Płaski optyczny - Optical flat

Płaskie wkładki optyczne w etui. Około 2,5 centymetra (1 cal) średnicy. Trzecie mieszkanie od lewej stoi na krawędzi, pokazując grubość.

Płaskie mieszkanie optyczne λ/20, które zostało pokryte aluminium, tworząc lustro pierwszej powierzchni

Przetestowano dwa płaskie optyczne przy użyciu światła laserowego 589 nm. Przy średnicy 2 cali (5,1 cm) i grubości 0,5 cala (13 mm), obie powierzchnie są płaskie z dokładnością do 1/10 długości fali światła (58,9 nm), na co wskazują idealnie proste prążki.

Płaskim optyczny jest kawałek optycznej jakości szkła szlifowanym i polerowana , aby być bardzo płasko na jednej lub obu stronach, na ogół w ciągu kilkudziesięciu nanometrów (miliardowych metra). Są one używane ze światłem monochromatycznym do określania płaskości (dokładności powierzchni) innych powierzchni, zarówno optycznych, metalowych, ceramicznych, jak i innych, poprzez interferencję . Gdy mieszkanie optyczne zostanie umieszczone na innej powierzchni i oświetlone, fale świetlne odbijają się zarówno od dolnej powierzchni mieszkania, jak i od powierzchni, na której się ono znajduje. Powoduje to zjawisko podobne do interferencji cienkowarstwowej . Odbite fale interferują, tworząc wzór prążków interferencyjnych widocznych jako jasne i ciemne pasma. Odstęp między prążkami jest mniejszy tam, gdzie szczelina zmienia się szybciej, wskazując na odejście od płaskości na jednej z dwóch powierzchni. Jest to porównywalne z warstwicami, które można znaleźć na mapie. Płaską powierzchnię wskazuje wzór prostych, równoległych prążków w równych odstępach, podczas gdy inne wzory wskazują na nierówne powierzchnie. Dwie sąsiednie prążki wskazują na różnicę wysokości o połowę długości fali użytego światła, więc licząc prążki można zmierzyć różnice wysokości powierzchni z dokładnością do jednego mikrometra.

Zwykle tylko jedna z dwóch powierzchni mieszkania optycznego jest płaska z określoną tolerancją, a ta powierzchnia jest oznaczona strzałką na krawędzi szkła.

Płaskie powierzchnie optyczne są czasami pokryte powłoką optyczną i wykorzystywane jako precyzyjne lustra lub okna optyczne do specjalnych celów, na przykład w interferometrze Fabry'ego-Pérota lub wnęce laserowej . Płaski optyczne mają również zastosowanie w spektrofotometrii .

Test płaskości

Badanie płaskości powierzchni za pomocą spłaszczeń optycznych. Lewa powierzchnia jest płaska; powierzchnia prawa jest astygmatyczna , z krzywiznami w dwóch prostopadłych kierunkach.

Optyczny test płaski, w którym kątowy rozmiar źródła światła jest zbyt mały. Prążki interferencyjne pojawiają się tylko w odbiciu, więc światło musi wydawać się większe niż mieszkanie.

Płaskownik optyczny jest zwykle umieszczany na badanej płaskiej powierzchni. Jeśli powierzchnia jest czysta i wystarczająco odbijająca, po oświetleniu badanego elementu białym światłem powstaną tęczowe pasma prążków interferencyjnych. Jeśli jednak do oświetlania obrabianego przedmiotu użyje się światła monochromatycznego, takiego jak hel, niskociśnieniowy sód lub laser, wówczas utworzy się seria ciemnych i jasnych prążków interferencyjnych. Te prążki interferencyjne określają płaskość przedmiotu obrabianego w stosunku do płaskiej powierzchni optycznej, z dokładnością do ułamka długości fali światła. Jeśli obie powierzchnie mają idealnie taką samą płaskość i są równoległe do siebie, nie powstaną prążki interferencyjne. Jednak między powierzchniami zwykle znajduje się trochę powietrza. Jeśli powierzchnie są płaskie, ale pomiędzy nimi istnieje niewielki optyczny klin powietrza, wówczas uformują się proste, równoległe prążki interferencyjne, wskazujące kąt klina (tj.: więcej, cieńsze prążki oznaczają bardziej stromy klin, podczas gdy mniej, ale szersze prążki oznaczają mniej klina). Kształt prążków wskazuje również na kształt badanej powierzchni, ponieważ prążki z zagięciem, konturem lub pierścieniami wskazują wysokie i niskie punkty na powierzchni, takie jak zaokrąglone krawędzie, wzgórza lub doliny, lub powierzchnie wypukłe i wklęsłe.

Przygotowanie

Zarówno powierzchnia optyczna, jak i badana powierzchnia muszą być wyjątkowo czyste. Odrobina kurzu osadzająca się między powierzchniami może zepsuć wyniki. Nawet grubość smugi czy odcisku palca na powierzchniach może wystarczyć, aby zmienić szerokość szczeliny między nimi. Przed badaniem powierzchnie są zazwyczaj bardzo dokładnie czyszczone. Najczęściej jako środek czyszczący stosuje się aceton , ponieważ rozpuszcza większość olejów i całkowicie odparowuje, nie pozostawiając śladów. Zazwyczaj powierzchnia jest czyszczona metodą „przeciągania”, w której niestrzępiąca się, wolna od zadrapań chusteczka jest zwilżana, rozciągana i przeciągana po powierzchni, ciągnąc za sobą wszelkie zanieczyszczenia. Proces ten jest zwykle wykonywany kilkadziesiąt razy, dzięki czemu powierzchnia jest całkowicie wolna od zanieczyszczeń. Za każdym razem trzeba będzie użyć nowej chusteczki, aby zapobiec ponownemu zanieczyszczeniu powierzchni wcześniej usuniętym kurzem i olejami.

Testy są często przeprowadzane w czystym pomieszczeniu lub innym środowisku wolnym od kurzu, dzięki czemu kurz nie osadza się na powierzchniach między czyszczeniem a montażem. Czasami powierzchnie można zmontować, zsuwając je ze sobą, co pomaga zeskrobać kurz, który może osiąść na mieszkaniu. Testy są zwykle wykonywane w środowisku o kontrolowanej temperaturze, aby zapobiec zniekształceniom szkła i muszą być wykonywane na bardzo stabilnej powierzchni roboczej. Po przetestowaniu mieszkania są zwykle ponownie czyszczone i przechowywane w etui ochronnym, a często są przechowywane w środowisku o kontrolowanej temperaturze do czasu ponownego użycia.

Oświetlenie

Aby uzyskać najlepsze wyniki testu, do oświetlania mieszkań stosuje się światło monochromatyczne, składające się tylko z jednej długości fali. Aby prążki prawidłowo pokazać, należy podczas ustawiania źródła światła wziąć pod uwagę kilka czynników, takich jak kąt padania światła na obserwatora, wielkość kątowa źródła światła w stosunku do źrenicy oka, oraz jednorodność źródła światła po odbiciu od szkła.

Można zastosować wiele źródeł światła monochromatycznego. Większość laserów emituje światło o bardzo wąskim paśmie i często zapewnia odpowiednie źródło światła. A lasera helowo-neonowego emituje światło przy 632 nm (czerwony), podczas gdy częstotliwość podwojona Nd: YAG emituje światło przy 532 nm (zielony). Różne diody laserowe i pompowane diodami lasery na ciele stałym emitują światło w kolorze czerwonym, żółtym, zielonym, niebieskim lub fioletowym. Lasery barwnikowe można dostroić tak, aby emitowały prawie każdy kolor. Jednak lasery doświadczają również zjawiska zwanego plamką laserową , która pojawia się na obrzeżach.

Można również użyć kilku lamp gazowych lub oparów metali. Podczas pracy pod niskim ciśnieniem i prądem, lampy te wytwarzają światło w różnych liniach widmowych , przy czym jedna lub dwie linie są najbardziej dominujące. Ponieważ linie te są bardzo wąskie, lampy można łączyć z filtrami wąskopasmowymi, aby wyizolować najsilniejszą linię. Lampa wyładowcza helowa wytworzy linię przy 587,6 nm (żółty), podczas gdy lampa rtęciowa wytworzy linię przy 546,1 (żółtawo-zielona). Pary kadmu tworzą linię przy 643,8 nm (czerwony), ale niskociśnieniowy sód tworzy linię przy 589,3 nm (żółty). Ze wszystkich świateł sodowe niskociśnieniowe jest jedynym, które wytwarza pojedynczą linię i nie wymaga filtra.

Prążki pojawiają się tylko w odbiciu źródła światła, więc optycznie płaskie musi być oglądane pod dokładnym kątem padania, pod którym pada na nie światło. Patrząc pod kątem zerowym (bezpośrednio z góry), światło musi być również ustawione pod kątem zerowym. Wraz ze zmianą kąta patrzenia musi się również zmienić kąt oświetlenia. Światło musi być ustawione tak, aby jego odbicie było widoczne na całej powierzchni. Również kątowy rozmiar źródła światła musi być wielokrotnie większy niż oko. Na przykład, jeśli używane jest światło żarowe, prążki mogą pojawiać się tylko w odbiciu żarnika. Przesuwając lampę znacznie bliżej mieszkania, rozmiar kątowy staje się większy, a żarnik może wydawać się pokrywać całe mieszkanie, dając wyraźniejsze odczyty. Czasami można zastosować dyfuzor , taki jak powłoka proszkowa wewnątrz matowych baniek, aby zapewnić jednorodne odbicie od szkła. Zazwyczaj pomiary będą dokładniejsze, gdy źródło światła znajduje się jak najbliżej mieszkania, ale oko jest jak najdalej.

Jak powstają prążki interferencyjne

Jak działa interferencja. Odległość między jasnym prążkiem (a) a ciemnym prążkiem (b) wskazuje na zmianę długości ścieżki światła o 1/2 długości fali, a więc zmianę szerokości przerwy o 1/4 długości fali. Tak więc odległość między dwoma jasnymi lub ciemnymi prążkami wskazuje na zmianę odstępu o 1/2 długości fali. Odstęp między powierzchniami i długość fal świetlnych są mocno przesadzone.

Schemat po prawej pokazuje płaskie optycznie leżące na badanej powierzchni. O ile obie powierzchnie nie są idealnie płaskie, będzie między nimi niewielka szczelina (pokazana) , która będzie się zmieniać w zależności od konturu powierzchni. Światło monochromatyczne (czerwone) przechodzi przez płaskie szkło i odbija się zarówno od dolnej powierzchni płaskiego szkła, jak i od górnej powierzchni próbki, a dwa odbite promienie łączą się i nakładają na siebie . Jednak promień odbijający się od dolnej powierzchni pokonuje dłuższą drogę. Dodatkowa długość ścieżki jest równa dwukrotności odstępu między powierzchniami. Ponadto promień odbijający się od dolnej powierzchni ulega odwróceniu fazy o 180°, podczas gdy wewnętrzne odbicie drugiego promienia od spodu płaskiej powierzchni optycznej nie powoduje odwrócenia fazy. Jasność odbitego światła zależy od różnicy w długości drogi dwóch promieni:

Jeśli odstęp między powierzchniami nie jest stały, to interferencja skutkuje obserwowaniem na powierzchni wzoru jasnych i ciemnych linii lub pasm zwanych „prążkami interferencyjnymi ”. Są one podobne do warstwic na mapach, ukazując różnice wysokości dolnej powierzchni testowej. Odstęp między powierzchniami jest stały wzdłuż krawędzi. Różnica długości ścieżki między dwoma sąsiednimi jasnymi lub ciemnymi prążkami wynosi jedną długość fali światła, więc różnica w szczelinie między powierzchniami wynosi połowę długości fali. Ponieważ długość fali światła jest tak mała, ta technika może mierzyć bardzo małe odchylenia od płaskości. Na przykład długość fali światła czerwonego wynosi około 700 nm, więc różnica wysokości między dwoma frędzlami jest o połowę mniejsza, czyli 350 nm, czyli około 1/100 średnicy ludzkiego włosa.

Wyprowadzenie matematyczne

Zmienność jasności odbitego światła w funkcji szerokości szczeliny można znaleźć, wyprowadzając wzór na sumę dwóch odbitych fal. Załóżmy, że oś z jest zorientowana w kierunku promieni odbitych. Załóżmy dla uproszczenia, że ​​intensywność A dwóch odbitych promieni świetlnych jest taka sama (prawie nigdy nie jest to prawdą, ale wynikiem różnic w intensywności jest po prostu mniejszy kontrast między jasnymi i ciemnymi prążkami). Równanie pola elektrycznego sinusoidalnego promienia światła odbitego od górnej powierzchni poruszającego się wzdłuż osi z to ${\displaystyle d\,}$

${\ Displaystyle E_ {1} (z, t) = A \ cos \ lewo ({\ Frac {2 \ pi z} {\ lambda}} - \ omega t \ prawej)}$

gdzie jest amplitudą szczytową, λ jest długością fali i jest częstotliwością kątową fali. Promień odbity od dolnej powierzchni zostanie opóźniony przez dodatkową długość ścieżki i odwrócenie fazy o 180° przy odbiciu, powodując przesunięcie fazowe względem górnego promienia ${\displaystyle A\,}$${\ Displaystyle \ omega = 2 \ pi f \,}$ ${\displaystyle \phi \,}$

${\ Displaystyle E_ {2} (z, t) = A \ cos \ lewo ({\ Frac {2 \ pi z} {\ lambda}} - \ omega t + \ phi \ prawej) \}$

gdzie jest różnica faz między falami w radianach . Dwie fale nałożą się na siebie i dodają: suma pól elektrycznych dwóch fal wynosi ${\textstyle \phi \,}$

${\ Displaystyle E = E_ {1} + E_ {2} = A \ lewo [\ cos \ lewo ({\ Frac {2 \ pi Z} {\ lambda}} - \ omega t \ po prawej) + \ cos \ lewo ({\frac {2\pi z}{\lambda }}-\omega t+\phi \prawo)\prawo]\,}$

Używając tożsamości trygonometrycznej dla sumy dwóch cosinusów: , można to zapisać ${\ Displaystyle \ cos a + \ cos b = 2 \ cos \ lewo ({a + b \ ponad 2} \ prawo) \ cos \ lewo ({ab \ ponad 2} \ po prawej) \}$

${\ Displaystyle E = 2A \ cos \ lewo ({\ phi \ ponad 2} \ po prawej) \ cos \ po lewej ({2 \ pi z \ nad \ lambda} - \ omega t + {\ phi \ nad 2} \ po prawej) \,}$

Reprezentuje ona falę o pierwotnej długości fali, której amplituda jest proporcjonalna do cosinusa , więc jasność odbitego światła jest oscylującą, sinusoidalną funkcją szerokości szczeliny d . Różnica faz jest równa sumie przesunięcia fazowego z powodu różnicy długości ścieżki 2 d i dodatkowego przesunięcia fazowego o 180° przy odbiciu ${\textstyle {\frac {\phi }{2}}}$${\textstyle \phi }$${\textstyle {2\pi \over \lambda }(2d)\,}$

${\ Displaystyle \ phi = {4 \ pi d \ nad \ lambda} + \ pi = 2 \ pi \ lewo ({2d \ nad \ lambda} + {1 \ nad 2} \ prawej)}$

więc pole elektryczne powstałej fali będzie

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

Reprezentuje to falę oscylacyjną, której wielkość zmienia się sinusoidalnie w zakresie od zera do wzrostu. ${\displaystyle 2A}$${\displaystyle d}$

• Konstruktywna interferencja : jasność będzie maksymalna tam , gdzie , co ma miejsce, gdy ${\ Displaystyle \ lewo | \ cos \ pi \ lewo ({2d \ nad \ lambda} + {1 \ nad 2} \ po prawej) \ po prawej | = 1 \,}$

  ${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównany} \ pi \ lewo ({2d \ nad \ lambda} + {1 \ nad 2} \ po prawej) i = n \ pi \ quad n \ w {0,1,2,\ ldots }\\\Rightarrow d&=\left(n-{1 \over 2}\right){\lambda \over 2}\end{aligned}}}$

• Destrukcyjna interferencja : Jasność będzie wynosić zero (lub w bardziej ogólnym przypadku minimum), gdzie , co ma miejsce, gdy ${\ Displaystyle \ lewo | \ cos \ pi \ lewo ({2d \ nad \ lambda} + {1 \ nad 2} \ po prawej) \ po prawej | = 0 \}$

  ${\ Displaystyle {\ zacząć {wyrównane} \ pi \ lewo ({2d \ nad \ lambda} + {1 \ nad 2} \ po prawej) & = \ po lewej (n + {1 \ nad 2} \ po prawej) \ pi \ quad n\in {0,1,2,\ldots }\\\Rightarrow d&=n{\lambda \over 2}\end{aligned}}}$

W ten sposób jasne i ciemne prążki występują naprzemiennie, przy czym separacja między dwoma sąsiednimi jasnymi lub ciemnymi prążkami przedstawia zmianę długości przerwy o połowę długości fali (λ/2).

Precyzja i błędy

Dwa spłaszczenia λ/10 przy 589 nm. Chociaż obie powierzchnie mają pewne nieregularności, test pokazuje, że obie są płaskie względem siebie. W miarę postępu wyżymania cienkie prążki rozszerzają się, aż pozostaje tylko jedna grzywka.

Obraz termiczny mieszkania optycznego po obsłudze przez kilka sekund. Cieplejsze obszary zwiększają grubość mieszkania nad chłodniejszymi, odpowiednio zniekształcając powierzchnię.

Wbrew intuicji frędzle nie istnieją w szczelinie ani w samym mieszkaniu. Prążki interferencyjne faktycznie tworzą się, gdy wszystkie fale świetlne zbiegają się w oku lub aparacie, tworząc obraz. Ponieważ obraz jest kompilacją wszystkich zbiegających się frontów falowych, które wzajemnie się zakłócają, płaskość badanego elementu może być mierzona tylko w odniesieniu do płaskości optycznego mieszkania. Wszelkie odchylenia na płaskiej powierzchni zostaną dodane do odchyleń na powierzchni testowej. Dlatego powierzchnia wypolerowana do płaskości λ/4 nie może być skutecznie przetestowana za pomocą płaskiego λ/4, ponieważ nie jest możliwe określenie, gdzie leżą błędy, ale jej kontury można ujawnić, testując z dokładniejszymi powierzchniami, takimi jak λ /20 lub λ/50 płaska optyczna. Oznacza to również, że zarówno oświetlenie, jak i kąt widzenia mają wpływ na dokładność wyników. Przy oświetleniu lub oglądaniu pod kątem odległość, jaką światło musi pokonać przez szczelinę, jest dłuższa niż przy oglądaniu i oświetleniu na wprost. Tak więc, gdy kąt padania staje się bardziej stromy, prążki również wydają się poruszać i zmieniać. Kąt padania wynoszący zero stopni jest zwykle najbardziej pożądanym kątem, zarówno do oświetlenia, jak i oglądania. Niestety zazwyczaj nie da się tego osiągnąć gołym okiem. Wiele interferometrów wykorzystuje dzielniki wiązki do uzyskania takiego kąta. Ponieważ wyniki są zależne od długości fali światła, dokładność można również zwiększyć, stosując światło o krótszych długościach fali, chociaż jako standard często stosuje się linię 632 nm z lasera helowo-neonowego.

Żadna powierzchnia nigdy nie jest całkowicie płaska. W związku z tym wszelkie błędy lub nieprawidłowości występujące na powierzchni optycznej będą miały wpływ na wyniki testu. Płaski optyczne są niezwykle wrażliwe na zmiany temperatury, które mogą powodować chwilowe odchylenia powierzchni wynikające z nierównomiernej rozszerzalności cieplnej . Szkło często ma słabe przewodnictwo cieplne , przez co osiągnięcie równowagi termicznej zajmuje dużo czasu . Samo manipulowanie mieszkaniami może przenosić wystarczającą ilość ciepła, aby zrównoważyć wyniki, dlatego stosuje się szkła, takie jak topiona krzemionka lub borokrzemian , które mają bardzo niskie współczynniki rozszerzalności cieplnej. Szkło musi być twarde i bardzo stabilne i zazwyczaj jest bardzo grube, aby zapobiec zginaniu . Podczas pomiaru w skali nanometrycznej najmniejszy nacisk może spowodować, że szkło ugnie się wystarczająco, aby zniekształcić wyniki. W związku z tym, a także potrzebna jest bardzo płaskie i stabilną pracę na powierzchni, na którą test jest wykonywany, zapobiegając zarówno płaskie i badanej próbki z ugięcia na podstawie ich łącznej masy Często dokładnie szlifowanych powierzchni płyty stosuje się jako powierzchnia robocza, zapewniająca stabilny blat do testowania. Aby zapewnić równą, bardziej płaską powierzchnię, czasami test można przeprowadzić na innej płaskiej powierzchni optycznej, z powierzchnią testową umieszczoną pośrodku.

Absolutna płaskość

Płaskość bezwzględna to płaskość obiektu mierzona w skali bezwzględnej , w której płaskość odniesienia (standard) jest całkowicie wolna od nieregularności. Płaskość każdego płaskiego optycznego jest zależna od płaskości oryginalnego standardu, który został użyty do jego kalibracji. Dlatego też, ponieważ obie powierzchnie mają pewne nieregularności, istnieje kilka sposobów na poznanie prawdziwej, absolutnej płaskości każdego płaskiego optycznego. Jedyną powierzchnią, która może osiągnąć prawie absolutną płaskość, jest powierzchnia cieczy, taka jak rtęć, i czasami może osiągnąć odczyty płaskości z dokładnością do λ/100, co odpowiada odchyleniu tylko 6,32 nm (632 nm/100). Jednak płaskie płaskowniki są bardzo trudne w użyciu i odpowiednio wyrównane, więc zwykle są używane tylko podczas przygotowywania standardowego płaskownika do kalibracji innych płaskowników.

Inną metodą określania płaskości bezwzględnej jest „test trzech płaskich”. W tym teście testowane są ze sobą trzy mieszkania o jednakowym rozmiarze i kształcie. Analizując wzory i ich różne przesunięcia fazowe , można ekstrapolować bezwzględne kontury każdej powierzchni. Zwykle wymaga to co najmniej dwunastu indywidualnych testów, sprawdzając każde mieszkanie względem każdego innego mieszkania w co najmniej dwóch różnych orientacjach. Aby wyeliminować wszelkie błędy, płaskowniki czasami można testować, gdy spoczywają na krawędzi, zamiast leżeć płasko, co pomaga zapobiegać zwisaniu.

Wyżymanie

Płaski optyczne używane do kalibracji części metalowych

Wyciskanie występuje, gdy prawie całe powietrze jest wypychane spomiędzy powierzchni, powodując ich zablokowanie, częściowo przez próżnię między nimi. Im bardziej płaskie powierzchnie; tym lepiej będą się ze sobą wykręcać, zwłaszcza gdy płaskość rozciąga się aż do krawędzi. Jeśli dwie powierzchnie są bardzo płaskie, mogą zostać tak mocno wykręcone, że ich rozdzielenie może wymagać użycia dużej siły.

Prążki interferencyjne zwykle tworzą się dopiero, gdy spłaszczenie optyczne zaczyna się wykręcać na powierzchni testowej. Jeśli powierzchnie są czyste i bardzo płaskie, zaczną się wykręcać niemal natychmiast po pierwszym kontakcie. Po rozpoczęciu wyżymania, gdy powietrze jest powoli wypychane spomiędzy powierzchni, pomiędzy powierzchniami tworzy się klin optyczny. Prążki interferencyjne tworzą się prostopadle do tego klina. Gdy powietrze jest wypychane, prążki wydają się przesuwać w kierunku najgrubszej szczeliny, rozszerzając się i rozszerzając, ale mniej. Gdy powietrze jest wypychane, podciśnienie utrzymujące razem powierzchnie staje się silniejsze. Płaska optyczna zwykle nigdy nie powinna być całkowicie wyciśnięta do powierzchni, w przeciwnym razie może zostać porysowana lub nawet złamana podczas ich oddzielania. W niektórych przypadkach, jeśli pozostawi się je na wiele godzin, może być potrzebny drewniany klocek, aby je poluzować. Testowanie płaskości za pomocą płaskiej powierzchni optycznej jest zwykle wykonywane, gdy tylko pojawi się realny wzór interferencji, a następnie powierzchnie są rozdzielane, zanim będą mogły się całkowicie wykręcić. Ponieważ kąt klina jest bardzo płytki, a szczelina bardzo mała, wyżymanie może zająć kilka godzin. Przesuwanie płaska względem powierzchni może przyspieszyć wyżymanie, ale próba wytłoczenia powietrza będzie mało skuteczna.

Jeśli powierzchnie są niewystarczająco płaskie, jeśli na powierzchni znajdują się jakieś filmy olejowe lub zanieczyszczenia lub jeśli między powierzchniami znajdą się drobne drobinki kurzu, mogą one w ogóle się nie wykręcać. Dlatego powierzchnie muszą być bardzo czyste i wolne od zanieczyszczeń, aby uzyskać dokładny pomiar.

Określanie kształtu powierzchni

1. Wyżymanie wstępne, 532 nm,
2. Pierwsze wyżymanie, białe światło,
3. Wyżymanie, 1 godzina,
4. Wyżymanie, 2 godziny,
5. Całkowicie wykręcony,
6. Całkowicie wykręcony w białym świetle. Okno jest raczej wklęsłe niż wypukłe.

Float szkło okno optyczne . Umieszczając linijkę w poprzek obrazu, przylegając do prążka i licząc, ile prążków przez nią przecina, można zmierzyć płaskość powierzchni wzdłuż dowolnej linii. Okno ma płaskość 4–6λ (~2100–3100  nm) na cal.

Optyczny test płaski w kolorze zielonym i czerwonym. Długości fal są niemal harmonicznymi przeciwieństwami (zielony jest krótszy o λ/4), więc prążki nakładają się na co czwarty czerwony prążek (co piąty zielony prążek), tworząc żółte prążki.

Prążki zachowują się bardzo podobnie do linii na mapie topograficznej , gdzie prążki są zawsze prostopadłe do klina między powierzchniami. Kiedy zaczyna się wyżymanie, klin powietrzny jest pod dużym kątem, a frędzle przypominają linie topografii siatki. Jeśli frędzle są proste; wtedy powierzchnia jest płaska. Jeśli pozwolimy, aby powierzchnie całkowicie się wykręciły i stały równolegle, proste frędzle poszerzą się, aż pozostanie tylko ciemna frędzelka i znikną one całkowicie. Jeśli powierzchnia nie jest płaska, linie siatki będą miały pewne zagięcia, wskazujące na topografię powierzchni. Proste frędzle z zagięciami w nich mogą wskazywać na podwyższoną wysokość lub zagłębienie. Proste prążki w kształcie litery „V” pośrodku wskazują grzbiet lub dolinę biegnącą przez środek, podczas gdy proste prążki z krzywymi przy końcach wskazują krawędzie, które są albo zaokrąglone, albo mają podniesioną wargę.

Jeśli powierzchnie nie są całkowicie płaskie, w miarę postępu wyżymania frędzle rozszerzają się i nadal się wyginają. Po całkowitym wykręceniu będą przypominały konturowe linie topografii, wskazujące na odchylenia na powierzchni. Zaokrąglone frędzle wskazują na delikatnie pochyłe lub lekko cylindryczne powierzchnie, podczas gdy ciasne rogi frędzli wskazują na ostre kąty powierzchni. Małe, okrągłe kółka mogą wskazywać na nierówności lub zagłębienia, a koncentryczne kółka na kształt stożkowy. Nierównomiernie rozmieszczone koncentryczne okręgi wskazują na wypukłą lub wklęsłą powierzchnię. Zanim powierzchnie w pełni się wyżyją, prążki te zostaną zniekształcone z powodu dodanego kąta klina powietrznego, zmieniając się w kontury, gdy powietrze jest powoli wypychane.

Pojedyncza ciemna grzywka ma taką samą grubość odstępu, biegnącą wzdłuż linii biegnącej przez całą długość grzywki. Sąsiadujący jasny obwód wskaże grubość, która jest albo 1/2 długości fali węższa, albo 1/2 długości fali szersza. Im cieńsze i bliższe są frędzle; im bardziej strome jest nachylenie, podczas gdy szersze prążki, oddalone od siebie, pokazują płytsze nachylenie. Niestety z jednego widoku samych tylko prążków nie da się stwierdzić, czy prążki wskazują podjazd czy zjazd, ponieważ sąsiednie prążki mogą iść w obie strony. Pierścień koncentrycznych kół może wskazywać, że powierzchnia jest wklęsła lub wypukła, co jest efektem podobnym do iluzji pustej maski .

Istnieją trzy sposoby testowania powierzchni pod kątem kształtu, ale najczęstszym jest „test nacisku palca”. W tym teście lekko naciska się na mieszkanie, aby zobaczyć, w którą stronę poruszają się frędzle. Frędzle odsuną się od wąskiego końca klina. Jeśli powierzchnia testowa jest wklęsła, po przyłożeniu nacisku do środka pierścieni, spłaszczenie nieco się ugnie, a frędzle będą wydawały się poruszać do wewnątrz. Jeśli jednak powierzchnia jest wypukła, mieszkanie będzie w tym miejscu stykać się punktowo z powierzchnią, więc nie będzie miało miejsca na wygięcie. W ten sposób prążki pozostaną nieruchome, tylko nieco się poszerzą. Jeśli do krawędzi mieszkania zostanie przyłożony nacisk, dzieje się coś podobnego. Jeśli powierzchnia jest wypukła, mieszkanie będzie się lekko kołysać, powodując ruch frędzli w kierunku palca. Jeśli jednak powierzchnia jest wklęsła, mieszkanie trochę się ugnie, a frędzle odsuną się od palca w kierunku środka. Chociaż nazywa się to testem nacisku „palcem”, często używa się drewnianego patyczka lub innego instrumentu, aby uniknąć nagrzewania szkła (sama waga wykałaczki często jest wystarczającym naciskiem).

Inna metoda polega na wystawieniu płaskiego światła na białe światło, umożliwieniu uformowania się tęczowych prążków, a następnie naciśnięciu środka. Jeśli powierzchnia jest wklęsła, wzdłuż krawędzi nastąpi kontakt punktowy, a zewnętrzna obwódka stanie się ciemna. Jeśli powierzchnia jest wypukła, w środku nastąpi kontakt punktowy, a środkowa obwódka stanie się ciemna. Podobnie jak w przypadku hartowania stali, frędzle będą lekko brązowawe po węższej stronie frędzli i niebieskie po szerszej stronie, więc jeśli powierzchnia jest wklęsła, niebieski będzie na wewnętrznej stronie pierścieni, ale jeśli wypukły, niebieski będzie być na zewnątrz.

Trzecia metoda polega na przesuwaniu oka w stosunku do mieszkania. Podczas przesuwania oka z kąta padania zerowego do kąta skośnego, prążki wydają się poruszać. Jeśli powierzchnia testowa jest wklęsła, prążki będą wydawały się przesuwać w kierunku środka. Jeśli powierzchnia jest wypukła, prążki odsuną się od środka. Aby uzyskać naprawdę dokładny odczyt powierzchni, test należy zwykle przeprowadzić w co najmniej dwóch różnych kierunkach. Jako linie siatki, prążki reprezentują tylko część siatki, więc dolina biegnąca w poprzek powierzchni może być widoczna jako niewielkie zagięcie w prążku, jeśli biegnie równolegle do doliny. Jednakże, jeśli optyczna płaszczyzna zostanie obrócona o 90 stopni i ponownie przetestowana, prążki będą przebiegały prostopadle do doliny i pojawią się jako rząd konturów w kształcie litery „V” lub „U” na prążkach. Testując w więcej niż jednej orientacji, można uzyskać lepszą mapę powierzchni.

Stabilność długoterminowa

Przy rozsądnej pielęgnacji i użytkowaniu płaskie elementy optyczne muszą zachowywać swoją płaskość przez długi czas. Dlatego do produkcji często stosuje się twarde szkła o niskich współczynnikach rozszerzalności cieplnej, takie jak topiona krzemionka . Jednak kilka pomiarów laboratoryjnych temperatury pokojowej, optycznych płaskowników ze stopionej krzemionki wykazało ruch zgodny z lepkością materiału rzędu 10 ¹⁷ –10 ¹⁸ Pa·s . Odpowiada to odchyleniu rzędu kilku nanometrów na przestrzeni dekady. Ponieważ płaskość płaskiego optycznego jest względna do płaskości oryginalnego płaskiego testowego, prawdziwą (bezwzględną) płaskość w momencie produkcji można określić tylko przez wykonanie testu interferometrycznego przy użyciu płaskiego płynu lub przez wykonanie „trzy płaskiego test”, w którym komputerowo analizuje się wzory interferencji wytwarzane przez trzy mieszkania. Kilka przeprowadzonych testów wykazało, że czasami na powierzchni topionej krzemionki pojawia się odchylenie. Jednak testy pokazują, że odkształcenie może być sporadyczne, przy czym tylko niektóre spłaszczenia odkształcają się podczas okresu testowego, niektóre odkształcają się częściowo, a inne pozostają takie same. Przyczyna deformacji jest nieznana i nigdy nie będzie widoczna dla ludzkiego oka przez całe życie. (Płasko λ/4 ma normalne odchylenie powierzchniowe 158 nanometrów, podczas gdy mieszkanie λ/20 ma normalne odchylenie powyżej 30 nm.) Odkształcenie to zaobserwowano tylko w topionej krzemionce, podczas gdy szkło sodowo-wapniowe nadal wykazuje lepkość 10 ⁴¹  Pa·s, czyli o wiele rzędów wielkości wyższa.

Zobacz też

• Pierścienie Newtona
• Optyczne klejenie kontaktowe
• Blok wzorcowy , inny rodzaj elementu zaprojektowanego do płaskości

Bibliografia