了解表面粗糙度

表面粗糙度是描述表面形狀如何偏離其理想形式的一個(gè)組成部分，其中較高的值對(duì)應(yīng)于較粗糙的表面，而較低的值表示表面是光滑的。粗糙度描述了高空間頻率誤差，意味著在埃（10^-10m）量級(jí)上的非常小的偏差。了解光學(xué)表面的表面粗糙度對(duì)于控制光散射是至關(guān)重要的，因?yàn)樯⑸淇梢耘c光學(xué)器件的表面粗糙度成比例。來自表面粗糙度的光散射和吸收對(duì)諸如高功率激光系統(tǒng)的應(yīng)用具有顯著影響，這會(huì)對(duì)效率和激光損傷閾值產(chǎn)生負(fù)面影響。除了影響損傷閾值外，散射的高功率激光輻射還可能對(duì)系統(tǒng)附近的任何人造成安全隱患，因?yàn)楣鈺?huì)被重新定向到非預(yù)期的方向。目前用于表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)是ISO 10110-8，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了應(yīng)如何分析和規(guī)定表面粗糙度。

讀取表面粗糙度標(biāo)注

符合ISO 10110-8的圖紙將列出以下規(guī)格，以給出光學(xué)表面的完整描述。

圖1:表面粗糙度規(guī)格示例

表面光潔度，在圖1中顯示為“ P3 ”:

此變量指示表面光潔度。對(duì)于簡(jiǎn)單的拋光規(guī)格，它可以是G（表示研磨表面），也可以是P（表示光學(xué)拋光）。根據(jù)每10mm掃描的微缺陷的光滑度，將拋光等級(jí)zhi定為1-4，如下表1所示:

表1:用微觀缺陷表示的光滑度

使用的統(tǒng)計(jì)方法，在圖1中顯示為“ RQ 4 ”:

這將指示用于測(cè)量表面粗糙度的統(tǒng)計(jì)方法，后面是值。

空間帶寬，在圖1中顯示為“ 1/0.003 ”:

這zhi了從上限到下限的空間帶寬范圍。

空間頻率和頻率組

當(dāng)量化光學(xué)元件的表面紋理時(shí)，重要的是定義所測(cè)量的空間分辨率的級(jí)別。表面紋理或表面的完整形狀可以分為三個(gè)主要的空間頻率組：粗糙度、波度和圖形。

圖2:圖形、波紋度和粗糙度在不同尺度下表面紋理的特征

圖2顯示了表面形狀、波度和粗糙度如何共同表征表面偏離其理想形狀的所有方式。圖描述了表面的整體形狀，并且是將要分析的最大尺度或最大空間頻率。圖中所描述的誤差約為毫米至厘米的十分之一。波度測(cè)量描述特征的中間空間頻率誤差，數(shù)量級(jí)為µms至mm。粗糙度是誤差的最小形式，它描述了表面紋理中間隔緊密的異常，數(shù)量級(jí)為十分之幾埃到幾十微米。

ISO 10110-8表面粗糙度參數(shù)

ISO 10110-8的目標(biāo)是規(guī)定如何定義表面紋理的規(guī)則。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO），“表面紋理是可以用統(tǒng)計(jì)方法有效描述的表面特征”。ISO標(biāo)準(zhǔn)概述了5種用于描述光學(xué)光滑表面的統(tǒng)計(jì)方法。這些方法可以組合使用，也可以在各種空間帶寬上使用。定義空間頻率的上限和下限對(duì)于獲得準(zhǔn)確的結(jié)果至關(guān)重要。如果未定義空間頻率，則ISO 10110-8標(biāo)準(zhǔn)zhiding的假定范圍為0.0025mm–0.08mm。

1&2.均方根粗糙度和波紋度：均方根（RMS）方法是美國(guó)規(guī)定光學(xué)光滑表面的zuichangyong方法，而在歐洲，更常見的是規(guī)定絕對(duì)粗糙度。利用輪廓高度偏離平均線的均方根平均值來統(tǒng)計(jì)分析光學(xué)表面的光滑度。RMS粗糙度RQ是指粗糙度輪廓，而RMS波度WQ是指波度輪廓。兩者均使用相同的均方根方法進(jìn)行測(cè)量，但空間頻率不同。

其中:

Rq：表面粗糙度（均方根偏差）

Wq：表面波紋度（均方根偏差）

T：一般表面結(jié)構(gòu)（粗糙度或波紋度；均方根偏差）

Lr：樣本長(zhǎng)度

Z(x)：沿X軸的表面輪廓

圖3:在給定采樣長(zhǎng)度上測(cè)得的粗糙度輪廓示例。Rq2表示均方根高度

3.均方根斜率：與均方根粗糙度和波度類似，可以使用沿給定采樣長(zhǎng)度的表面的局部?jī)A斜的均方根斜率來zhiding光學(xué)平滑表面。

其中:

RΔq：表面粗糙度斜率（均方根斜率）

WΔq：表面波紋度斜率（均方根斜率）

4.微缺陷密度的指示：微缺陷是可以在光學(xué)光滑表面上發(fā)現(xiàn)的凹坑和劃痕。通常使用光學(xué)輪廓儀、顯微鏡或顯微圖像比較儀對(duì)其進(jìn)行量化。ISO 10110-8規(guī)定，“微缺陷的數(shù)量N，在分辨率為3µm的10mm線掃描范圍內(nèi)，或在相同分辨率的300µm××300µm區(qū)域內(nèi)?！?/span>

5.功率譜密度（PSD）函數(shù)：PSD函數(shù)是測(cè)量表面粗糙度的zuiquanmian的統(tǒng)計(jì)方法之一。通過提供作為空間頻率的函數(shù)的每個(gè)粗糙度分量的相對(duì)強(qiáng)度，它允許對(duì)表面紋理特性的完整描述。

這是用于計(jì)算二維表面的PSD的通用方程。FX和FY是表面紋理Z（X，y）的空間頻率，其在邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形區(qū)域上定義。

測(cè)量表面粗糙度的計(jì)量學(xué)

有一系列計(jì)量技術(shù)專門適用于不同的空間頻率。最常見的是傳統(tǒng)干涉測(cè)量法、白光干涉測(cè)量法和原子力顯微鏡。下面的圖4展示了哪些區(qū)域和波長(zhǎng)zuiheshi 這些技術(shù)。

圖4:典型計(jì)量設(shè)備的空間頻率范圍。

傳統(tǒng)的干涉測(cè)量法對(duì)于測(cè)量低空間頻率誤差是理想的。這類表面誤差被稱為圖形誤差，并且與典型的Zernike多項(xiàng)式相關(guān)聯(lián)。澤尼克多項(xiàng)式描述了當(dāng)光學(xué)元件偏離理想形狀時(shí)由波前像差引起的誤差。白光干涉儀zuishihe測(cè)量波度或中等范圍的空間頻率誤差。波紋通常是由于產(chǎn)生了諸如模糊和對(duì)比度降低的效果。最后，原子力顯微鏡為表征光學(xué)表面粗糙度的高頻空間誤差提供了最佳分辨率。在這些組中有一些重疊，因?yàn)榘坠飧缮鎯x和原子力顯微鏡都可以用于測(cè)量粗糙度。設(shè)備的正確選擇部分取決于應(yīng)用的波長(zhǎng)。例如，當(dāng)測(cè)量可見光譜或紅外光譜時(shí)，WLI是理想的，因?yàn)樗鼈兺ǔＴ谛∮?，000周期/毫米的頻率下進(jìn)行分析。

超快光學(xué)表面質(zhì)量的規(guī)定

在分析超快光學(xué)器件時(shí)，制造商必須自行決定zhi定表面質(zhì)量，因?yàn)槟壳皼]有這樣做的標(biāo)準(zhǔn)。一些超快光學(xué)器件制造商僅zhi定預(yù)涂覆表面質(zhì)量，而其他制造商可能僅報(bào)價(jià)20-10或更高的涂覆后表面質(zhì)量。

為超快應(yīng)用制造的光學(xué)器件通常具有厚的專用涂層，需要長(zhǎng)時(shí)間的濺射過程。由于該過程的長(zhǎng)度，缺陷可能會(huì)濺射到涂層內(nèi)，這會(huì)導(dǎo)致“灰塵”的外觀或其他不規(guī)則的表面質(zhì)量。而不是灰塵，這些缺陷是由被濺射的材料流中的小浪涌產(chǎn)生的。在整個(gè)涂覆過程中，濺射速率可能會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)導(dǎo)致涂層的局部微沉積

圖5:具有超快涂層的光學(xué)器件的典型外觀。盡管表面質(zhì)量不規(guī)則，但Edmund Optics保證了我們超快光學(xué)器件的特定性能

盡管它們的外觀，這些缺陷對(duì)光學(xué)器件的整體性能的影響可以忽略不計(jì)。由于這些缺陷的尺寸相對(duì)較小，當(dāng)考慮薄膜的整體特性（如群延遲色散和反射率）時(shí)，光束的受影響部分變得無關(guān)緊要。雖然在大多數(shù)情況下可以忽略不計(jì)，但需要小光束尺寸或超低損耗的應(yīng)用可能會(huì)因這些缺陷而增加通過系統(tǒng)的散射。為了滿足更嚴(yán)格的規(guī)范，可以采取特殊措施來減少整體散射，例如從超級(jí)拋光基板開始。

Edmund Optics®的計(jì)量

Edmund Optics采用嚴(yán)格的全球質(zhì)量計(jì)劃，以確保組件滿足其特定要求。利用包括干涉儀、表面光度儀、坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）和許多其他光學(xué)和機(jī)械計(jì)量設(shè)備在內(nèi)的一系列設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部測(cè)試，以確定表面粗糙度和其他光學(xué)特性。