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，意味著在埃（10^-10m）量級上的非常小的偏差,。了解光學表面的表面粗糙度對于控制光散射是至關重要的,，因為散射可以與光學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諸如高功率激光系統(tǒng)的應用具有顯著影響,，這會對效率和激光損傷閾值產生負面影響,。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(tǒng)附近的任何人造成安全隱患,，因為光會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(guī)定了應如何分析和規(guī)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(guī)格,，以給出光學表面的完整描述,。

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,。對于簡單的拋光規(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:用微觀缺陷表示的光滑度

使用的統(tǒng)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(tǒng)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

當量化光學元件的表面紋理時，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(guī)定如何定義表面紋理的規(guī)則。根據國際標準化組織（ISO）,，“表面紋理是可以用統(tǒng)計方法有效描述的表面特征"。ISO標準概述了5種用于描述光學光滑表面的統(tǒng)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(guī)定光學光滑表面的zuichangyong方法，而在歐洲,，更常見的是規(guī)定絕對粗糙度,。利用輪廓高度偏離平均線的均方根平均值來統(tǒng)計分析光學表面的光滑度。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：樣本長度

Z(x)：沿X軸的表面輪廓

圖3:在給定采樣長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似,，可以使用沿給定采樣長度的表面的局部傾斜的均方根斜率來zhiding光學平滑表面,。

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光滑表面上發(fā)現(xiàn)的凹坑和劃痕。通常使用光學輪廓儀,、顯微鏡或顯微圖像比較儀對其進行量化,。ISO 10110-8規(guī)定，“微缺陷的數量N,，在分辨率為3µm的10mm線掃描范圍內,，或在相同分辨率的300µm××300µm區(qū)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(tǒng)計方法之一,。通過提供作為空間頻率的函數的每個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，其在邊長為L的正方形區(qū)域上定義,。

測量表面粗糙度的計量學

有一系列計量技術專門適用于不同的空間頻率,。最常見的是傳統(tǒng)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(qū)域和波長zuiheshi 這些技術,。

圖4:典型計量設備的空間頻率范圍。

傳統(tǒng)的干涉測量法對于測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多項式相關聯(lián)。澤尼克多項式描述了當光學元件偏離理想形狀時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,。例如,，當測量可見光譜或紅外光譜時，WLI是理想的,，因為它們通常在小于2,，000周期/毫米的頻率下進行分析。

超快光學表面質量的規(guī)定

在分析超快光學器件時,，制造商必須自行決定zhi定表面質量,，因為目前沒有這樣做的標準。一些超快光學器件制造商僅zhi定預涂覆表面質量,，而其他制造商可能僅報價20-10或更高的涂覆后表面質量,。

為超快應用制造的光學器件通常具有厚的專用涂層，需要長時間的濺射過程,。由于該過程的長度,，缺陷可能會濺射到涂層內，這會導致“灰塵"的外觀或其他不規(guī)則的表面質量,。而不是灰塵,，這些缺陷是由被濺射的材料流中的小浪涌產生的。在整個涂覆過程中,，濺射速率可能會發(fā)生變化,，這會導致涂層的局部微沉積

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

盡管它們的外觀,，這些缺陷對光學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,，光束的受影響部分變得無關緊要。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因這些缺陷而增加通過系統(tǒng)的散射,。為了滿足更嚴格的規(guī)范，可以采取特殊措施來減少整體散射,，例如從超級拋光基板開始,。

Edmund Optics®的計量

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