표면 품질
광학 표면의 표면 품질은 표면적 외관을 설명하며 긁힘, 패임 또는 파인 것과 같은 결함을 포함합니다.대부분의 경우 이러한 표면 결함은 순전히 외관상의 문제이며 시스템 성능에 큰 영향을 미치지 않지만 시스템 처리량에 약간의 손실이 발생하고 산란광이 약간 증가할 수 있습니다.그러나 특정 표면은 다음과 같은 효과에 더 민감합니다. (1) 이러한 결함에 초점이 맞기 때문에 이미지 평면의 표면 및 (2) 이러한 결함이 에너지 흡수 및 손상을 증가시킬 수 있기 때문에 높은 전력 수준을 보이는 표면 광학.표면 품질에 사용되는 가장 일반적인 사양은 MIL-PRF-13830B에 설명된 스크래치 파기 사양입니다.스크래치 지정은 제어된 조명 조건에서 표면의 스크래치를 일련의 표준 스크래치와 비교하여 결정됩니다.따라서 스크래치 지정은 실제 스크래치 자체를 설명하는 것이 아니라 MIL-Spec에 따라 표준화된 스크래치와 비교합니다.그러나 발굴 지정은 발굴 또는 표면의 작은 구덩이와 직접 관련이 있습니다.굴착 지정은 미크론 단위의 굴착 직경을 10으로 나눈 값으로 계산됩니다. 80-50의 Scratch-dig 사양은 일반적으로 표준 품질, 60-40 정밀 품질 및 20-10 고정밀 품질로 간주됩니다.
| 표 6: 표면 품질에 대한 제조 공차 | |
| 표면 품질(스크래치 발굴) | 품질 등급 |
| 80-50 | 전형적인 |
| 60-40 | 정도 |
| 40-20 | 높은 정밀도 |
표면 평탄도
표면 평탄도는 거울, 창, 프리즘 또는 플라노 렌즈와 같은 평평한 표면의 편차를 측정하는 표면 정확도 사양의 한 유형입니다.이 편차는 테스트 조각의 평탄도를 비교하는 데 사용되는 고품질, 고정밀 평면 기준 표면인 광학 평면을 사용하여 측정할 수 있습니다.테스트 옵틱의 평평한 표면을 광학 플랫에 대고 배치하면 검사 대상 옵틱의 표면 평탄도를 결정하는 모양의 줄무늬가 나타납니다.프린지의 간격이 고르고 직선이며 평행한 경우 테스트 중인 광학 표면은 최소한 기준 광학 평면만큼 평평합니다.무늬가 구부러진 경우 두 개의 가상 선(하나는 무늬 중심에 접하고 다른 하나는 동일한 무늬의 끝을 통과함) 사이의 무늬 수는 편평도 오류를 나타냅니다.편평도의 편차는 종종 테스트 소스 파장의 배수인 파동(λ) 값으로 측정됩니다.하나의 줄무늬는 파동의 ½에 해당합니다. 즉, 1λ는 2개의 줄무늬에 해당합니다.
| 표 7: 편평도에 대한 제조 공차 | |
| 평탄 | 품질 등급 |
| 1λ | 전형적인 |
| λ/4 | 정도 |
| λ/10 | 높은 정밀도 |
힘
파워는 곡면 광학 표면 또는 파워가 있는 표면에 적용되는 일종의 표면 정확도 사양입니다.이것은 광학 표면의 곡률을 측정한 것으로 렌즈 구면 모양의 미세한 편차에 적용된다는 점에서 곡률 반경과 다릅니다.예를 들어, 곡률 공차의 반경이 100 +/-0.1mm로 정의된 경우 이 반경이 생성되고 연마되고 측정되면 실제 곡률은 지정된 기계적 공차 내에 속하는 99.95mm임을 알 수 있습니다.이 경우 올바른 구 모양을 얻었기 때문에 초점 거리도 정확하다는 것을 알고 있습니다.그러나 반경과 초점 거리가 정확하다고 해서 렌즈가 설계된 대로 작동한다는 의미는 아닙니다.따라서 단순히 곡률 반경을 정의하는 것만으로는 충분하지 않으며 곡률의 일관성도 정의해야 합니다. 이것이 바로 power가 제어하도록 설계된 것입니다.다시 위에서 언급한 동일한 99.95mm 반경을 사용하여 안경사는 굴절된 빛의 정확도를 ≤ 1λ로 제한하여 추가로 제어하고자 할 수 있습니다.이는 전체 직경에 걸쳐 구형의 일관성에서 632.8nm(1λ = 632.8nm)보다 큰 편차가 있을 수 없음을 의미합니다.이 보다 엄격한 제어 수준을 표면 형태에 추가하면 렌즈 한쪽의 광선이 다른 쪽의 광선과 다르게 굴절되지 않도록 하는 데 도움이 됩니다.목표는 모든 입사광의 정확한 초점을 맞추는 것일 수 있으므로 모양이 일정할수록 렌즈를 통과할 때 빛이 더 정확하게 작용합니다.
안경사는 파동 또는 줄무늬 측면에서 전력 오류를 지정하고 간섭계를 사용하여 측정합니다.고도로 보정된 곡률 반경이 있는 기준 표면과 곡면을 비교한다는 점에서 평탄도와 유사한 방식으로 테스트됩니다.두 표면 사이의 에어 갭으로 인해 발생하는 간섭의 동일한 원리를 사용하여 간섭의 줄무늬 패턴을 사용하여 기준 표면에서 테스트 표면의 편차를 설명합니다(그림 11).참조 조각에서 벗어나면 뉴턴의 고리로 알려진 일련의 고리가 생성됩니다.링이 많을수록 편차가 커집니다.밝음과 어두움의 합이 아니라 어둡거나 밝은 링의 수는 오류의 물결 수의 두 배에 해당합니다.
그림 11: 참조 표면과 비교하거나 간섭계를 사용하여 테스트한 전력 오류
전력 오류는 다음 방정식에 의해 곡률 반경의 오류와 관련이 있습니다. 여기서 ∆R은 반경 오류, D는 렌즈 직경, R은 표면 반경, λ는 파장(일반적으로 632.8nm)입니다.
전력 오류[파동 또는 λ] = ∆RD²/8R²λ
그림 12: 중심에서 Diamater 대 반경 오류에 대한 전력 오류
불규칙
불규칙성은 광학 표면의 작은 스케일 변화를 고려합니다.전력과 마찬가지로 파동 또는 변두리 측면에서 측정되며 간섭계를 사용하여 특성화됩니다.개념적으로, 불규칙성을 광학 표면이 얼마나 균일하게 매끄러워야 하는지를 정의하는 사양으로 생각하는 것이 가장 쉽습니다.광학 표면에서 전체적으로 측정된 최고점과 최저점은 한 영역에서 매우 일정할 수 있지만 광학 부품의 다른 부분에서는 훨씬 더 큰 편차를 보일 수 있습니다.이러한 경우 렌즈에 의해 굴절된 빛은 광학에 의해 굴절된 위치에 따라 다르게 동작할 수 있습니다.따라서 불규칙성은 렌즈를 설계할 때 중요한 고려 사항입니다.다음 그림은 불규칙성 PV 사양을 사용하여 완벽하게 구형인 표면 형태 편차를 특성화할 수 있는 방법을 보여줍니다.
그림 13: 불규칙성 PV 측정
불규칙성은 표면의 모양이 기준 표면의 모양에서 어떻게 벗어나는지를 설명하는 일종의 표면 정확도 사양입니다.전력과 동일한 측정에서 얻습니다.규칙성은 테스트 표면과 기준 표면의 비교에서 형성되는 원형 줄무늬의 구형도를 의미합니다.표면의 굴절률이 5개 이상일 경우 1개 미만의 작은 요철을 감지하기 어렵습니다.따라서 약 5:1의 힘 대 불규칙성의 비율로 표면을 지정하는 것이 일반적입니다.
그림 14: 평탄도 vs 전력 vs 불규칙성
RMS 대 PV 전력 및 불규칙성
권력과 비정규성을 논의할 때 정의할 수 있는 두 가지 방법을 분별하는 것이 중요합니다.첫 번째는 절대값입니다.예를 들어, 옵틱이 1개의 파동 불규칙성을 갖는 것으로 정의된 경우 광학 표면 또는 PV(peak-to-valley)의 가장 높은 지점과 가장 낮은 지점 사이에 1개 이상의 파동 차이가 있을 수 없습니다.두 번째 방법은 전력이나 불규칙성을 1파동 RMS(제곱 평균) 또는 평균으로 지정하는 것입니다.이 해석에서 1파동 RMS 불규칙으로 정의된 광학 표면은 실제로 1파동을 초과하는 피크와 밸리를 가질 수 있지만 전체 표면을 검사할 때 전체 평균 불규칙성은 1파동 내에 있어야 합니다.
대체로 RMS와 PV는 각각 "표면 형상"과 "표면 거칠기"라고 하는 물체의 모양이 설계된 곡률과 얼마나 잘 일치하는지 설명하는 방법입니다.둘 다 간섭계 측정과 같은 동일한 데이터에서 계산되지만 의미는 상당히 다릅니다.PV는 표면에 대한 "최악의 시나리오"를 제공하는 데 능숙합니다.RMS는 원하는 표면 또는 기준 표면에서 표면 형상의 평균 편차를 설명하는 방법입니다.RMS는 전체 표면 변화를 설명하는 데 적합합니다.PV와 RMS 사이에는 단순한 관계가 없습니다.그러나 일반적으로 RMS 값은 나란히 비교할 때 평균이 아닌 값만큼 엄격한 약 0.2입니다. 즉, 0.1파동 불규칙 PV는 약 0.5파동 RMS와 같습니다.
표면 마감
표면 조도라고도 하는 표면 마감은 표면의 소규모 불규칙성을 측정합니다.그들은 일반적으로 연마 공정 및 재료 유형의 불행한 부산물입니다.옵틱이 표면 전체에 불규칙성이 거의 없이 매우 매끄럽다고 간주되더라도 근접 검사에서 실제 현미경 검사에서는 표면 질감에 상당한 변화가 나타날 수 있습니다.이 인공물에 대한 좋은 비유는 표면 거칠기를 사포 모래와 비교하는 것입니다.가장 미세한 그릿 크기는 만졌을 때 부드럽고 규칙적으로 느껴질 수 있지만 표면은 실제로 그릿 자체의 물리적 크기에 의해 결정되는 미세한 봉우리와 골로 구성됩니다.광학의 경우 "그릿"은 광택의 품질로 인해 발생하는 표면 질감의 미세한 불규칙성으로 생각할 수 있습니다.거친 표면은 매끄러운 표면보다 더 빨리 마모되는 경향이 있으며 작은 균열이나 결함으로 나타날 수 있는 핵 생성 부위로 인해 일부 응용 분야, 특히 레이저나 강한 열이 있는 응용 분야에는 적합하지 않을 수 있습니다.
파동 또는 파동의 일부로 측정되는 전력 및 불규칙성과 달리 표면 거칠기는 표면 질감에 대한 극도의 클로즈업 초점으로 인해 옹스트롬 단위로 항상 RMS로 측정됩니다.비교를 위해 1나노미터와 같게 하려면 10옹스트롬이 필요하고 1파동과 같게 하려면 632.8나노미터가 필요합니다.
그림 15: 표면 거칠기 RMS 측정
| 표 8: 표면 마감에 대한 제조 공차 | |
| 표면 거칠기(RMS) | 품질 등급 |
| 50Å | 전형적인 |
| 20Å | 정도 |
| 5Å | 높은 정밀도 |
전송된 웨이브프론트 오류
TWE(Transmitted Wavefront Error)는 빛이 통과할 때 광학 요소의 성능을 검증하는 데 사용됩니다.표면 형태 측정과 달리 전송된 파면 측정에는 앞면과 뒷면의 오류, 쐐기 및 재료의 균질성이 포함됩니다.전체 성능에 대한 이 메트릭은 광학 장치의 실제 성능을 더 잘 이해할 수 있도록 합니다.
많은 광학 구성 요소가 표면 형태 또는 TWE 사양에 대해 개별적으로 테스트되지만 이러한 구성 요소는 필연적으로 자체 성능 요구 사항이 있는 더 복잡한 광학 어셈블리에 내장됩니다.일부 응용 분야에서는 최종 성능을 예측하기 위해 구성 요소 측정 및 공차에 의존하는 것이 허용되지만 보다 까다로운 응용 분야에서는 조립품을 제작된 상태로 측정하는 것이 중요합니다.
TWE 측정은 광학 시스템이 사양에 맞게 제작되었고 예상대로 작동하는지 확인하는 데 사용됩니다.또한 TWE 측정을 사용하여 시스템을 능동적으로 정렬하여 조립 시간을 줄이면서 예상 성능을 달성할 수 있습니다.
Paralight Optics는 비구면 및 자유 형태 윤곽뿐만 아니라 표준 구면 모양을 위한 최첨단 CNC 그라인더 및 광택 장치를 통합합니다.공정 중 계측 및 최종 검사를 위해 Zygo 간섭계, 프로필로미터, TriOptics Opticentric, TriOptics OptiSpheric 등을 포함한 고급 계측과 광학 제조 및 코팅에 대한 수년간의 경험을 사용하여 가장 복잡하고 고객이 요구하는 광학 사양을 만족시키는 고성능 광학계
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게시 시간: 2023년 4월 26일