano óptico afectará los resultados de la prueba. Los planos ópticos son extremadamente sensibles a los cambios de temperatura, que pueden causar desviaciones temporales de la superficie como resultado de una expansión térmica desigual . El vidrio a menudo experimenta una mala conducción térmica , lo que tarda mucho tiempo en alcanzar el equilibrio térmico . El simple hecho de manipular las superficies planas puede transferir suficiente calor para contrarrestar los resultados, por lo que se utilizan vidrios como el sílice fundido o el borosilicato , que tienen coeficientes de expansión térmica muy bajos. El vidrio debe ser duro y muy estable, y generalmente es muy grueso para evitar que se doble.. Al medir en la escala nanométrica, la más mínima presión puede hacer que el vidrio se flexione lo suficiente como para distorsionar los resultados. Por lo tanto, también se necesita una superficie de trabajo muy plana y estable, en el que la prueba se puede realizar, evitando tanto la plana y la pieza de prueba a partir de la flacidez bajo su peso combinado, a menudo, un rectificado de precisión placa de superficie se utiliza como una superficie de trabajo, proporcionando una mesa estable para realizar pruebas. Para proporcionar una superficie aún más plana, a veces la prueba se puede realizar sobre otro plano óptico, con la superficie de prueba intercalada en el medio.

Planitud absoluta

La planitud absoluta es la planitud de un objeto cuando se mide contra una escala absoluta , en la que el plano de referencia (estándar) está completamente libre de irregularidades. La planitud de cualquier plano óptico es relativa a la planitud del estándar original que se utilizó para calibrarlo. Por lo tanto, debido a que ambas superficies tienen algunas irregularidades, hay pocas formas de conocer la verdadera y absoluta planitud de cualquier plano óptico. La única superficie que puede lograr una planitud casi absoluta es una superficie líquida, como el mercurio, y a veces puede lograr lecturas de planitud dentro de λ / 100, lo que equivale a una desviación de solo 6,32 nm (632 nm / 100). Sin embargo, los planos líquidos son muy difíciles de usar y alinear correctamente, por lo que normalmente solo se utilizan cuando se prepara un plano estándar para calibrar otros planos.^[5]

El otro método para determinar la planitud absoluta es la "prueba de tres planos". En esta prueba, se comparan tres pisos de igual tamaño y forma. Al analizar los patrones y sus diferentes cambios de fase , se pueden extrapolar los contornos absolutos de cada superficie. Por lo general, esto requiere al menos doce pruebas individuales, comparando cada piso con cada uno de los demás en al menos dos orientaciones diferentes. Para eliminar cualquier error, a veces los planos pueden probarse mientras descansan sobre el borde, en lugar de estar acostados, lo que ayuda a prevenir la flacidez. ^[6]^[7]

Retorciéndose

Pisos ópticos que se utilizan para calibrar piezas metálicas

El retorcimiento ocurre cuando casi todo el aire se expulsa de entre las superficies, lo que hace que las superficies se bloqueen entre sí, en parte a través del vacío entre ellas. Cuanto más planas sean las superficies; mejor se retorcerán, especialmente cuando la planitud se extienda hasta los bordes. Si dos superficies son muy planas, pueden exprimirse juntas con tanta fuerza que se necesitará mucha fuerza para separarlas.

Las franjas de interferencia generalmente solo se forman una vez que el plano óptico comienza a retorcerse en la superficie de prueba. Si las superficies están limpias y muy planas, comenzarán a retorcerse casi inmediatamente después del primer contacto. Una vez que comienza el escurrido, a medida que el aire se expulsa lentamente de entre las superficies, se forma una cuña óptica entre las superficies. Las franjas de interferencia se forman perpendiculares a esta cuña. A medida que se expulsa el aire, las franjas parecerán moverse hacia el espacio más grueso, extendiéndose y haciéndose más anchas pero menos. A medida que se expulsa el aire, el vacío que mantiene unidas las superficies se vuelve más fuerte. Por lo general, nunca se debe permitir que el plano óptico se escurra completamente en la superficie, de lo contrario, se puede rayar o incluso romper al separarlos. En algunos casos, si se deja durante muchas horas, es posible que se necesite un bloque de madera para soltarlos.La prueba de planitud con un plano óptico generalmente se realiza tan pronto como se desarrolla un patrón de interferencia viable, y luego las superficies se separan antes de que puedan retorcerse por completo. Debido a que el ángulo de la cuña es extremadamente superficial y el espacio extremadamente pequeño, es posible que el escurrido demore algunas horas en completarse. Deslizar el piso en relación con la superficie puede acelerar el escurrido, pero tratar de expulsar el aire tendrá poco efecto.

Si las superficies no son lo suficientemente planas, si existen películas de aceite o impurezas en la superficie, o si se depositan ligeras partículas de polvo entre las superficies, es posible que no se retuerzan en absoluto. Por lo tanto, las superficies deben estar muy limpias y libres de escombros para obtener una medición precisa. ^[8]

Determinar la forma de la superficie

Escurrido inicial, 532 nm,
Escurrimiento inicial, luz blanca,
Escurriendo, 1 hora,
Escurriendo, 2 horas,
Completamente exprimido,
Totalmente exprimido en luz blanca. La ventana es ligeramente cóncava en lugar de convexa.

Una ventana óptica de vidrio flotado . Al colocar una regla a lo largo de la imagen, adyacente a una franja, y contando cuántas franjas la cruzan, la planitud de la superficie se puede medir a lo largo de cualquier línea. La ventana tiene una planitud de 4–6λ (~ 2100–3100 nm) por pulgada.

Una prueba óptica plana tanto en verde como en rojo. Las longitudes de onda son opuestas casi armónicas (el verde es λ / 4 más corto), por lo que las franjas se superponen cada cuarta franja roja (cada quinta franja verde), interfiriendo para formar franjas amarillas.

Las franjas actúan de forma muy parecida a las líneas de una topografía.mapa, donde las franjas son siempre perpendiculares a la cuña entre las superficies. Cuando comienza el retorcimiento, hay un gran ángulo en la cuña de aire y las franjas se asemejarán a líneas topográficas de cuadrícula. Si los flecos son rectos; entonces la superficie es plana. Si se permite que las superficies se retuerzan por completo y se vuelvan paralelas, las franjas rectas se ensancharán hasta que solo quede una franja oscura y desaparecerán por completo. Si la superficie no es plana, las líneas de la cuadrícula tendrán algunas curvas, lo que indica la topografía de la superficie. Las franjas rectas con curvas pueden indicar una elevación elevada o una depresión. Los flecos rectos con una forma de "V" en el medio indican una cresta o valle que atraviesa el centro, mientras que los flecos rectos con curvas cerca de los extremos indican bordes redondeados o con un borde elevado.

Si las superficies no son completamente planas, a medida que avanza el retorcimiento, los flecos se ensancharán y continuarán doblándose. Cuando estén completamente escurridos, se asemejarán a líneas de topografía de contorno, lo que indica las desviaciones en la superficie. Las franjas redondeadas indican superficies ligeramente inclinadas o ligeramente cilíndricas, mientras que las esquinas estrechas en las franjas indican ángulos agudos en la superficie. Los círculos pequeños y redondos pueden indicar protuberancias o depresiones, mientras que los círculos concéntricos indican una forma cónica. Los círculos concéntricos espaciados desigualmente indican una superficie cóncava o convexa. Antes de que las superficies se retuerzan por completo, estas franjas se distorsionarán debido al ángulo adicional de la cuña de aire, cambiando en los contornos a medida que el aire se expulsa lentamente.

Una sola franja oscura tiene el mismo grosor de espacio, siguiendo una línea que recorre toda la longitud de la franja. La franja brillante adyacente indicará un grosor que es la mitad de la longitud de onda más estrecha o la mitad de la longitud de onda más ancha. Cuanto más finas y más estrechas son las franjas; cuanto más empinada es la pendiente, mientras que las franjas más anchas, más espaciadas, muestran una pendiente menos profunda. Desafortunadamente, es imposible saber si las franjas indican una pendiente cuesta arriba o cuesta abajo desde una sola vista de las franjas, porque las franjas adyacentes pueden ir en cualquier dirección. Un anillo de círculos concéntricos puede indicar que la superficie es cóncava o convexa, que es un efecto similar a la ilusión de la máscara hueca .

Hay tres formas de probar la forma de la superficie, pero la más común es la "prueba de presión con los dedos". En esta prueba, se aplica una ligera presión al piso, para ver en qué dirección se mueven los flecos. Los flecos se alejarán del extremo estrecho de la cuña. Si la superficie de prueba es cóncava, cuando se aplica presión en el centro de los anillos, el piso se flexionará un poco y las franjas parecerán moverse hacia adentro. Sin embargo, si la superficie es convexa, el piso estará en contacto puntual con la superficie en ese lugar, por lo que no tendrá espacio para flexionarse. Por lo tanto, las franjas permanecerán estacionarias, simplemente creciendo un poco más. Si se aplica presión al borde del piso, sucede algo similar. Si la superficie es convexa, el piso se balanceará un poco, haciendo que los flecos se muevan hacia el dedo. Sin embargo,si la superficie es cóncava, el piso se flexionará un poco y los flecos se alejarán del dedo hacia el centro. Aunque esto se llama prueba de presión con "dedos", a menudo se usa un palo de madera o algún otro instrumento para evitar calentar el vidrio (con el mero peso de un palillo de dientes a menudo es suficiente presión).

Otro método consiste en exponer el piso a la luz blanca, permitiendo que se formen franjas de arco iris y luego presionando en el centro. Si la superficie es cóncava, habrá un punto de contacto a lo largo del borde y la franja exterior se oscurecerá. Si la superficie es convexa, habrá un punto de contacto en el centro y la franja central se oscurecerá. Al igual que los colores templados del acero, las franjas serán ligeramente marrones en el lado más estrecho de la franja y azules en el lado más ancho, por lo que si la superficie es cóncava, el azul estará en el interior de los anillos, pero si es convexo, el azul será estar en el exterior.

El tercer método consiste en mover el ojo en relación con el plano. Al mover el ojo desde un ángulo de incidencia de cero grados a un ángulo oblicuo, las franjas parecerán moverse. Si la superficie de prueba es cóncava, las franjas parecerán moverse hacia el centro. Si la superficie es convexa, las franjas se alejarán del centro. Para obtener una lectura verdaderamente precisa de la superficie, la prueba generalmente debe realizarse en al menos dos direcciones diferentes. Como líneas de cuadrícula, las franjas solo representan parte de una cuadrícula, por lo que un valle que atraviesa la superficie solo puede mostrarse como una ligera curva en la franja si corre paralelo al valle. Sin embargo, si el plano óptico se gira 90 grados y se vuelve a probar, las franjas correrán perpendiculares al valle y se mostrarán como una fila de contornos en forma de "V" o "U" en las franjas.Al probar en más de una orientación, se puede hacer un mejor mapa de la superficie.^[9]

Estabilidad a largo plazo

Durante un uso y cuidado razonables, los planos ópticos deben mantener su planitud durante largos períodos de tiempo. Por lo tanto, los vidrios duros con bajos coeficientes de expansión térmica, como la sílice fundida , se utilizan a menudo para el material de fabricación. Sin embargo, algunas mediciones de laboratorio de la temperatura ambiente, superficies ópticas de sílice fundida han mostrado un movimiento consistente con una viscosidad del material del orden de 10 ¹⁷ –10 ¹⁸ Pa · s . ^[10]Esto equivale a una desviación de unos pocos nanómetros durante un período de una década. Debido a que la planitud de una superficie plana óptica es relativa a la planitud de la superficie plana de prueba original, la planitud verdadera (absoluta) en el momento de la fabricación solo se puede determinar realizando una prueba de interferómetro utilizando una superficie plana líquida o realizando una "tres partes planas test ", en el que se analizan por ordenador los patrones de interferencia producidos por tres pisos. Algunas pruebas que se han llevado a cabo han demostrado que a veces se produce una desviación en la superficie de la sílice fundida. Sin embargo, las pruebas muestran que la deformación puede ser esporádica, y solo algunas de las partes planas se deforman durante el período de prueba, algunas se deforman parcialmente y otras permanecen igual. La causa de la deformación se desconoce y nunca sería visible para el ojo humano durante toda la vida.(Un piso de λ / 4 tiene una desviación de superficie normal de 158 nanómetros, mientras que un piso de λ / 20 tiene una desviación normal de más de 30 nm.) Esta deformación solo se ha observado en la sílice fundida, mientras que el vidrio de cal sodada todavía muestra una viscosidad de 10⁴¹ Pa · s, que es muchos órdenes de magnitud mayor. ^[11]

Ver también

Anillos de Newton
Unión de contactos ópticos
Bloque patrón , otro tipo de componente diseñado para la planitud

Referencias

^ Inglés, RE (1953). "Planos ópticos". En Ingalls, Albert G. (ed.). Fabricación de telescopios aficionados, libro tres . Científico americano. págs. 156-162.
^ Metrología y medición de Bewoor - McGraw-Hill 2009 Página 224-230
^ Pruebas de taller óptico por Daniel Malacara - John Wiley and Sons 2009 Página 10-12
^ Metrología y medición de Bewoor - McGraw-Hill 2009 Página 224-230
^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 7 de abril de 2015 . Consultado el 12 de diciembre de 2013 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
^ Manual de metrología óptica: principios y aplicaciones por Toru Yoshizawa - CRC Press 2003 páginas 426–428
^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 18 de diciembre de 2013 . Consultado el 17 de diciembre de 2013 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
^ Manual de ingenieros de fabricación y herramientas por WH Cubberly, Ramon Bakerjian - Sociedad de ingenieros de fabricación 1989Página 12-13
^ Pruebas de taller óptico por Daniel Malacara - John Wiley and Sons 2009 Página 5-9
^ Vannoni, M .; Sordoni, A .; Molesini, G. (2011). "Tiempo de relajación y viscosidad del vidrio de sílice fundido a temperatura ambiente". Física Europea Diario Correo . 34 : 9-14. doi : 10.1140 / epje / i2011-11092-9 . PMID 21947892 .
^ Vannoni, Maurizio; Sordini, Andrea; Molesini, Giuseppe (marzo de 2010). "Deformación a largo plazo a temperatura ambiente observada en sílice fundida" . Optics Express . 18 (5): 5114–5123. Código Bib : 2010OExpr..18.5114V . doi : 10.1364 / OE.18.005114 .

[1] Inglés, RE (1953). "Planos ópticos". En Ingalls, Albert G. (ed.). Fabricación de telescopios aficionados, libro tres . Científico americano. págs. 156-162.

[2] Metrología y medición de Bewoor - McGraw-Hill 2009 Página 224-230

[3] Pruebas de taller óptico por Daniel Malacara - John Wiley and Sons 2009 Página 10-12

[4] Metrología y medición de Bewoor - McGraw-Hill 2009 Página 224-230

[5] "Copia archivada" . Archivado desde el original el 7 de abril de 2015 . Consultado el 12 de diciembre de 2013 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )

[6] Manual de metrología óptica: principios y aplicaciones por Toru Yoshizawa - CRC Press 2003 páginas 426–428

[7] "Copia archivada" . Archivado desde el original el 18 de diciembre de 2013 . Consultado el 17 de diciembre de 2013 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )

[8] Manual de ingenieros de fabricación y herramientas por WH Cubberly, Ramon Bakerjian - Sociedad de ingenieros de fabricación 1989Página 12-13

[9] Pruebas de taller óptico por Daniel Malacara - John Wiley and Sons 2009 Página 5-9

[10] Vannoni, M .; Sordoni, A .; Molesini, G. (2011). "Tiempo de relajación y viscosidad del vidrio de sílice fundido a temperatura ambiente". Física Europea Diario Correo . 34 : 9-14. doi : 10.1140 / epje / i2011-11092-9 . PMID 21947892 .

[11] Vannoni, Maurizio; Sordini, Andrea; Molesini, Giuseppe (marzo de 2010). "Deformación a largo plazo a temperatura ambiente observada en sílice fundida" . Optics Express . 18 (5): 5114–5123. Código Bib : 2010OExpr..18.5114V . doi : 10.1364 / OE.18.005114 .

[1]