Fabricação de espelhos grandes

Quando se trata de sistemas ópticos multiespectrais de longo alcance, os grandes espelhos desempenham um papel fundamental. Esses sistemas ópticos são utilizados para aplicações de defesa, vigilância e monitoramento, bem como para determinadas aplicações comerciais. Por exemplo, grandes espelhos podem ser integrados nos sistemas ópticos de aeronaves, como grandes UAVs. Uma aplicação comercial interessante é o monitoramento aéreo de longa distância da temperatura do campo agrícola usando infravermelho. As aplicações mais comumente reconhecidas para grandes espelhos estão na indústria aeroespacial para satélites e telescópios.

Os sistemas reflexivos são geralmente de longa distância focal e destinados à vigilância de longa distância, possivelmente dezenas de quilômetros. Os telescópios reflexivos podem usar um ou mais espelhos dentro ou fora do eixo para produzir imagens de alta resolução. Muitos telescópios, bem como outros sistemas ópticos que utilizam grandes espelhos, são sistemas catadióptricos que utilizam uma combinação de lentes e espelhos curvos – isto maximiza a correção de erros, permitindo um campo de visão mais amplo. Grandes espelhos assumem vários formatos, desde esféricos até asféricos, parabólicos ou livres. Eles são usados ​​para um amplo espectro de luz, incluindo visível, UV e IR. Os espelhos são fabricados a partir de materiais como alumínio (Al), silício (Si), germânio (Ge) e cobre (Cu).

A produção de tais espelhos apresenta um conjunto único de desafios para os fabricantes ópticos. Uma delas é a precisão da forma da superfície – seja ela esférica, asférica, parabólica ou livre. Requisitos de tolerância da ordem de 0,2 franjas de luz HeNe não são incomuns. A forma fora do eixo é especificada em sistemas que não toleram o obscurecimento central. Esses espelhos fora do eixo são substancialmente mais desafiadores em termos de fabricação de espelhos, testes e montagem do sistema.

Como espelhos grandes são frequentemente usados ​​para aplicações multiespectrais, eles devem ter um desempenho de alto nível em uma ampla faixa de comprimentos de onda. Isso significa que os espelhos devem ter rugosidade mínima, principalmente quando utilizados no comprimento de onda VIS, inferior a 40Å RMS, para evitar a dispersão da luz. Além disso, à medida que a resolução dos detectores aumenta, tem havido um crescimento na procura de espelhos com superfícies cada vez mais precisas.

Para atender às rigorosas especificações exigidas, os fabricantes ópticos devem empregar tecnologias de ponta. A Ophir utiliza retificação e polimento CNC avançados, bem como torneamento diamantado, para a produção de espelhos esféricos, asféricos, parabólicos e de forma livre de até 700 mm de diâmetro, dentro ou fora do eixo. Espelhos grandes têm uma tolerância de raio de 0,05%, irregularidades inferiores a 0,5Fr PV, 0,1Fr RMS a 0,633μ e uma rugosidade inferior a 40Å RMS, resultando em alta precisão e baixa dispersão. Vários revestimentos reflexivos proprietários estão disponíveis para desempenho espectral e durabilidade da superfície.

Vejamos o efeito da figura da superfície no desempenho com um exemplo simples, um design totalmente reflexivo, semelhante ao telescópio Cassegrain clássico, com um número f de f/3.4.

Os sistemas reflexivos deste tipo são mais vantajosos nos casos em que existe uma grande proporção entre a distância focal efetiva (EFL) e a distância física. Neste exemplo, o EFL é de 1000 mm, enquanto o comprimento total apenas da óptica é de 200 mm. Essa proporção de 5 para 1 é incomum no caso de sistemas refrativos. O MTF deste sistema a 100 pares de linhas por mm (lp/mm) é 0,7 para o comprimento de onda de 500 nm. Isto corresponde ao limite de difração.

Neste caso simples e totalmente reflexivo, com a proporção de 5:1 entre EFL e comprimento, a curvatura do campo é substancial e há astigmatismo significativo nas posições do campo fora do eixo. Isso pode ser visto no gráfico MTF da Figura 2, onde o desempenho do campo de 0,25° é muito degradado. Por esta razão, nosso exemplo simples é apenas ilustrativo e não deve ser considerado um projeto prático.

Em geral, são necessários elementos refrativos para nivelar o campo. A solução clássica é a placa corretora Schmidt, que é colocada na frente do espelho primário, aproximadamente na mesma posição axial do espelho secundário. Alternativamente, os elementos refrativos entre o espelho secundário e a imagem podem corrigir simultaneamente o campo e alterar o EFL. A desvantagem dos elementos refrativos no sistema é que eles limitam o espectro de comprimento de onda e introduzem aberração cromática.