了解表面粗糙度

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了解表面粗糙度

表面粗糙度是描述表面形状如何偏离其理想形式的一个组成部分，其中较高的值对应于较粗糙的表面，而较低的值表示表面是光滑的。粗糙度描述了高空间频率误差，意味着在埃（10^-10m）量级上的非常小的偏差。了解光学表面的表面粗糙度对于控制光散射是至关重要的，因为散射可以与光学器件的表面粗糙度成比例。来自表面粗糙度的光散射和吸收对诸如高功率激光系统的应用具有显著影响，这会对效率和激光损伤阈值产生负面影响。除了影响损伤阈值外，散射的高功率激光辐射还可能对系统附近的任何人造成安全隐患，因为光会被重新定向到非预期的方向。目前用于表面粗糙度的标准是ISO 10110-8，该标准规定了应如何分析和规定表面粗糙度。

符合ISO 10110-8的图纸将列出以下规格，以给出光学表面的完整描述。

图1:表面粗糙度规格示例

表面光洁度，在图1中显示为“P3 ”:

此变量指示表面光洁度。对于简单的抛光规格，它可以是G（表示研磨表面），也可以是P（表示光学抛光）。根据每10mm扫描的微缺陷的光滑度，将抛光等级指定为1-4，如下表1所示:

表1:用微观缺陷表示的光滑度

使用的统计方法，在图1中显示为“RQ 4 ”:

这将指示用于测量表面粗糙度的统计方法，后面是值。

空间带宽，在图1中显示为“1/0.003 ”:

这指定了从上限到下限的空间带宽范围。

当量化光学元件的表面纹理时，重要的是定义所测量的空间分辨率的级别。表面纹理或表面的完整形状可以分为三个主要的空间频率组：粗糙度、波度和图形。

图2:图形、波纹度和粗糙度在不同尺度下表面纹理的特征

图2显示了表面形状、波度和粗糙度如何共同表征表面偏离其理想形状的所有方式。图描述了表面的整体形状，并且是将要分析的最大尺度或最大空间频率。图中所描述的误差约为毫米至厘米的十分之一。波度测量描述特征的中间空间频率误差，数量级为µms至mm。粗糙度是误差的最小形式，它描述了表面纹理中间隔紧密的异常，数量级为十分之几埃到几十微米。

ISO 10110-8的目标是规定如何定义表面纹理的规则。根据国际标准化组织（ISO），“表面纹理是可以用统计方法有效描述的表面特征”。ISO标准概述了5种用于描述光学光滑表面的统计方法。这些方法可以组合使用，也可以在各种空间带宽上使用。定义空间频率的上限和下限对于获得准确的结果至关重要。如果未定义空间频率，则ISO 10110-8标准指定的假定范围为0.0025mm–0.08mm。

1&2.均方根粗糙度和波纹度：均方根（RMS）方法是美国规定光学光滑表面的最常用方法，而在欧洲，更常见的是规定绝对粗糙度。利用轮廓高度偏离平均线的均方根平均值来统计分析光学表面的光滑度。RMS粗糙度RQ是指粗糙度轮廓，而RMS波度WQ是指波度轮廓。两者均使用相同的均方根方法进行测量，但空间频率不同。

其中:

Rq：表面粗糙度（均方根偏差）

Wq：表面波纹度（均方根偏差）

T：一般表面结构（粗糙度或波纹度；均方根偏差）

Lr：样本长度

Z(x)：沿X轴的表面轮廓

图3:在给定采样长度上测得的粗糙度轮廓示例。Rq2表示均方根高度

3.均方根斜率：与均方根粗糙度和波度类似，可以使用沿给定采样长度的表面的局部倾斜的均方根斜率来指定光学平滑表面。

其中:

RΔq：表面粗糙度斜率（均方根斜率）

WΔq：表面波纹度斜率（均方根斜率）

4.微缺陷密度的指示：微缺陷是可以在光学光滑表面上发现的凹坑和划痕。通常使用光学轮廓仪、显微镜或显微图像比较仪对其进行量化。ISO 10110-8规定，“微缺陷的数量N，在分辨率为3µm的10mm线扫描范围内，或在相同分辨率的300µm××300µm区域内。”

5.功率谱密度（PSD）函数：PSD函数是测量表面粗糙度的最全面的统计方法之一。通过提供作为空间频率的函数的每个粗糙度分量的相对强度，它允许对表面纹理特性的完整描述。

这是用于计算二维表面的PSD的通用方程。FX和FY是表面纹理Z（X，y）的空间频率，其在边长为L的正方形区域上定义。

有一系列计量技术专门适用于不同的空间频率。最常见的是传统干涉测量法、白光干涉测量法和原子力显微镜。下面的图4展示了哪些区域和波长最适合这些技术。

图4:典型计量设备的空间频率范围。

传统的干涉测量法对于测量低空间频率误差是理想的。这类表面误差被称为图形误差，并且与典型的Zernike多项式相关联。泽尼克多项式描述了当光学元件偏离理想形状时由波前像差引起的误差。白光干涉仪最适合测量波度或中等范围的空间频率误差。波纹通常是由于产生了诸如模糊和对比度降低的效果。最后，原子力显微镜为表征光学表面粗糙度的高频空间误差提供了最佳分辨率。在这些组中有一些重叠，因为白光干涉仪和原子力显微镜都可以用于测量粗糙度。设备的正确选择部分取决于应用的波长。例如，当测量可见光谱或红外光谱时，WLI是理想的，因为它们通常在小于2，000周期/毫米的频率下进行分析。

在分析超快光学器件时，制造商必须自行决定指定表面质量，因为目前没有这样做的标准。一些超快光学器件制造商仅指定预涂覆表面质量，而其他制造商可能仅报价20-10或更高的涂覆后表面质量。

为超快应用制造的光学器件通常具有厚的专用涂层，需要长时间的溅射过程。由于该过程的长度，缺陷可能会溅射到涂层内，这会导致“灰尘”的外观或其他不规则的表面质量。而不是灰尘，这些缺陷是由被溅射的材料流中的小浪涌产生的。在整个涂覆过程中，溅射速率可能会发生变化，这会导致涂层的局部微沉积

图5:具有超快涂层的光学器件的典型外观。尽管表面质量不规则，但Edmund Optics保证了我们超快光学器件的特定性能

尽管它们的外观，这些缺陷对光学器件的整体性能的影响可以忽略不计。由于这些缺陷的尺寸相对较小，当考虑薄膜的整体特性（如群延迟色散和反射率）时，光束的受影响部分变得无关紧要。虽然在大多数情况下可以忽略不计，但需要小光束尺寸或超低损耗的应用可能会因这些缺陷而增加通过系统的散射。为了满足更严格的规范，可以采取特殊措施来减少整体散射，例如从超级抛光基板开始。

Edmund Optics采用严格的全球质量计划，以确保组件满足其特定要求。利用包括干涉仪、表面光度仪、坐标测量机（CMM）和许多其他光学和机械计量设备在内的一系列设备进行内部测试，以确定表面粗糙度和其他光学特性。

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