影响你光学系统的罪魁祸首可能是它
文摘
2024-07-23 11:58
江苏
众所周知，光在同一种均匀、透明介质中是沿直线传播的，在不均匀的透明介质中光路会发生改变，传播路径将会变得复杂。这种折射率分布不均导致光路发生改变的情况是影响光学系统工作质量不可忽视的一个原因。折射率分布不均是指介质中折射率的变化不是均匀的，即折射率在空间中的分布是不一致的。这种现象可以由多种因素引起，包括材料的非均匀性、温度和密度的变化等。总的来说就是材料本身和外界环境。经过多年的发展，常用光学元件折射率分布不均的情况已经得到解决，导致折射率分布不均的只剩下外部因素。今天就给大家介绍一种导致折射率分布不均的外界因素——应力。何为应力？当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生变化，这种形变称为应变。材料发生形变时内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，因此将单位面积上的这种反作用力定义为应力。 光学材料的应力主要来自两个方面：内部应力和外部应力。内部应力是由材料的制备过程和结构导致的，如晶体材料的晶格缺陷、材料的热膨胀系数不匹配等。外部应力则是来源于外界环境的作用，如机械压力、温度变化等。那么在搭建光学系统时，遇到内部应力元件的机会几乎为零，因为光学元件在出厂时都会经过仔细的筛选，存在内部应力的元件早已被挑选出来。通常接触到的应力为外部应力，这些应力通常来源于光学元件的装卡固定方式。光学元件是搭建光学系统必不可少的东西，但是镜片材质主要为玻璃镜片，这些镜片具有抗冲击性较差和容易破碎等缺点，不便于直接安装到光学系统中，需要装入到相应的装卡器件内才便于使用。随着光学系统和光学机械的发展，光学元件的装卡器件种类变得越来越多，通常接触到的类型有横向挤压固定式装卡器、纵向限位式装卡器和胶粘式装卡器。横向挤压固定式装卡器通过在透镜侧面施加压力来增大镜片与装卡器之间的摩檫力从而达到对镜片的固定功能，优点是不会减少镜片的有效通光孔径和可适配不同厚度的镜片，缺点是挤压镜片会使其产生机械应力，影响系统的光学质量；纵向限位式装卡器通过前后两个带外螺纹的压环限位的方式将镜片固定于带内螺纹的套管中，优点是不会对镜片产生机械应力，缺点是压环的尺寸会减小镜片的有效通光孔径；胶粘式装卡器是通过使用胶水将镜片边缘和装卡器粘连在一起实现装卡的功能，优点是不会减少镜片的有效通光孔径和不产生机械应力，缺点是不易拆卸，一个装卡器只能装一个器件。在上面述三种装卡器的装卡方式优缺点中，有效孔径的影响和装卡器对器件的适配性我们通过常识就能很好的做出判断，但是对于产生肉眼观测不出来的应力情况只能借助应力仪来进行观测。应力仪是一种无损检测应力情况的仪器，便于人们在生产过程中更直观的判别样品的应力情况。应力仪主要由光源、起偏器、检偏器组成，工作时起偏器和检偏器的偏振方向垂直，将待测样品置于两者之间，若透明的各向同性介质不存在应力，则在观测窗口无光通过；若存在应力，则折射率特性会发生改变，从而显示出光学上的各向异性，就可以在观测窗口看到待测样品的应力分布图。 从上图可以看出，在应力仪下可以清楚地看到装卡带来的镜片应力，这些应力改变了镜片的折射率分布，导致了折射率分布不均。因此在搭建光学系统时，由于应力难以直观地被观测到，所以也常常被忽视所带来的影响。下面我们一起来看看图3介绍的三种装卡器在装卡器件时带来的应力情况。 对比图6中的三种装卡器的应力分布图可以明显的看出，只有横向挤压固定式装卡器会对器件产生应力，纵向限位式装卡器和胶粘式装卡器都没有导致器件产生应力。如果您正在使用这种横向挤压固定式装卡器，那么为了避免带来应力影响，需要在装的稳和减少压力之间找一个平衡，这样既保证镜片不掉也保证系统质量不受影响。今天这期公众号内容就和大家分享到这里，以上内容只是定性的为大家介绍常见的三种类型光学元件装卡器带来应力的情况，旨在提醒大家在搭建光学系统时不可忽视应力这个因素，未来我们将继续和大家分享搭建光学系统过程中易被忽视的影响因素。PS：因发布次数限制，下周暂停推送一期。
