了解表面粗糙度

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，其中較高的值對應于較粗糙的表面，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(zhù)在埃（10^-10m）量級上的非常小的偏差。了解光學(xué)表面的表面粗糙度對于控制光散射是至關(guān)重要的，因為散射可以與光學(xué)器件的表面粗糙度成比例。來(lái)自表面粗糙度的光散射和吸收對諸如高功率激光系統的應用具有顯著(zhù)影響，這會(huì )對效率和激光損傷閾值產(chǎn)生負面影響。除了影響損傷閾值外，散射的高功率激光輻射還可能對系統附近的任何人造成安全隱患，因為光會(huì )被重新定向到非預期的方向。目前用于表面粗糙度的標準是ISO 10110-8，該標準規定了應如何分析和規定表面粗糙度。

讀取表面粗糙度標注

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

圖1:表面粗糙度規格示例

表面光潔度，在圖1中顯示為“ P3 ":

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

表1:用微觀(guān)缺陷表示的光滑度

使用的統計方法，在圖1中顯示為“ RQ 4 ":

這將指示用于測量表面粗糙度的統計方法，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

當量化光學(xué)元件的表面紋理時(shí)，重要的是定義所測量的空間分辨率的級別。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。波度測量描述特征的中間空間頻率誤差，數量級為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，數量級為十分之幾埃到幾十微米。

ISO 10110-8表面粗糙度參數

ISO 10110-8的目標是規定如何定義表面紋理的規則。根據國際標準化組織（ISO），“表面紋理是可以用統計方法有效描述的表面特征"。ISO標準概述了5種用于描述光學(xué)光滑表面的統計方法。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于獲得準確的結果至關(guān)重要。如果未定義空間頻率，則ISO 10110-8標準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）方法是美國規定光學(xué)光滑表面的zuichangyong方法，而在歐洲，更常見(jiàn)的是規定絕對粗糙度。利用輪廓高度偏離平均線(xiàn)的均方根平均值來(lái)統計分析光學(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：一般表面結構（粗糙度或波紋度；均方根偏差）

Lr：樣本長(cháng)度

Z(x)：沿X軸的表面輪廓

圖3:在給定采樣長(cháng)度上測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(lèi)似，可以使用沿給定采樣長(cháng)度的表面的局部?jì)A斜的均方根斜率來(lái)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其進(jìn)行量化。ISO 10110-8規定，“微缺陷的數量N，在分辨率為3µm的10mm線(xiàn)掃描范圍內，或在相同分辨率的300µm××300µm區域內。"

5.功率譜密度（PSD）函數：PSD函數是測量表面粗糙度的zuiquanmian的統計方法之一。通過(guò)提供作為空間頻率的函數的每個(gè)粗糙度分量的相對強度，它允許對表面紋理特性的完整描述。

這是用于計算二維表面的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(cháng)為L(cháng)的正方形區域上定義。

測量表面粗糙度的計量學(xué)

有一系列計量技術(shù)專(zhuān)門(mén)適用于不同的空間頻率。最常見(jiàn)的是傳統干涉測量法、白光干涉測量法和原子力顯微鏡。下面的圖4展示了哪些區域和波長(cháng)zuiheshi 這些技術(shù)。

圖4:典型計量設備的空間頻率范圍。

傳統的干涉測量法對于測量低空間頻率誤差是理想的。這類(lèi)表面誤差被稱(chēng)為圖形誤差，并且與典型的Zernike多項式相關(guān)聯(lián)。澤尼克多項式描述了當光學(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，因為白光干涉儀和原子力顯微鏡都可以用于測量粗糙度。設備的正確選擇部分取決于應用的波長(cháng)。例如，當測量可見(jiàn)光譜或紅外光譜時(shí)，WLI是理想的，因為它們通常在小于2，000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，因為目前沒(méi)有這樣做的標準。一些超快光學(xué)器件制造商僅zhi定預涂覆表面質(zhì)量，而其他制造商可能僅報價(jià)20-10或更高的涂覆后表面質(zhì)量。

為超快應用制造的光學(xué)器件通常具有厚的專(zhuān)用涂層，需要長(cháng)時(shí)間的濺射過(guò)程。由于該過(guò)程的長(cháng)度，缺陷可能會(huì )濺射到涂層內，這會(huì )導致“灰塵"的外觀(guān)或其他不規則的表面質(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(guò)程中，濺射速率可能會(huì )發(fā)生變化，這會(huì )導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(guān)。盡管表面質(zhì)量不規則，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(guān)，這些缺陷對光學(xué)器件的整體性能的影響可以忽略不計。由于這些缺陷的尺寸相對較小，當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(wú)關(guān)緊要。雖然在大多數情況下可以忽略不計，但需要小光束尺寸或超低損耗的應用可能會(huì )因這些缺陷而增加通過(guò)系統的散射。為了滿(mǎn)足更嚴格的規范，可以采取特殊措施來(lái)減少整體散射，例如從超級拋光基板開(kāi)始。

Edmund Optics®的計量

Edmund Optics采用嚴格的全球質(zhì)量計劃，以確保組件滿(mǎn)足其特定要求。利用包括干涉儀、表面光度儀、坐標測量機（CMM）和許多其他光學(xué)和機械計量設備在內的一系列設備進(jìn)行內部測試，以確定表面粗糙度和其他光學(xué)特性。