Oberflächenqualität
Die Oberflächenqualität einer optischen Oberfläche beschreibt deren kosmetisches Erscheinungsbild und umfasst Mängel wie Kratzer, Vertiefungen oder Kerben.In den meisten Fällen sind diese Oberflächenfehler rein kosmetischer Natur und beeinträchtigen die Systemleistung nicht wesentlich. Sie können jedoch zu einem geringfügigen Verlust des Systemdurchsatzes und einer geringfügigen Zunahme des Streulichts führen.Bestimmte Oberflächen reagieren jedoch empfindlicher auf diese Effekte, wie zum Beispiel: (1) Oberflächen auf Bildebenen, weil diese Defekte im Fokus liegen, und (2) Oberflächen, die hohen Energiepegeln ausgesetzt sind, weil diese Defekte eine erhöhte Energieabsorption und Schäden verursachen können die Optik.Die am häufigsten verwendete Spezifikation für die Oberflächenqualität ist die in MIL-PRF-13830B beschriebene Scratch-Dig-Spezifikation.Die Kratzerbezeichnung wird durch den Vergleich der Kratzer auf einer Oberfläche mit einer Reihe von Standardkratzern unter kontrollierten Lichtbedingungen ermittelt.Daher beschreibt die Kratzerbezeichnung nicht den tatsächlichen Kratzer selbst, sondern vergleicht ihn vielmehr mit einem standardisierten Kratzer gemäß MIL-Spec.Die Bezeichnung „Ausgrabung“ bezieht sich jedoch direkt auf die Ausgrabung oder kleine Grube in der Oberfläche.Die Dig-Bezeichnung wird anhand des Dig-Durchmessers in Mikrometern dividiert durch 10 berechnet. Scratch-Dig-Spezifikationen von 80–50 gelten typischerweise als Standardqualität, 60–40 als Präzisionsqualität und 20–10 als Hochpräzisionsqualität.
| Tabelle 6: Fertigungstoleranzen für die Oberflächenqualität | |
| Oberflächenqualität (Scratch-Dig) | Qualitätsstufe |
| 80-50 | Typisch |
| 60-40 | Präzision |
| 40-20 | Hohe Präzision |
Oberflächenebenheit
Die Oberflächenebenheit ist eine Art Oberflächengenauigkeitsspezifikation, die die Abweichung einer flachen Oberfläche misst, beispielsweise die eines Spiegels, Fensters, Prismas oder einer Planlinse.Diese Abweichung kann mit einem optischen Plan gemessen werden, einer hochwertigen, hochpräzisen flachen Referenzfläche, die zum Vergleich der Ebenheit eines Teststücks verwendet wird.Wenn die flache Oberfläche der Testoptik auf die optische Ebene gelegt wird, treten Streifen auf, deren Form die Ebenheit der Oberfläche der zu prüfenden Optik bestimmt.Wenn die Streifen gleichmäßig verteilt, gerade und parallel sind, ist die zu prüfende optische Oberfläche mindestens so flach wie die optische Referenzebene.Wenn die Streifen gekrümmt sind, gibt die Anzahl der Streifen zwischen zwei imaginären Linien, eine Tangente an die Mitte eines Streifens und eine durch die Enden desselben Streifens, den Ebenheitsfehler an.Die Abweichungen in der Ebenheit werden oft in Wellenwerten (λ) gemessen, die ein Vielfaches der Wellenlänge der Prüfquelle sind.Ein Streifen entspricht einer halben Welle, dh 1 λ entspricht 2 Streifen.
| Tabelle 7: Fertigungstoleranzen für Ebenheit | |
| Ebenheit | Qualitätsstufe |
| 1λ | Typisch |
| λ/4 | Präzision |
| λ/10 | Hohe Präzision |
Leistung
Die Leistung ist eine Art Oberflächengenauigkeitsangabe und gilt für gekrümmte optische Oberflächen oder Oberflächen mit Leistung.Es handelt sich um ein Maß für die Krümmung der Oberfläche einer Optik und unterscheidet sich vom Krümmungsradius dadurch, dass es sich um die mikroskalige Abweichung der sphärischen Form einer Linse handelt.Nehmen wir beispielsweise an, dass die Toleranz des Krümmungsradius als 100 +/- 0,1 mm definiert ist. Sobald dieser Radius generiert, poliert und gemessen ist, stellen wir fest, dass seine tatsächliche Krümmung 99,95 mm beträgt, was innerhalb der angegebenen mechanischen Toleranz liegt.In diesem Fall wissen wir, dass auch die Brennweite stimmt, da wir die richtige Kugelform erreicht haben.Aber nur weil der Radius und die Brennweite korrekt sind, heißt das nicht, dass das Objektiv auch die vorgesehene Leistung erbringt.Es reicht daher nicht aus, nur den Krümmungsradius zu definieren, sondern auch die Konsistenz der Krümmung – und genau darauf soll die Kraft Einfluss nehmen.Unter erneuter Verwendung des oben erwähnten Radius von 99,95 mm möchte ein Optiker möglicherweise die Genauigkeit des gebrochenen Lichts weiter steuern, indem er die Leistung auf ≤ 1 λ begrenzt.Dies bedeutet, dass es über den gesamten Durchmesser keine größere Abweichung als 632,8 nm (1λ = 632,8 nm) in der Konsistenz der Kugelform geben kann.Durch die Hinzufügung dieses strengeren Kontrollniveaus zur Oberflächenform wird sichergestellt, dass Lichtstrahlen auf einer Seite der Linse nicht anders gebrochen werden als auf der anderen Seite.Da das Ziel möglicherweise darin besteht, eine punktgenaue Fokussierung des gesamten einfallenden Lichts zu erreichen, gilt: Je gleichmäßiger die Form, desto präziser verhält sich das Licht beim Durchgang durch die Linse.
Optiker geben den Leistungsfehler in Form von Wellen oder Streifen an und messen ihn mit einem Interferometer.Die Prüfung erfolgt auf ähnliche Weise wie die Ebenheit, indem eine gekrümmte Oberfläche mit einer Referenzoberfläche mit einem genau kalibrierten Krümmungsradius verglichen wird.Unter Verwendung des gleichen Interferenzprinzips, das durch die Luftspalte zwischen den beiden Oberflächen verursacht wird, wird das Streifenmuster der Interferenz verwendet, um die Abweichung der Testoberfläche von der Referenzoberfläche zu beschreiben (Abbildung 11).Eine Abweichung vom Referenzstück führt zu einer Reihe von Ringen, die als Newtons Ringe bekannt sind.Je mehr Ringe vorhanden sind, desto größer ist die Abweichung.Die Anzahl der dunklen oder hellen Ringe, nicht die Summe aus hellen und dunklen Ringen, entspricht der doppelten Anzahl der Fehlerwellen.
Abbildung 11: Leistungsfehler getestet durch Vergleich mit einer Referenzoberfläche oder Verwendung eines Interferometers
Der Leistungsfehler hängt mit dem Fehler im Krümmungsradius durch die folgende Gleichung zusammen, wobei ∆R der Radiusfehler, D der Linsendurchmesser, R der Oberflächenradius und λ die Wellenlänge (typischerweise 632,8 nm) ist:
Leistungsfehler [Wellen oder λ] = ∆R D²/8R²λ
Abbildung 12: Leistungsfehler über dem Durchmesser vs. Radiusfehler in der Mitte
Unregelmäßigkeit
Die Unregelmäßigkeit berücksichtigt die kleinen Variationen auf einer optischen Oberfläche.Sie wird wie die Leistung in Form von Wellen oder Streifen gemessen und mithilfe eines Interferometers charakterisiert.Konzeptionell lässt sich Unregelmäßigkeit am einfachsten als eine Spezifikation betrachten, die definiert, wie gleichmäßig glatt eine optische Oberfläche sein muss.Während die insgesamt gemessenen Spitzen und Täler auf einer optischen Oberfläche in einem Bereich sehr konsistent sein können, kann ein anderer Abschnitt der Optik eine viel größere Abweichung aufweisen.In einem solchen Fall kann sich das von der Linse gebrochene Licht unterschiedlich verhalten, je nachdem, wo es von der Optik gebrochen wird.Unregelmäßigkeiten sind daher ein wichtiger Gesichtspunkt bei der Gestaltung von Linsen.Die folgende Abbildung zeigt, wie diese Oberflächenformabweichung von der perfekt sphärischen Form mithilfe einer Unregelmäßigkeits-PV-Spezifikation charakterisiert werden kann.
Abbildung 13: Unregelmäßigkeits-PV-Messung
Unregelmäßigkeit ist eine Art Oberflächengenauigkeitsangabe, die beschreibt, wie die Form einer Oberfläche von der Form einer Referenzoberfläche abweicht.Sie wird aus derselben Messung wie die Leistung ermittelt.Regelmäßigkeit bezieht sich auf die Sphärizität der kreisförmigen Streifen, die sich aus dem Vergleich der Testoberfläche mit der Referenzoberfläche ergeben.Wenn die Stärke einer Oberfläche mehr als 5 Streifen beträgt, ist es schwierig, kleine Unregelmäßigkeiten mit weniger als 1 Streifen zu erkennen.Daher ist es üblich, Oberflächen mit einem Verhältnis von Stärke zu Unregelmäßigkeit von etwa 5:1 zu spezifizieren.
Abbildung 14: Ebenheit vs. Kraft vs. Unregelmäßigkeit
RMS im Vergleich zu PV-Leistung und Unregelmäßigkeit
Bei der Erörterung von Macht und Unregelmäßigkeit ist es wichtig, die beiden Methoden zu unterscheiden, mit denen sie definiert werden können.Der erste ist ein absoluter Wert.Wenn beispielsweise eine Optik so definiert ist, dass sie eine Unregelmäßigkeit einer Welle aufweist, darf es nicht mehr als eine Wellendifferenz zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt auf der optischen Oberfläche oder dem Peak-to-Valley (PV) geben.Die zweite Methode besteht darin, die Leistung oder Unregelmäßigkeit als 1-Wellen-RMS (Root Mean Square) oder Durchschnitt anzugeben.In dieser Interpretation kann eine optische Oberfläche, die als 1-Wellen-RMS-Unregelmäßigkeit definiert ist, tatsächlich Spitzen und Täler aufweisen, die größer als eine Welle sind. Bei der Untersuchung der gesamten Oberfläche muss die gesamte durchschnittliche Unregelmäßigkeit jedoch innerhalb einer Welle liegen.
Alles in allem sind RMS und PV Methoden zur Beschreibung, wie gut die Form eines Objekts mit seiner geplanten Krümmung übereinstimmt, die als „Oberflächenfigur“ bzw. „Oberflächenrauheit“ bezeichnet wird.Sie werden beide aus den gleichen Daten berechnet, beispielsweise aus einer Interferometermessung, die Bedeutung ist jedoch recht unterschiedlich.PV ist gut darin, ein „Worst-Case-Szenario“ für die Oberfläche darzustellen;RMS ist eine Methode zur Beschreibung der durchschnittlichen Abweichung der Oberflächenfigur von der Soll- oder Referenzoberfläche.RMS eignet sich gut zur Beschreibung der gesamten Oberflächenvariation.Es gibt keine einfache Beziehung zwischen PV und RMS.Als allgemeine Regel gilt jedoch, dass ein RMS-Wert etwa 0,2 so streng ist wie der nicht durchschnittliche Wert, wenn er nebeneinander verglichen wird, dh 0,1 wellenförmiger unregelmäßiger PV entspricht etwa 0,5 Wellen-RMS.
Oberflächenfinish
Die Oberflächengüte, auch Oberflächenrauheit genannt, misst kleine Unregelmäßigkeiten auf einer Oberfläche.Sie sind normalerweise ein unglückliches Nebenprodukt des Polierprozesses und der Materialart.Auch wenn die Optik als außergewöhnlich glatt und mit geringen Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche gilt, kann eine tatsächliche mikroskopische Untersuchung bei näherer Betrachtung große Unterschiede in der Oberflächentextur erkennen lassen.Eine gute Analogie zu diesem Artefakt ist der Vergleich der Oberflächenrauheit mit der Sandpapierkörnung.Während sich die feinste Körnung bei Berührung glatt und gleichmäßig anfühlt, besteht die Oberfläche tatsächlich aus mikroskopisch kleinen Spitzen und Tälern, die durch die physikalische Größe der Körnung selbst bestimmt werden.Bei der Optik kann man sich „Körnung“ als mikroskopisch kleine Unregelmäßigkeiten in der Oberflächenstruktur vorstellen, die durch die Qualität der Politur verursacht werden.Raue Oberflächen verschleißen tendenziell schneller als glatte Oberflächen und sind möglicherweise für einige Anwendungen nicht geeignet, insbesondere für Anwendungen mit Lasern oder starker Hitze, da in kleinen Rissen oder Unvollkommenheiten mögliche Keimbildungsstellen auftreten können.
Im Gegensatz zu Kraft und Unregelmäßigkeit, die in Wellen oder Bruchteilen einer Welle gemessen werden, wird die Oberflächenrauheit aufgrund der extremen Fokussierung auf die Oberflächentextur auf der Skala von Angström und immer in RMS gemessen.Zum Vergleich: Es sind zehn Angström erforderlich, um einem Nanometer zu entsprechen, und 632,8 Nanometer, um einer Welle zu entsprechen.
Abbildung 15: RMS-Messung der Oberflächenrauheit
| Tabelle 8: Fertigungstoleranzen für die Oberflächenbeschaffenheit | |
| Oberflächenrauheit (RMS) | Qualitätsstufe |
| 50 Å | Typisch |
| 20 Å | Präzision |
| 5Å | Hohe Präzision |
Übertragener Wellenfrontfehler
Der übertragene Wellenfrontfehler (TWE) wird verwendet, um die Leistung optischer Elemente beim Durchgang von Licht zu qualifizieren.Im Gegensatz zu Messungen der Oberflächenform berücksichtigen Messungen der übertragenen Wellenfront Fehler von der Vorder- und Rückseite, dem Keil und der Homogenität des Materials.Diese Metrik der Gesamtleistung bietet ein besseres Verständnis der realen Leistung einer Optik.
Während viele optische Komponenten einzeln auf Oberflächenform oder TWE-Spezifikationen getestet werden, werden diese Komponenten zwangsläufig in komplexere optische Baugruppen mit eigenen Leistungsanforderungen eingebaut.Bei einigen Anwendungen ist es akzeptabel, sich auf Komponentenmessungen und Toleranzen zu verlassen, um die endgültige Leistung vorherzusagen. Bei anspruchsvolleren Anwendungen ist es jedoch wichtig, die Baugruppe im gebauten Zustand zu messen.
Mithilfe von TWE-Messungen wird bestätigt, dass ein optisches System den Spezifikationen entspricht und wie erwartet funktioniert.Darüber hinaus können TWE-Messungen zur aktiven Ausrichtung von Systemen verwendet werden, wodurch die Montagezeit verkürzt und gleichzeitig sichergestellt wird, dass die erwartete Leistung erreicht wird.
Paralight Optics verfügt über modernste CNC-Schleifmaschinen und Poliermaschinen, sowohl für standardmäßige sphärische Formen als auch für asphärische und Freiformkonturen.Durch den Einsatz fortschrittlicher Messtechnik, einschließlich Zygo-Interferometer, Profilometer, TriOptics Opticentric, TriOptics OptiSpheric usw. sowohl für die In-Prozess-Messtechnik als auch für die Endkontrolle, sowie unsere jahrelange Erfahrung in der optischen Herstellung und Beschichtung können wir einige der komplexesten und komplexesten Anforderungen bewältigen Hochleistungsoptiken, um die von den Kunden geforderten optischen Spezifikationen zu erfüllen.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 26. April 2023