Plano óptico - Optical flat

Planos ópticos em caixa. Cerca de 2,5 centímetros (1 pol.) De diâmetro. O terceiro plano da esquerda está na borda, mostrando a espessura.

Um plano ótico λ / 20 que foi revestido com alumínio, fazendo um espelho de primeira superfície

Dois planos ópticos testados com luz laser de 589 nm. Com 2 polegadas (5,1 cm) de diâmetro e 0,5 polegadas (13 mm) de espessura, ambas as superfícies são planas com 1/10 do comprimento de onda da luz (58,9 nm), conforme indicado pelas franjas perfeitamente retas.

Um plano óptico é uma peça de vidro lapidado e polido de grau óptico para ficar extremamente plano em um ou ambos os lados, geralmente dentro de algumas dezenas de nanômetros (bilionésimos de metro). Eles são usados ​​com uma luz monocromática para determinar o nivelamento (precisão da superfície) de outras superfícies, sejam ópticas, metálicas, cerâmicas ou outras, por interferência . Quando um plano óptico é colocado em outra superfície e iluminado, as ondas de luz refletem tanto na superfície inferior do plano quanto na superfície sobre a qual está apoiado. Isso causa um fenômeno semelhante à interferência de filme fino . As ondas refletidas interferem, criando um padrão de franjas de interferência visíveis como faixas claras e escuras. O espaçamento entre as franjas é menor onde a lacuna está mudando mais rapidamente, indicando um afastamento da planura em uma das duas superfícies. Isso é comparável às curvas de nível que encontraríamos em um mapa. Uma superfície plana é indicada por um padrão de franjas retas e paralelas com espaçamento igual, enquanto outros padrões indicam superfícies irregulares. Duas franjas adjacentes indicam uma diferença na elevação da metade do comprimento de onda da luz usada, portanto, contando as franjas, as diferenças na elevação da superfície podem ser medidas para melhor do que um micrômetro.

Normalmente, apenas uma das duas superfícies de um plano óptico é tornada plana com a tolerância especificada, e essa superfície é indicada por uma seta na borda do vidro.

Os planos ópticos às vezes recebem um revestimento óptico e são usados ​​como espelhos de precisão ou janelas ópticas para fins especiais, como em um interferômetro Fabry-Pérot ou cavidade de laser . Os planos ópticos também têm utilidade na espectrofotometria .

Teste de nivelamento

Testando o nivelamento de superfícies com planos ópticos. A superfície do lado esquerdo é plana; a superfície direita é astigmática , com curvaturas em duas direções ortogonais.

Um teste óptico plano no qual o tamanho angular da fonte de luz é muito pequeno. As franjas de interferência aparecem apenas no reflexo, então a luz precisa parecer maior do que o plano.

Um plano óptico é geralmente colocado sobre uma superfície plana para ser testado. Se a superfície estiver limpa e refletiva o suficiente, faixas coloridas de arco-íris de franjas de interferência se formarão quando a peça de teste for iluminada com luz branca. No entanto, se uma luz monocromática for usada para iluminar a peça de trabalho, como hélio, sódio de baixa pressão ou um laser, uma série de franjas de interferência claras e escuras se formarão. Essas franjas de interferência determinam a planura da peça de trabalho, em relação ao plano óptico, dentro de uma fração do comprimento de onda da luz. Se ambas as superfícies forem perfeitamente planas e paralelas, nenhuma franja de interferência se formará. No entanto, geralmente há algum ar preso entre as superfícies. Se as superfícies são planas, mas existe uma pequena cunha óptica de ar entre elas, então franjas de interferência paralelas e retas se formarão, indicando o ângulo da cunha (ou seja: mais, franjas mais finas indicam uma cunha mais íngreme, enquanto menos, mas franjas mais largas indicam menos de uma cunha). A forma das franjas também indica a forma da superfície de teste, porque as franjas com uma curva, um contorno ou anéis indicam pontos altos e baixos na superfície, como bordas arredondadas, colinas ou vales, ou superfícies convexas e côncavas.

Preparação

Tanto o plano óptico quanto a superfície a ser testada precisam estar extremamente limpos. O mais ínfimo pedaço de poeira assentando entre as superfícies pode arruinar os resultados. Mesmo a espessura de uma linha ou impressão digital nas superfícies pode ser suficiente para alterar a largura da lacuna entre elas. Antes do teste, as superfícies são geralmente limpas muito bem. Mais comumente, a acetona é usada como agente de limpeza, porque ela dissolve a maioria dos óleos e evapora completamente, sem deixar resíduos. Normalmente, a superfície é limpa usando o método de "arrastar", no qual um tecido sem fiapos e sem riscos é umedecido, esticado e arrastado pela superfície, puxando todas as impurezas com ele. Esse processo geralmente é realizado dezenas de vezes, garantindo que a superfície esteja totalmente livre de impurezas. Será necessário usar um novo tecido a cada vez, para evitar a recontaminação das superfícies por poeira e óleos removidos anteriormente.

O teste geralmente é feito em uma sala limpa ou em outro ambiente sem poeira, evitando que a poeira se acumule nas superfícies entre a limpeza e a montagem. Às vezes, as superfícies podem ser montadas deslizando-as juntas, ajudando a remover qualquer poeira que possa cair no plano. O teste geralmente é feito em um ambiente com temperatura controlada para evitar quaisquer distorções no vidro e precisa ser realizado em uma superfície de trabalho muito estável. Após o teste, os apartamentos são geralmente limpos novamente e armazenados em uma caixa protetora, e muitas vezes são mantidos em um ambiente com temperatura controlada até serem usados ​​novamente.

Iluminação

Para obter os melhores resultados de teste, uma luz monocromática, consistindo em apenas um único comprimento de onda, é usada para iluminar os apartamentos. Para mostrar as franjas adequadamente, vários fatores precisam ser levados em consideração ao configurar a fonte de luz, como o ângulo de incidência entre a luz e o observador, o tamanho angular da fonte de luz em relação à pupila do olho, e a homogeneidade da fonte de luz quando refletida no vidro.

Muitas fontes de luz monocromática podem ser usadas. A maioria dos lasers emite luz com uma largura de banda muito estreita e geralmente fornece uma fonte de luz adequada. Um laser de hélio-néon emite luz a 632 nanômetros (vermelho), enquanto um laser Nd: YAG com frequência dobrada emite luz a 532 nm (verde). Vários diodos de laser e lasers de estado sólido com bombeamento de diodo emitem luz em vermelho, amarelo, verde, azul ou violeta. Os lasers de tinta podem ser ajustados para emitir quase todas as cores. No entanto, os lasers também experimentam um fenômeno chamado salpico de laser , que aparece nas franjas.

Várias lâmpadas de gás ou vapor metálico também podem ser usadas. Quando operadas em baixa pressão e corrente, essas lâmpadas geralmente produzem luz em várias linhas espectrais , com uma ou duas linhas sendo a mais predominante. Como essas linhas são muito estreitas, as lâmpadas podem ser combinadas com filtros de largura de banda estreita para isolar a linha mais forte. Uma lâmpada de descarga de hélio produzirá uma linha em 587,6 nm (amarelo), enquanto uma lâmpada de vapor de mercúrio produzirá uma linha em 546,1 (verde amarelado). O vapor de cádmio produz uma linha em 643,8 nm (vermelho), mas o sódio de baixa pressão produz uma linha em 589,3 nm (amarelo). De todas as lâmpadas, o sódio de baixa pressão é o único que produz uma única linha, sem necessidade de filtro.

As franjas aparecem apenas no reflexo da fonte de luz, então o plano óptico deve ser visto do ângulo exato de incidência que a luz incide sobre ele. Se vista de um ângulo de zero grau (diretamente de cima), a luz também deve estar em um ângulo de zero grau. Conforme o ângulo de visão muda, o ângulo de iluminação também deve mudar. A luz deve ser posicionada de forma que seu reflexo possa ser visto cobrindo toda a superfície. Além disso, o tamanho angular da fonte de luz precisa ser muitas vezes maior do que o olho. Por exemplo, se uma luz incandescente for usada, as franjas podem aparecer apenas no reflexo do filamento. Ao mover a lâmpada para muito mais perto do plano, o tamanho angular torna-se maior e o filamento pode parecer cobrir todo o plano, dando leituras mais claras. Às vezes, um difusor pode ser usado, como o revestimento em pó dentro de lâmpadas congeladas, para fornecer um reflexo homogêneo do vidro. Normalmente, as medições serão mais precisas quando a fonte de luz estiver o mais perto possível do plano, mas o olho está o mais longe possível.

Como as franjas de interferência se formam

Como funciona a interferência. A distância entre a franja brilhante (a) e a franja escura (b) indica uma mudança no comprimento do caminho da luz de 1/2 do comprimento de onda, portanto, uma mudança na largura da lacuna de 1/4 do comprimento de onda. Portanto, a distância entre duas franjas claras ou escuras indica uma mudança na lacuna de 1/2 comprimento de onda. A lacuna entre as superfícies e o comprimento de onda das ondas de luz é muito exagerada.

O diagrama à direita mostra um plano óptico apoiado em uma superfície a ser testada. A menos que as duas superfícies sejam perfeitamente planas, haverá um pequeno espaço entre elas (mostrado) , que variará com o contorno da superfície. A luz monocromática (vermelha) brilha através do vidro plano e reflete tanto da superfície inferior do plano óptico quanto da superfície superior da peça de teste, e os dois raios refletidos se combinam e se sobrepõem . No entanto, o raio refletido na superfície inferior percorre um caminho mais longo. O comprimento do caminho adicional é igual a duas vezes a lacuna entre as superfícies. Além disso, o raio refletido na superfície inferior sofre uma reversão de fase de 180 °, enquanto a reflexão interna do outro raio da parte inferior do plano óptico não causa reversão de fase. O brilho da luz refletida depende da diferença no comprimento do caminho dos dois raios:

Se a lacuna entre as superfícies não for constante, essa interferência resulta em um padrão de linhas ou bandas claras e escuras chamadas de " franjas de interferência " observadas na superfície. Estas são semelhantes às linhas de contorno em mapas, revelando as diferenças de altura da superfície de teste do fundo. A distância entre as superfícies é constante ao longo de uma franja. A diferença do comprimento do caminho entre duas franjas brilhantes ou escuras adjacentes é um comprimento de onda da luz, então a diferença na lacuna entre as superfícies é a metade do comprimento de onda. Como o comprimento de onda da luz é tão pequeno, essa técnica pode medir desvios muito pequenos da planura. Por exemplo, o comprimento de onda da luz vermelha é de cerca de 700 nm, então a diferença de altura entre duas franjas é a metade disso, ou 350 nm, cerca de 1/100 do diâmetro de um cabelo humano.

Derivação matemática

A variação no brilho da luz refletida em função da largura da lacuna pode ser encontrada derivando a fórmula para a soma das duas ondas refletidas. Suponha que o eixo z esteja orientado na direção dos raios refletidos. Suponha, para simplificar, que a intensidade A dos dois raios de luz refletidos é a mesma (isso quase nunca é verdade, mas o resultado das diferenças de intensidade é apenas um contraste menor entre as franjas claras e escuras). A equação para o campo elétrico do raio de luz sinusoidal refletido da superfície superior viajando ao longo do eixo z é ${\ displaystyle d \,}$

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

onde é a amplitude do pico, λ é o comprimento de onda e é a frequência angular da onda. O raio refletido da superfície inferior será atrasado pelo comprimento do caminho adicional e a reversão de fase de 180 ° na reflexão, causando uma mudança de fase em relação ao raio superior ${\ displaystyle A \,}$${\ displaystyle \ omega = 2 \ pi f \,}$ ${\ displaystyle \ phi \,}$

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

onde é a diferença de fase entre as ondas em radianos . As duas ondas se sobreporão e somarão: a soma dos campos elétricos das duas ondas é ${\ textstyle \ phi \,}$

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

Usando a identidade trigonométrica para a soma de dois cossenos:, isso pode ser escrito ${\ displaystyle \ cos a + \ cos b = 2 \ cos \ left ({a + b \ over 2} \ right) \ cos \ left ({ab \ over 2} \ right) \,}$

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

Isso representa uma onda no comprimento de onda original cuja amplitude é proporcional ao cosseno de , de modo que o brilho da luz refletida é uma função sinusoidal oscilante da largura da lacuna d . A diferença de fase é igual à soma da mudança de fase devido a diferença do comprimento do percurso 2 d e a mudança de fase de 180 ° adicional na reflexão ${\ textstyle {\ frac {\ phi} {2}}}$${\ textstyle \ phi}$${\ textstyle {2 \ pi \ over \ lambda} (2d) \,}$

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

então o campo elétrico da onda resultante será

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

Isso representa uma onda oscilante cuja magnitude varia sinusoidalmente entre e zero à medida que aumenta. ${\ displaystyle 2A}$${\ displaystyle d}$

• Interferência construtiva : O brilho será máximo onde , o que ocorre quando ${\ displaystyle \ left | \ cos \ pi \ left ({2d \ over \ lambda} + {1 \ over 2} \ right) \ right | = 1 \,}$

  ${\ displaystyle {\ begin {alinhado} \ pi \ left ({2d \ over \ lambda} + {1 \ over 2} \ right) & = n \ pi, \ quad n \ in {0,1,2, \ ldots} \\\ Rightarrow d & = \ left (n- {1 \ over 2} \ right) {\ lambda \ over 2} \ end {alinhado}}}$

• Interferência destrutiva : O brilho será zero (ou, no caso mais geral, mínimo) onde , o que ocorre quando ${\ displaystyle \ left | \ cos \ pi \ left ({2d \ over \ lambda} + {1 \ over 2} \ right) \ right | = 0 \,}$

  ${\ displaystyle {\ begin {alinhado} \ pi \ left ({2d \ over \ lambda} + {1 \ over 2} \ right) & = \ left (n + {1 \ over 2} \ right) \ pi, \ quad n \ in {0,1,2, \ ldots} \\\ Rightarrow d & = n {\ lambda \ over 2} \ end {alinhado}}}$

Assim, as franjas claras e escuras se alternam, com a separação entre duas franjas claras ou escuras adjacentes representando uma mudança no comprimento da lacuna de meio comprimento de onda (λ / 2).

Precisão e erros

Dois apartamentos λ / 10 a 589 nm. Embora ambas as superfícies tenham algumas irregularidades, o teste mostra que ambas são planas uma em relação à outra. À medida que a torção avança, as finas franjas se alargam até que apenas uma única franja permaneça.

Uma imagem térmica de um plano óptico após o manuseio por apenas alguns segundos. As áreas mais quentes aumentam a espessura do plano sobre as áreas mais frias, distorcendo a superfície de acordo.

Contra-intuitivamente, as franjas não existem dentro da lacuna ou do próprio apartamento. As franjas de interferência, na verdade, se formam quando todas as ondas de luz convergem para o olho ou a câmera, formando a imagem. Como a imagem é a compilação de todas as frentes de onda convergentes interferindo umas nas outras, o achatamento da peça de teste só pode ser medido em relação ao achatamento do plano óptico. Quaisquer desvios na superfície plana serão adicionados aos desvios na superfície de teste. Portanto, uma superfície polida com um nivelamento de λ / 4 não pode ser testada de forma eficaz com um plano λ / 4, pois não é possível determinar onde estão os erros, mas seus contornos podem ser revelados por meio de testes com superfícies mais precisas como um λ / 20 ou λ / 50 plano óptico. Isso também significa que tanto a iluminação quanto o ângulo de visão afetam a precisão dos resultados. Quando iluminada ou vista em ângulo, a distância que a luz deve percorrer na lacuna é maior do que quando vista e iluminada diretamente. Assim, à medida que o ângulo de incidência se torna mais acentuado, as franjas também parecem se mover e mudar. Um ângulo de incidência de zero grau é geralmente o ângulo mais desejável, tanto para iluminação quanto para visualização. Infelizmente, isso geralmente é impossível de conseguir a olho nu. Muitos interferômetros usam divisores de feixe para obter tal ângulo. Como os resultados são relativos ao comprimento de onda da luz, a precisão também pode ser aumentada usando luz de comprimentos de onda mais curtos, embora a linha de 632 nm de um laser de hélio-néon seja freqüentemente usada como padrão.

Nenhuma superfície é completamente plana. Portanto, quaisquer erros ou irregularidades que existam no plano óptico afetarão os resultados do teste. Os planos ópticos são extremamente sensíveis às mudanças de temperatura, que podem causar desvios de superfície temporários resultantes da expansão térmica desigual . O vidro geralmente apresenta uma condução térmica ruim , levando muito tempo para atingir o equilíbrio térmico . O simples manuseio dos planos pode transferir calor suficiente para compensar os resultados, então vidros como sílica fundida ou borossilicato são usados, que têm coeficientes de expansão térmica muito baixos. O vidro precisa ser duro e muito estável e geralmente é muito grosso para evitar flexão . Ao medir na escala nanométrica, a menor pressão pode fazer com que o vidro flexione o suficiente para distorcer os resultados. Portanto, uma superfície de trabalho muito plana e estável também é necessária, na qual o teste pode ser realizado, evitando que a peça plana e a peça de teste cedam sob seu peso combinado. Freqüentemente, uma placa de superfície retificada com precisão é usada como um superfície de trabalho, proporcionando um tampo de mesa estável para teste. Para fornecer uma superfície ainda mais plana, às vezes o teste pode ser realizado em cima de outro plano óptico, com a superfície de teste imprensada no meio.

Nivelamento absoluto

O nivelamento absoluto é o nivelamento de um objeto quando medido em relação a uma escala absoluta , na qual o nivelamento de referência (padrão) está completamente livre de irregularidades. O nivelamento de qualquer plano óptico é relativo ao nivelamento do padrão original que foi usado para calibrá-lo. Portanto, como ambas as superfícies têm algumas irregularidades, existem poucas maneiras de saber a planura verdadeira e absoluta de qualquer plano óptico. A única superfície que pode atingir um nivelamento quase absoluto é uma superfície líquida, como o mercúrio, e às vezes pode atingir leituras de nivelamento dentro de λ / 100, o que equivale a um desvio de apenas 6,32 nm (632 nm / 100). No entanto, os planos líquidos são muito difíceis de usar e alinhar corretamente, portanto, normalmente só são usados ​​ao preparar um plano padrão para calibrar outros planos.

O outro método para determinar a planura absoluta é o "teste triplo". Neste teste, três planos de igual tamanho e forma são testados uns contra os outros. Ao analisar os padrões e seus diferentes deslocamentos de fase , os contornos absolutos de cada superfície podem ser extrapolados. Isso geralmente requer pelo menos doze testes individuais, verificando cada plano em relação ao outro em pelo menos duas orientações diferentes. Para eliminar erros, às vezes os planos podem ser testados apoiados na beirada, em vez de deitados, ajudando a prevenir a flacidez.

Torção

Planos ópticos sendo usados ​​para calibrar peças de metal

A torção ocorre quando quase todo o ar é forçado para fora de entre as superfícies, fazendo com que as superfícies travem juntas, em parte devido ao vácuo entre elas. Quanto mais planas as superfícies; melhor eles irão torcer juntos, especialmente quando o nivelamento se estende até as bordas. Se duas superfícies forem muito planas, elas podem ficar unidas com tanta força que muita força pode ser necessária para separá-las.

As franjas de interferência normalmente só se formam quando o plano óptico começa a torcer na superfície de teste. Se as superfícies estiverem limpas e muito planas, elas começarão a torcer quase imediatamente após o primeiro contato. Após o início da torção, à medida que o ar é lentamente forçado para fora de entre as superfícies, uma cunha óptica se forma entre as superfícies. As franjas de interferência formam-se perpendicularmente a esta cunha. À medida que o ar é forçado para fora, as franjas parecem mover-se em direção à lacuna mais espessa, espalhando-se e tornando-se mais largas, mas em menor quantidade. À medida que o ar é expelido, o vácuo que mantém as superfícies juntas torna-se mais forte. Normalmente, o plano óptico nunca deve torcer totalmente para a superfície, caso contrário, pode ser riscado ou mesmo quebrado ao separá-los. Em alguns casos, se deixado por muitas horas, um bloco de madeira pode ser necessário para soltá-los. O teste de planicidade com um plano óptico normalmente é feito assim que um padrão de interferência viável se desenvolve e, em seguida, as superfícies são separadas antes de poderem ser totalmente torcidas. Como o ângulo da cunha é extremamente raso e a lacuna extremamente pequena, a torção pode levar algumas horas para ser concluída. Deslizar o plano em relação à superfície pode acelerar a torção, mas tentar empurrar o ar para fora terá pouco efeito.

Se as superfícies forem insuficientemente planas, se houver qualquer película de óleo ou impurezas na superfície, ou se ligeiras partículas de poeira aterrissarem entre as superfícies, elas podem não torcer. Portanto, as superfícies devem estar muito limpas e livres de detritos para obter uma medição precisa.

Determinando a forma da superfície

1. Torção inicial, 532 nm,
2. Torção inicial, luz branca,
3. Torção, 1 hora,
4. Torção, 2 horas,
5. Totalmente torcido,
6. Totalmente torcido em luz branca. A janela é ligeiramente côncava em vez de convexa.

Uma janela ótica de vidro float . Colocando uma régua na imagem, adjacente a uma franja, e contando quantas franjas a cruzam, o nivelamento da superfície pode ser medido ao longo de qualquer linha. A janela tem um nivelamento de 4–6λ (~ 2100–3100 nm) por polegada. 

Um teste óptico plano em verde e vermelho. Os comprimentos de onda são quase opostos harmônicos (o verde é λ / 4 mais curto), então as franjas se sobrepõem a cada quarta franja vermelha (a cada cinco franjas verdes), interferindo para formar franjas amarelas.

As franjas agem de forma muito semelhante às linhas em um mapa topográfico , onde as franjas são sempre perpendiculares à cunha entre as superfícies. Quando a torção começa, há um grande ângulo na cunha de ar e as franjas se assemelham a linhas de topografia de grade. Se as franjas são retas; então a superfície é plana. Se as superfícies torcerem completamente e se tornarem paralelas, as franjas retas se alargarão até que apenas uma franja escura permaneça, e elas desaparecerão completamente. Se a superfície não for plana, as linhas da grade terão algumas curvas, indicando a topografia da superfície. Franjas retas com curvas podem indicar uma elevação elevada ou uma depressão. Franjas retas com uma forma de "V" no meio indicam uma crista ou vale que atravessa o centro, enquanto franjas retas com curvas perto das extremidades indicam bordas que são arredondadas ou têm um lábio levantado.

Se as superfícies não forem completamente planas, conforme o processo de torção, as franjas se alargarão e continuarão a dobrar. Quando totalmente torcidos, eles se parecerão com linhas de contorno, indicando os desvios na superfície. Franjas arredondadas indicam superfícies ligeiramente inclinadas ou ligeiramente cilíndricas, enquanto cantos apertados nas franjas indicam ângulos agudos na superfície. Círculos pequenos e redondos podem indicar saliências ou depressões, enquanto círculos concêntricos indicam uma forma cônica. Círculos concêntricos com espaçamento irregular indicam uma superfície convexa ou côncava. Antes que as superfícies sejam totalmente torcidas, essas franjas serão distorcidas devido ao ângulo adicionado da cunha de ar, mudando para os contornos à medida que o ar é lentamente expelido.

Uma única franja escura tem a mesma espessura de lacuna, seguindo uma linha que percorre todo o comprimento da franja. A franja brilhante adjacente indicará uma espessura que é 1/2 do comprimento de onda mais estreito ou 1/2 do comprimento de onda mais largo. Quanto mais finas e próximas as franjas são; quanto mais íngreme é o declive, enquanto as franjas mais largas, mais espaçadas, mostram um declive mais raso. Infelizmente, é impossível dizer se as franjas indicam uma inclinação para cima ou para baixo a partir de apenas uma única vista das franjas, porque as franjas adjacentes podem seguir em qualquer direção. Um anel de círculos concêntricos pode indicar que a superfície é côncava ou convexa, o que é um efeito semelhante à ilusão da máscara oca .

Existem três maneiras de testar a forma da superfície, mas a mais comum é o "teste de pressão digital". Neste teste, uma leve pressão é aplicada ao plano, para ver para que lado as franjas se movem. As franjas se moverão para longe da extremidade estreita da cunha. Se a superfície de teste for côncava, quando a pressão for aplicada no centro dos anéis, a superfície plana se flexionará um pouco e as franjas parecerão se mover para dentro. No entanto, se a superfície for convexa, o plano estará em contato com a superfície naquele local, portanto, não terá espaço para flexionar. Assim, as franjas permanecerão estacionárias, apenas crescendo um pouco mais. Se a pressão for aplicada na borda do apartamento, algo semelhante acontece. Se a superfície for convexa, o plano irá balançar um pouco, fazendo com que as franjas se movam em direção ao dedo. No entanto, se a superfície for côncava, a superfície plana se flexionará um pouco e as franjas se moverão do dedo em direção ao centro. Embora isso seja chamado de teste de pressão do "dedo", um bastão de madeira ou algum outro instrumento é freqüentemente usado para evitar o aquecimento do vidro (com o simples peso de um palito de dente frequentemente sendo pressão suficiente).

Outro método envolve expor o plano à luz branca, permitindo que as franjas do arco-íris se formem e, em seguida, pressionando no centro. Se a superfície for côncava, haverá um ponto de contato ao longo da borda e a borda externa ficará escura. Se a superfície for convexa, haverá um ponto de contato no centro e a franja central ficará escura. Muito parecido com as cores temperadas do aço, as franjas serão ligeiramente acastanhadas no lado mais estreito da franja e azuis no lado mais largo, portanto, se a superfície for côncava, o azul ficará do lado de dentro dos anéis, mas se for convexo, o azul ficará estar do lado de fora.

O terceiro método envolve mover o olho em relação ao plano. Ao mover o olho de um ângulo de incidência de zero grau para um ângulo oblíquo, as franjas parecerão se mover. Se a superfície de teste for côncava, as franjas parecerão se mover em direção ao centro. Se a superfície for convexa, as franjas se moverão para longe do centro. Para obter uma leitura realmente precisa da superfície, o teste geralmente deve ser realizado em pelo menos duas direções diferentes. Como linhas de grade, as franjas representam apenas parte de uma grade, portanto, um vale que cruza a superfície pode aparecer apenas como uma ligeira curva na franja se estiver correndo paralelamente ao vale. No entanto, se o plano óptico for girado 90 graus e testado novamente, as franjas serão perpendiculares ao vale e aparecerão como uma fileira de contornos em forma de "V" ou "U" nas franjas. Testando em mais de uma orientação, um mapa melhor da superfície pode ser feito.

Estabilidade de longa duração

Durante o cuidado e uso razoáveis, os planos ópticos precisam manter sua planura por longos períodos de tempo. Portanto, vidros rígidos com baixos coeficientes de expansão térmica, como sílica fundida , são freqüentemente usados ​​para o material de fabricação. No entanto, algumas medições de laboratório de temperatura ambiente, placas ópticas de sílica fundida mostraram um movimento consistente com a viscosidade do material na ordem de 10 ¹⁷ –10 ¹⁸ Pa · s . Isso equivale a um desvio de alguns nanômetros no período de uma década. Como a planura de um plano óptico é relativa à planura do plano de teste original, a planura verdadeira (absoluta) no momento da fabricação só pode ser determinada realizando um teste de interferômetro usando um plano líquido, ou executando um "três planos teste ", em que os padrões de interferência produzidos por três apartamentos são analisados ​​por computador. Alguns testes realizados mostraram que às vezes ocorre um desvio na superfície da sílica fundida. No entanto, os testes mostram que a deformação pode ser esporádica, com apenas alguns dos planos deformados durante o período de teste, alguns parcialmente deformados e outros permanecendo os mesmos. A causa da deformação é desconhecida e nunca seria visível ao olho humano durante a vida. (Um plano λ / 4 tem um desvio de superfície normal de 158 nanômetros, enquanto um plano λ / 20 tem um desvio normal de mais de 30 nm.) Esta deformação só foi observada na sílica fundida, enquanto o vidro de cal sodada ainda mostra um viscosidade de 10 ⁴¹  Pa · s, que é muitas ordens de magnitude maior.

Veja também

• Anéis de newton
• Ligação de contato óptico
• Bloco de medição , outro tipo de componente projetado para nivelamento

Referências