反射光学器件出现在光学系统中的范围是这些组件重要性的适当指标。反射镜在光学工作台设置中无处不在，可实现跨学科的实验室研究。工业、健康和生命科学应用，以及用于天文学和高能物理的大型光学系统，也依赖于反射光学。反射光学器件能够确保系统执行其所需功能，从而确立了其作为业界最常用的光学器件之一的作用。
詹姆斯·韦伯太空望远镜的镀金主镜由18个独立的镜子组成。高反射率镀膜确保反射光学器件达到高水平的 性能 - 例如能够在最苛刻的条件下测量来自极远星系的光。
就其参数而言，反射光学器件也是设计师和工程师需要优化的最关键组件之一。包含这些组件的系统的用户必须确保几何形状以及所选材料和基材与目标应用保持一致。如果部署得当，反射式光学器件可以满足各种应用的需求，包括常见应用和尖端应用，同时提供高性能。
目前，反射镜技术与其支持的应用非常相似，正在不断发展，以满足工业、航空航天和国防以及消费类应用对高性能光学系统日益增长的需求。除了新趋势外，该技术领域的持续创新还延伸到经常被忽视的功能和传统光学系统。
什么是镜子？
简单地说，镜子是反射组件。反射被广义地定义为波前在两种不同介质之间的界面方向的变化，以便波前返回到它起源的介质中。根据反射定律，当一束光线照射到表面时，它会以可预测的方式反弹。入射角（称为入射角）始终等于离开表面的角度或反射角。
尽管所有镜子都具有反射功能，但镜子中的反射类型取决于镜子的形状，在某些情况下，取决于镜子与反射物体位置之间的距离。对于高性能光学系统，选择的反射镜和最常用的反射镜，特别是对于精密光学应用，是“第一表面”。这些组件具有沉积的高反射率涂层 在各种前表面 不同类型的玻璃、金属或 半导体基板。
虽然可以使用类似的涂层技术制造第二面反射镜，但入射光在被涂层反射之前会穿过透明基材。这种几何形状有助于保护涂层免受划痕和氧化，但会导致一些问题，例如图像失真，使这种类型的反射镜不适合精密光学中的大多数应用。
除了形状和表面之外，配置是镜面性能的另一个决定因素。并非所有镜子都是平的。由于反射镜可以生产成各种配置，因此它们可用于提供重要的反射特性，从而可能有利于某些应用。例如，在最大的光学望远镜中常见的凹面镜用于收集从宇宙非常遥远的地方发出的微弱光信号。曲面将远距离的平行光线集中到一个点上，从而增强了测量强度。
涂层注意事项
为应用选择合适的反射镜必须考虑
几个因素，包括应用本身。除了纯粹的物理参数之外，镜子的许多特性还取决于光学镀膜、基板和表面质量。影响反射镜和系统性能的因素包括涂层耐久性、基板的热膨胀、波前畸变和散射光。还必须考虑反射率和抗激光损伤性的测量。
由于光学镀膜决定了反射率和耐久性，因此它是影响反射镜在应用中的性能的最关键因素。高性能镜子通常涂有薄膜。这些薄膜涂层通常由金属 或介电材料，尽管某些涂层同时使用这两种类型的材料。
金属涂层由涂覆在基材表面的银、金、铝和/或其他金属的薄层组成。金属层与入射光相互作用，使其从表面反射。其结果是一个镜面状的表面，可以高效地反射光，这对于需要非常精确的光控制的空间通信和半导体光刻等应用至关重要。
在大多数情况下，金属涂层非常脆弱，尤其是在没有添加保护层的情况下。在处理和清洁过程中，它们还需要格外小心;清洁、干燥的空气通常是必须用于清洁未受保护的金属涂层表面的材料，尽管某些接触方法可能是可以接受的。
制造商可以通过在金属镜面上涂上介电涂层来克服这一缺点，这样可以改善组件的处理，提高涂层的耐久性，并提供抗氧化保护——所有这些都不会引起任何可能对涂层性能产生负面影响的质量。介电层也可以设计成增强金属涂层在特定光谱区域的反射率。异丙醇或丙酮可用于清洁受保护的金属涂层反射镜。
介电薄膜涂层由许多薄层堆叠而成。通常，每个的厚度是所用材料波长的四分之一。通常，这些层在两种或多种具有不同折射率的材料之间交替。
光学干涉是介电薄膜涂层反射光的机制。每个材料界面处所有反射光的相长干涉相结合，在所需波长下产生高反射率。事实上，材料本身可能根本没有反光性。
除了耐用性和可及性方面的优势（例如易于清洁）外，带有介电涂层的镜子还更能抵抗激光损伤。然而，由于介质反射镜具有色散性和主要真实的折射率，因此具有较窄的光谱反射率，最常用于可见光和近红外区域。尽管如此，介电涂层的设计仍比金属涂层的设计具有更大的灵活性。与金属反射镜相比，介电反射镜可以提供相对于某些光谱范围更高的反射率，并且可以提供定制的、量身定制的光谱响应。
基板制造
使用各种技术来应用镜面涂层，并根据镜面所需的性能和设想的应用来选择具体方法。常用的技术包括物理气相沉积、化学气相沉积和溅射沉积。这些工艺在基材上形成薄、均匀、无缺陷的金属层，增强了表面的高反射涂层。
大多数沉积涂层的基板由介电材料制成，这些基板控制着镜子的热膨胀和透射性能。某些材料，如硼硅酸盐玻璃或熔融石英，具有比其他光学玻璃更低的热膨胀系数，虽然有利于某些应用，但可能并不总是取代或超过对基板材料成本和抛光难易程度的考虑。如果不需要通过基板透射光，则通常将基板的背面接地，以防止无意中传输。但是，对于透射 反射镜，一种基材材料，如熔融石英，具有均匀的折射率 的折射，成为重要的 材料。
反射光学器件通常使用金刚石车削直接加工到基板中，或者采用薄膜涂层。单点金刚石车削是使用车床或其他配备金刚石刀头的机床对精密元件进行机械加工。金刚石车削反射光学器件可能还需要进行后抛光才能达到所需的表面光洁度。五轴金刚石车床是一项相对较新的进步，在以下方面发挥了重要作用 帮助满足客户对自由曲面产品的需求。
表面粗糙度测量值为<100 Å，可用于高精度金刚石车削。表面粗糙度越低，光学器件在可见光谱中的散射就越小。但是，如果应用使用来自可见光谱低端的光，则 100 Å 可能是不可接受的散射水平。最高精度金刚石车削部件的粗糙度可以达到 <50 Å，并且可以通过后加工电镀进一步提高。
镜面基板也可以研磨和抛光成所需的形状，无论是平面的还是弯曲的。表面质量和平整度决定了反射镜性能的保真度，而目标应用决定了对这些参数的要求。
表面平整度通常以波长（例如λ/10）指定，覆盖镜子的整个可用区域。在保持波前至关重要的情况下，应选择 λ/10 至 λ/20 反射镜。要求不高 应用可以容忍 λ/2 到 λ/5 的反射镜，从而降低成本。
表面上随机局部缺陷的严重程度通常决定了整体表面质量，而整体表面质量本身通常以“划痕和挖掘”规范来量化。通常表示为数值集，较低的值（例如20-10）表示质量提高，散射降低。
对于高精度表面，例如在激光腔内发现的表面，可能需要 10-5 的划痕挖掘规格。这样的值将产生很少的散射光。其他可测量指标，例如不规则性、表面粗糙度和外观缺陷方面的表面抛光公差，均使用最新迭代的先进计量设备进行验证。这些相同的参数和程序用于评估其他光学元件（如透镜或窗口）的质量和平整度。
由应用
驱动 反射率和其他设计考虑因素也会产生影响镜子技术，最终用途或应用通常是任何系统中镜子类型和质量的核心决定因素。几种主要的反射镜类型，所有这些类型的结构都是为了满足当前光学系统的一般但不同的需求，包括平面反射镜、离轴反射镜、Nd：YAG激光反射镜、宽带介电反射镜、激光线反射镜、超快激光反射镜、聚焦反射镜、红外反射镜和热/冷反射镜。每个选项都为跨行业领域的应用提供了独特的优势。
例如，在健康和生命科学细分市场中，特别是在生物医学技术领域，金属涂层光学元件存在于用于手术和诊断的激光设备中。对于这些应用，镜面镀膜有助于在各种外科手术中引导激光束。同时，高反射率涂层可提高诊断设备的性能，例如酶标仪、傅里叶变换仪器和流式细胞术系统。
在航空航天工业中，金属涂层光学元件也发挥着同样重要的作用。反射镜是基于激光的卫星对卫星通信的关键组件。此外，高反射率涂层用于太空望远镜，如哈勃望远镜，以观察遥远的天文物体。例如，美国宇航局、欧洲航天局和加拿大航天局合作的詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜具有巨大的镀金部件。这面镜子由18个较小的镜子组成，允许任务团队使用该镜子来测量来自距离地球数十亿光年的极远星系的光。
反射组件还嵌入到支持国防领域一系列先进军事技术的系统中。这些包括跟踪和瞄准系统以及其他激光系统。镜面镀膜通常用于潜望镜、夜视设备和激光制导系统。如此坚固的金属 涂层可以承受严酷的战场条件并提供可靠的性能。
国防应用中遇到的极端环境并不是金属涂层提供必要能力的唯一环境，以满足苛刻的要求 应用。在半导体行业，金属涂层组件对于芯片生产至关重要。具体来说，金属涂层用于光刻系统，在半导体晶圆上蚀刻小精密电路图案。高反射率涂层还用于提高半导体制造中许多检测过程的效率。
趋势和市场
优化系统位于光学元件设计和应用知识的交叉点。与经验丰富、知识渊博的光学元件合作伙伴合作，通常会产生巨大的结果，从而实现卓越的系统级性能。
这种动态至关重要;通常，标准目录反射镜不足以满足高性能光学系统的需求。光学测量系统中各个组件的正确设计和应用可确保最高水平的仪器性能。
这种交叉点还有其他好处。目前，对于 eXample、自由曲面反射镜开始用于保持高性能的商业和低成本光学系统。自由曲面是缺乏旋转和平移对称性的曲面。如上一页第一张图所示，这与大多数采用球面（在所有轴上都是旋转对称的（球体没有顶点））和非球面（通常具有单个旋转对称轴）的传统光学器件形成鲜明对比。
这种在自由形式中缺乏对称性，使得对光线路径的控制比其他方式所能实现的更复杂。此功能允许自由曲面更好地校正像差 比传统光学器件更有效，例如在宽视场和高分辨率成像系统中常见的离轴像差。这种能力转化为更高的吞吐量和卓越的图像质量，在更宽的视野中具有更高的清晰度和对比度。从显微镜和光谱学到成像和高级监测的应用都是从中受益的应用之一。
自由形式在各种情况下的功效 应用促进了对制造，特别是复制技术的高度关注。Newport 使用先进的精确复制流程，该流程以使用高保真母版为中心，从中可以高质量和高效地制作精确的副本。在复制过程中，母版在整体上具有非常高的保真度 表面精度和表面粗糙度。此复制过程用于擦除最初可能存在于复制品基板表面上的任何工具标记和中空间频率表面错误。这些复制品的典型规格是 λ/8 表面图形和 40-20 的划痕。
自适应光学技术的兴起正在推动反射光学领域的另一种趋势。液体反射镜因其在望远镜系统中的使用而受到青睐，由于一系列发展，它们有望像自适应光学器件一样发挥作用，因此有望重返主流使用 系统 — 同时绕过与自适应光学相关的价格标签。使用铁磁液体而不是汞，多个研究小组已经展示了可变形的液体反射镜。
自适应光学使用最先进的可变形镜子，这些镜子由计算机控制，可以实时调整大气湍流引起的光学失真，以创建天体图像。这些图像几乎与在太空中拍摄的图像一样清晰。自适应光学系统使反射望远镜能够看到比地面望远镜更精细的细节。
在其他地方，计算机超抛光制造和精密离子束溅射技术越来越多地成为高能激光镜设计的基础。这些组件旨在提供高激光损伤阈值、超低散射、出色的波前性能和坚固的机械耐久性。
高能激光反射镜具有高反射率和环境稳定性。 因此，它们被用于要求苛刻的应用，如军事瞄准和微加工、工业材料加工系统、腔内激光和高辐射Nergy 研究激光。例如，高级光子源（APS）中使用的反射镜面临着世界上最苛刻的条件。为了保持光束的质量，镜子必须几乎完全光滑。这一要求超越了传统要求 机械化学抛光，需要将原子逐个从镜面上去除。
高能激光反射镜是定制的 制造和涂层的典型规格为 >99.5% 反射率、λ/20 平整度（在 633 nm 处测量）和 10-5 的划痕挖掘。就APS中使用的反射镜而言，目前只有少数公司生产这些光学器件。
产品开发最活跃的领域之一涉及多光谱 窄带和宽带（紫外到红外）应用，如荧光和光谱学。从广义上讲，生物医学仪器和半导体加工等市场正在推动紫外光谱的使用。在过去十年中，紫外线应用的性质发生了巨大变化，这主要是由于在较短波长下出现了更高功率的光源。其结果是紫外反射光学器件的产品开发浪潮，该浪潮依赖于最新的设计、分析和生产技术来优化性能。
这些紫外应用的设计可以是折射的（基于透镜的）或反射的（基于镜面的），尽管反射系统越来越受到关注。反射系统本质上是完全色度校正的，使其成为极宽带传输的具有成本效益的选择。缺点是这些系统只能校正小的角度场。
