O objetivo da pagina " Testes Ópticos " é dar uma pequena noção de como é feita a aferição de um espelho primário.
Um espelho primário côncavo é aferido por meio de um aparelho chamado " banco de Foucault ". Este aparelho possui uma fonte de luz ( lâmpada ) e uma rede de difração ( usada para o chamado teste de Ronchi ). A luz atravessa uma fenda e um feixe de luz é enviado para o espelho. O aparelho ( banco de Foucault ) é colocado sempre nas proximidades do raio de curvatura do espelho que corresponde ao dobro do valor da distância focal. Se um espelho possui 1000 mm de distância focal o aparelho é colocado a 2000 mm de distância do espelho. O espelho reflete então a luz ( que passou pela fenda ) e chega até a rede de difração. Logo atrás da rede o observador aproxima seu olho para fazer a análise da superfície óptica.

   

À esquerda esquema animado mostrando o principio de funcionamento do banco de Foucault. À direita banco de Foucault para aferição de espelhos esféricos e parabólicos. O micrômetro é usado para a analise da superfície parabólica no teste chamado de " Teste de Foucault ".

Noções de espelhos esféricos e parabólicos

Ao contrário do que muitos imaginam, nem todos os espelhos para telescópio são parabólicos e é muito comum o astrônomo amador imaginar que todos os espelhos são parabólicos.
Um espelho deve ser parabólico quando a sua distância focal é pequena. Espelhos com grande razão focal ( consequentemente grande distância focal ) apresentam superfícies esféricas ( ópticas com razão focal 9 ( F/d=9 ) ou superior apresentam superfícies esféricas ). A medida que diminuímos a razão focal ( F/D= 7 ou menor ) é necessária uma superfície parabólica para a correção da aberração esférica. Um espelho F/D=7 possui uma parábola bem leve. Já um primário F/D=6 apresenta uma parábola mais acentuada que o F/D=7 e assim por diante. Quando menor a razão focal ( F/D ) maior será a parábola do espelho.

 
 

O esquema acima mostra o princípio de um espelho esférico que possui uma superfície igual a de uma esfera. No exemplo temos uma grande esfera de vidro que possui um diâmetro interno de 6 metros. Portanto o seu raio é de 3 metros que corresponde também ao raio de curvatura do espelho. Uma fonte de luz colocada exatamente no centro dessa esfera é refletida pela superfície interna e retorna novamente para a fonte de luz ( o mesmo ocorre quando colocamos o Foucault no centro de curvatura do espelho ). Assim o espelho esférico nada mais é que uma calota ou uma pequena porção da superfície de uma esfera. No exemplo a esfera possui 6 metros de diâmetro e o raio de curvatura do espelho é igual a 3 metros ( valor corresponde a metade do diâmetro da esfera ). A distancia focal desse espelho é então de 1,5 metros ( metade do valor do raio de curvatura ).

Acima temos um esquema animado mostrando o princípio de um espelho parabólico. A superfície do espelho é baseada na forma de uma parábola. Essa forma é necessária para a eliminação da aberração esférica em espelhos com distâncias focais pequenas.

 
 

O esquema acima mostra a trajetória dos raios luminosos refletidos por um espelho parabólico.
No esquema ( A ) vemos que os raios luminosos refletidos na borda e no centro do espelho encontram o mesmo ponto do eixo óptico. Essa situação ocorre no foco, ou seja, quando a óptica está montada no telescópio e com aparelho captando fontes de luz distantes.
O esquema ( B ) mostra a trajetória dos raios de luz quando uma fonte luminosa é colocada no raio de curvatura do espelho. Nesse caso os raios luminosos refletidos no centro do espelho encontram o eixo óptico em posição diferente dos raios de luz refletidos pela borda.

Podemos dizer que um espelho parabólico possui diversos raios de curvatura, pois a luz refletida em cada região do espelho encontra o eixo óptico em pontos diferentes ( apenas para raios luminosos colocados no raio de curvatura do espelho ). É possível por meio de cálculos determinar a distância de cada um desses raios de curvatura e fazer essa leitura por meio de um micrômetro. Esse processo é usado na aferição de espelhos parabólicos e chamado de teste de Foucault.

 
 

Nos espelhos esféricos o processo é inverso do parabólico. Quando colocamos uma fonte de luz no centro de curvatura do espelho os raios luminosos encontram o eixo óptico no mesmo ponto, como mostra acima o esquema ( A ).
No foco, quando o espelho capta uma fonte de luz distante, a luz encontra o eixo óptico em posições diferentes ( esquema B ).
Essa diferença na posição do encontro dos raios de luz com o eixo óptico é chamada de " caustica " e nesse caso o espelho possui a chamada aberração esférica. Quanto maior a distância focal do espelho, menor será a aberração esférica. Por esse motivo os espelhos com grande distância focal não são parabólicos e mesmo sendo esféricos apresentam qualidade óptica e boas imagens. Deixar um espelho desse tipo parabólico significa configurar a óptica de maneira errada.

Testes ópticos

Como referência vamos usar um espelho esférico para mostrar as possíveis formas e defeitos que óptica pode adquirir durante a fase polimento. Como são mais simples de construir, os espelhos esféricos são indicados para quem deseja fazer sua primeira óptica.

A figura 1 mostra o aspecto de um espelho esférico pelo teste de Ronchi com as linhas retas e paralelas. À direita o perfil do espelho com sua superfície côncava.

A figura 2 temos a chamada superfície de forma esferóide oblato quando as linhas se curvam na direção do centro do espelho. O desenho azul mostra o perfil do espelho. A linha vermelha mostra o defeito na superfície indicando que o espelho está elevado em toda a sua área.

A figura 3 mostra o inverso onde as linhas se curvam na direção da borda do espelho e uma forma parabólica. Para um espelho de grande distância focal ( esférico ) essa configuração é errada, pois a aberração esférica criada é muito grande diminuindo a qualidade óptica. Na imagem azul, à direita, a linha vermelha mostra o defeito na óptica onde toda a superfície está mais funda.

A figura 4 mostra o defeito conhecido como " borda caída " onde as linhas se curvam bastante na borda do espelho. A imagem em azul ( que representa o perfil do espelho ) mostra a borda do espelho caída.
Uma borda caída de vários milímetros é considerado um defeito grave, pois pode provocar perda na qualidade da imagem.

A figura 5 mostra uma depressão no centro do espelho. Apenas a parte central está mais funda que o restante da superfície.

A figura 6 mostra o inverso, uma elevação na região central. Nesse caso o centro está bem mais elevado que o restante da superfície.


A foto a esquerda mostra a superfície de um espelho feito pelo teste de Ronchi. É possível notar diversos defeitos como borda caída acentuada, o centro com uma leve depressão, grande rugosidade nas linhas e etc. Esta foto foi retirada do livro " How to Make a Telescope " e segundo o autor, Jean Texereau, a combinação de defeitos não altera seriamente a imagem e é algo que passa despercebido observando uma estrela.



Todos os desenhos azuis, que mostram o perfil dos espelhos, estão representados de forma exagerada. Não é possível ver estes defeitos apenas olhando para o espelho. Estes defeitos ( e muitos outros ) são apenas visíveis analisando os espelhos com o banco de Foucault ( teste de Ronchi ou teste da parábola com um micrômetro ).

Teste de Ronchi de um primário cassegrain de 180 mm de diâmetro e 720 mm de distancia focal (F/D=4). Durante o teste é possível alterar o numero de linhas. Quanto maior a quantidade de linhas mais finas elas ficam. Ao reduzir o numero de linhas essas se mostram mais grossas e com isso é possível notar mais facilmente defeitos na superfície do espelho. O teste foi realizado durante a fase de polimento do espelho e sem a metalização. A imagem à direita mostra o teste de Foucault onde é usado um micrômetro para aferir a parábola do espelho.

É possível aferir a óptica de um telescópio colocando uma rede difração diretamente no focalizador (sem a ocular). Ao apontar o telescópio para uma estrela (ou uma fonte de luz bem distante) a rede de difração produzirá várias linhas. O ideal são linhas retas e paralelas como mostram as imagens acima de um Schmidt-Newtoniano. Uma pequena curva nas linhas não significa que o teescópio possui uma óptica ruim.

Planos Ópticos ( espelhos planos )

A análise de um espelho plano é mais complexa se comparado com o espelho primário. Para esse espelho não é usado o aparelho de Foucault, pois este somente é usado em espelhos côncavos.
É necessário, para a análise, um vidro plano de excelente qualidade óptica, conhecido como padrão óptico. Sobre o vidro que será aferido é colocado o padrão. Em seguida colocamos uma fonte luminosa apropriada que permite então a aferição do espelho. As duas superfícies em contato produzem linhas que são interpretadas de modo semelhante aos testes dos espelhos primários. Nesse caso um bom espelho plano deve apresentar linhas retas e paralelas. Quando o espelho possui baixa qualidade o desenho obtido é diferente. Podem surgir vários círculos ( que indica primeiramente que o espelho está muito côncavo ou convexo ) ou mesmo linhas muito irregulares indicando total falta de qualidade ( superfície ondulada ). O teste de espelhos planos é chamado de "teste de interferência de onda".

Fotos mostrando o aspecto de um vidro plano comum. O vidro testado é um cristal comum de 200 mm de diâmetro e 12 mm de espessura. É possível notar que as linhas são bem irregulares indicando ondulações e total falta de precisão.

As fotos acima mostram a análise de uma superfície plana pelo teste de interferência de onda luminosa. Nas imagens vemos que as linhas são retas e paralelas indicando que o vidro analisado possui uma superfície óptica de grande qualidade. O padrão utilizado possui um grau de precisão de lambda / 15 ( 1/15 do comprimento de onda da luz ).

As imagens acima mostram o teste no espelho terciário do telescópio ETX90 da Meade. Neste caso não temos linhas retas e sim linhas com uma curvatura ou dois anéis como mostra a ultima foto à direita. Isso não significa que o espelho não possui qualidade óptica e os anéis indicam que o espelho possui uma curvatura mais acentuada se comparado com um espelho de linhas retas.

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