광학 구면 거울: 유형, 사양 및 응용 가이드

잘못된 미러 형상을 선택하면 전체 광학 시스템이 보상을 받습니다. 즉, 초점 저하, 미광 또는 간과된 구성 요소 하나를 추적하는 측정 오류 등이 있습니다. 광학 구면 거울은 정밀 광학 분야에서 가장 다양한 용도로 사용되는 반사 요소 중 하나이지만 이를 효과적으로 사용하려면 거울의 장점과 알려진 한계를 모두 이해해야 합니다.

광학 구면 거울이란 무엇입니까?

구형 거울은 구의 일부를 형성하는 반사 표면을 가지고 있습니다. 어느 면이 반사되는지에 따라 다음 중 하나로 분류됩니다. 오목거울 (내부 표면) 또는 볼록거울 (외부 표면). 이 두 가지 유형은 빛에 따라 근본적으로 다르게 작동하며 서로 다른 용도에 적합합니다.

주요 광학 매개변수는 곡률 반경(R)입니다. 초점 거리(f)는 간단히 말해서 다음과 관련이 있습니다. f = R/2 . 곡률 반경이 200mm인 거울의 초점 거리는 100mm입니다. 이 관계는 거울이 이미지를 형성하는 방식과 빔 포커싱 또는 발산을 처리하는 방식을 제어합니다.

오목형과 볼록형: 올바른 유형 선택

오목 거울은 빛을 수렴합니다. 표면에 닿는 평행 광선은 모두 초점을 통해 반사됩니다. 따라서 오목 거울은 빔 집중, 태양열 수집 및 망원경 주 거울에 적합한 선택입니다. 또한 확대된 실제 이미지를 생성할 수 있기 때문에 화장용 거울, 치과용 거울 및 과학 영상 장비에 사용됩니다.

볼록거울은 빛을 발산하여 물체의 위치에 관계없이 항상 수직의 축소된 가상 이미지를 생성합니다. 넓은 시야각 덕분에 차량 사이드 미러, 매장 보안 미러, 교차로 안전 미러의 표준이 되었습니다. 파노라마 범위를 위해 깊이 정확도를 희생합니다.

평가할 주요 사양

정밀 시스템을 위한 광학 구면 거울을 소싱할 때 다음 네 가지 사양에 따라 성능이 결정됩니다.

• 표면 그림 정확도 - 파장(λ)의 분수로 측정됩니다. 연구 등급 거울에는 일반적으로 λ/8 이상이 필요합니다. 덜 까다로운 애플리케이션의 경우 λ/4가 허용됩니다. 공차가 엄격할수록 연삭 및 연마 비용이 더 많이 듭니다.
• 표면 거칠기(RMS) — 분산에 영향을 미칩니다. 고출력 레이저 응용 분야에서는 빔 품질을 저하시키는 산란 손실을 방지하기 위해 1nm RMS 미만의 거칠기가 필요한 경우가 많습니다.
• 반사코팅 - 코팅에 따라 사용 가능한 파장 범위와 피크 반사율이 결정됩니다. 보호된 알루미늄은 약 85~90% 반사율로 UV부터 근적외선(~250~700nm)까지 커버합니다. 보호된 금은 >97% 반사율로 중간 IR 용도(>700 nm)에 적합합니다. 향상된 은 코팅은 가시 범위에서 반사율을 98% 이상으로 높이지만 취급 시 주의가 필요합니다.
• 기판 재료 — 붕규산 유리는 저렴한 비용과 우수한 열 안정성을 결합한 표준입니다. 용융 실리카는 UV 응용 분야나 열 순환이 있는 환경에 선호됩니다.

빔 조정 및 필터링도 필요한 시스템의 경우 구형 거울을 정확한 빔 방향 전환을 위한 평면 광학 반사판 또는 파장 선택 제어를 위한 광학 유리 필터 레이저 및 이미징 시스템 설계에서 일반적입니다.

구면 수차: 주요 한계

구형 거울은 완벽한 포커싱 요소가 아닙니다. 광축에서 멀리 떨어진 거울에 닿는 광선(주변 광선)은 중심 근처의 광선(근축 광선)과 약간 다른 지점에 초점을 맞춥니다. 이는 구면 수차이며 구면 기하학에 내재되어 있습니다. 작은 조리개, 낮은 NA 시스템의 경우 무시할 수 있습니다. 조리개가 크거나 광각이 필요한 경우 이미지 품질이 눈에 띄게 저하됩니다.

구면 수차를 관리하는 실용적인 방법은 (1) 초점 거리에 비해 작은 조리개를 사용하거나(높은 f-값), (2) 교정 렌즈 그룹과 결합하거나, (3) 엄격한 시준이 불가능한 포물선 거울로 전환하는 것입니다. 많은 망원경 설계에서는 구면 수차가 큰 조리개에서 허용되지 않기 때문에 정확하게 포물선형 기본 렌즈를 사용합니다. 그러나 포물선 거울은 구면 거울보다 제조 및 테스트 비용이 훨씬 더 많이 듭니다. 이것이 바로 구면 거울이 중간 조리개 과학 및 산업용 광학 장치의 기본값으로 남아 있는 이유입니다.

산업 전반에 걸친 응용

구형 거울은 대부분의 엔지니어가 처음에 깨닫는 것보다 더 광범위한 시스템에서 발견됩니다.

• 레이저 광학 - 레이저 공동 내부의 빔 확장 또는 접는 요소로 사용되며 절단, 조각 및 재료 처리 시스템에서 레이저 출력을 집중시키는 데 사용됩니다.
• 천문학과 망원경 — 뉴턴 반사경은 오목한 구형 또는 포물선형 주 거울을 사용합니다. 구형 디자인은 f/8 이상의 초점 비율에서 잘 작동합니다.
• 현미경 및 이미징 — 오목 거울은 굴절 렌즈로 인해 색수차가 발생하는 특정 UV 및 IR 현미경에서 콘덴서 요소 역할을 합니다.
• 자동차 및 소비자 광학 — 볼록 거울은 운전자 지원 시스템에서 광각 시야를 제공합니다. 맞춤형 곡선 미러는 헤드업 디스플레이(HUD)에도 나타나 계기판 데이터를 앞 유리에 투사합니다.
• 보안 및 감시 — 소매 및 교통 환경의 대형 볼록 구형 거울은 평면 거울이 해결할 수 없는 사각지대를 커버합니다.

여러 광학 요소 유형을 다루는 시스템 설계자는 종종 구형 거울과 함께 사용합니다. 포커싱과 콜리메이션을 위한 정밀 광학 렌즈 그리고 빔 편향 및 이미지 회전을 위한 광학 프리즘 .

취급 및 유지보수

반사 코팅(특히 은과 알루미늄)은 부드럽고 긁힘이 쉽습니다. 느슨한 입자를 제거하려면 건조한 질소나 깨끗하고 오일이 없는 공기만 사용하십시오. 습식 청소가 불가피한 경우 보푸라기가 없는 면봉에 광학 등급 메탄올이나 이소프로판올을 한 번만 사용하십시오. 절대로 마른 면봉을 표면 위로 끌지 마십시오. 보호되지 않은 알루미늄 코팅을 빠르게 저하시키는 습기 및 부식성 가스로부터 멀리 떨어진 패딩 처리된 밀봉 용기에 거울을 보관하십시오. 보호 코팅은 반사율을 크게 감소시키지 않으면서 화학적 및 기계적 저항성을 크게 향상시키는 견고한 유전체 오버코트를 추가합니다.

소싱 고려 사항

비표준 직경, 비정상적인 곡률 반경 또는 특정 코팅 요구 사항 등 맞춤형 구면 거울은 정밀 광학 공급업체에서 주문하여 제조됩니다. 리드타임은 일반적으로 복잡성에 따라 2~6주입니다. 맞춤형 부품을 지정할 때 직경, 곡률 반경(또는 초점 거리), 표면 형상 공차, 코팅 유형 및 파장 범위, 기판 재료를 제공하십시오. 명확한 사양은 가장 일반적인 소싱 지연을 방지합니다. 대량 생산 실행의 경우 제조업체가 배치 전반에 걸쳐 일관된 허용 오차를 유지할 수 있는지 확인하고 각 배송마다 간섭계 테스트 보고서를 제공할 수 있습니다.

구형 거울부터 웨이퍼 및 프리즘에 이르기까지 호환되는 정밀 광학 부품에 대한 전체 개요는 다음을 참조하세요. 완전한 정밀 광학 부품 제품군 .