Качество поверхности
Качество поверхности оптической поверхности описывает ее косметический вид и включает в себя такие дефекты, как царапины и ямки или вмятины.В большинстве случаев эти поверхностные дефекты носят чисто косметический характер и не оказывают существенного влияния на производительность системы, однако могут вызвать небольшую потерю пропускной способности системы и небольшое увеличение рассеянного света.Однако некоторые поверхности более чувствительны к этим эффектам, например: (1) поверхности в плоскостях изображения, поскольку эти дефекты находятся в фокусе, и (2) поверхности, которые воспринимают высокие уровни мощности, поскольку эти дефекты могут вызвать повышенное поглощение энергии и повреждение. оптика.Наиболее распространенная спецификация, используемая для определения качества поверхности, — это спецификация с нуля, описанная в MIL-PRF-13830B.Обозначение царапин определяется путем сравнения царапин на поверхности с набором стандартных царапин в контролируемых условиях освещения.Поэтому обозначение царапины не описывает саму фактическую царапину, а скорее сравнивает ее со стандартизированной царапиной в соответствии со спецификацией MIL.Однако обозначение раскопок имеет прямое отношение к раскопке или небольшой ямке на поверхности.Обозначение выемки рассчитывается как диаметр выемки в микронах, деленный на 10. Характеристики выемки с нуля 80-50 обычно считаются стандартным качеством, 60-40 прецизионным качеством и 20-10 высокоточным качеством.
| Таблица 6: Производственные допуски по качеству поверхности | |
| Качество поверхности (царапать-копать) | Класс качества |
| 80-50 | Типичный |
| 60-40 | Точность |
| 40-20 | Высокая точность |
Плоскостность поверхности
Плоскостность поверхности — это тип спецификации точности поверхности, который измеряет отклонение плоской поверхности, такой как зеркало, окно, призма или плоская линза.Это отклонение может быть измерено с помощью оптической плоскости, которая представляет собой высококачественную, высокоточную плоскую эталонную поверхность, используемую для сравнения плоскостности испытуемого образца.Когда плоская поверхность тестируемой оптики прилегает к оптической плоскости, появляются полосы, форма которых определяет плоскостность поверхности исследуемой оптики.Если полосы равномерно разнесены, прямые и параллельны, то испытуемая оптическая поверхность, по крайней мере, такая же плоская, как эталонная оптическая плоскость.Если полосы изогнуты, количество полос между двумя воображаемыми линиями, одна из которых касается центра полосы и одна проходит через концы той же полосы, указывает на ошибку плоскостности.Отклонения плоскостности часто измеряют в значениях волн (λ), кратных длине волны тестирующего источника.Одна полоса соответствует ½ волны, т. е. 1 λ соответствует 2 полосам.
| Таблица 7: Производственные допуски плоскостности | |
| Плоскостность | Класс качества |
| 1λ | Типичный |
| λ/4 | Точность |
| λ/10 | Высокая точность |
Власть
Мощность — это тип спецификации точности поверхности, применяемый к искривленным оптическим поверхностям или поверхностям с оптической силой.Это измерение кривизны поверхности оптики, которое отличается от радиуса кривизны тем, что относится к микромасштабному отклонению сферической формы линзы.например, предположим, что допуск на радиус кривизны определен как 100 +/- 0,1 мм, после того, как этот радиус создан, отполирован и измерен, мы находим его фактическую кривизну равной 99,95 мм, что находится в пределах указанного механического допуска.В этом случае мы знаем, что фокусное расстояние также правильное, так как мы добились правильной сферической формы.Но то, что радиус и фокусное расстояние правильные, не означает, что объектив будет работать так, как задумано.Поэтому недостаточно просто определить радиус кривизны, но также и постоянство кривизны — и это именно то, для чего предназначена сила.Опять же, используя тот же радиус 99,95 мм, упомянутый выше, оптик может дополнительно контролировать точность преломления света, ограничивая мощность до ≤ 1 λ.Это означает, что по всему диаметру не может быть большего отклонения, чем 632,8 нм (1λ = 632,8 нм) в постоянстве сферической формы.Добавление этого более строгого уровня контроля к форме поверхности помогает убедиться, что световые лучи на одной стороне линзы не преломляются иначе, чем на другой стороне.Поскольку целью может быть достижение точной фокусировки всего падающего света, чем более постоянна форма, тем более точно свет будет вести себя при прохождении через линзу.
Оптики определяют погрешность мощности с точки зрения волн или полос и измеряют ее с помощью интерферометра.Он проверяется так же, как плоскостность, в том смысле, что криволинейная поверхность сравнивается с эталонной поверхностью с тщательно откалиброванным радиусом кривизны.Используя тот же принцип интерференции, вызванный воздушными зазорами между двумя поверхностями, интерференционная картина полос используется для описания отклонения испытательной поверхности от эталонной поверхности (рис. 11).Отклонение от эталона создаст ряд колец, известных как кольца Ньютона.Чем больше колец присутствует, тем больше отклонение.Количество темных или светлых колец, а не сумма как светлых, так и темных, соответствует удвоенному количеству волн ошибки.
Рис. 11. Погрешность мощности, проверенная путем сравнения с эталонной поверхностью или с помощью интерферометра.
Ошибка мощности связана с ошибкой радиуса кривизны следующим уравнением, где ∆R — ошибка радиуса, D — диаметр линзы, R — радиус поверхности, а λ — длина волны (обычно 632,8 нм):
Ошибка мощности [волны или λ] = ∆R D²/8R²λ
Рисунок 12: Погрешность мощности по диаметру и погрешность радиуса в центре
неправильность
Неравномерность учитывает небольшие изменения масштаба на оптической поверхности.Как и мощность, она измеряется в терминах волн или полос и характеризуется с помощью интерферометра.Концептуально проще всего думать о неровностях как о спецификации, определяющей, насколько однородно гладкой должна быть оптическая поверхность.В то время как общие измеренные пики и впадины на оптической поверхности могут быть очень постоянными в одной области, другой участок оптики может демонстрировать гораздо большее отклонение.В таком случае свет, преломленный линзой, может вести себя по-разному в зависимости от того, где он преломляется оптикой.Поэтому неравномерность является важным фактором при проектировании линз.На следующем рисунке показано, как это отклонение формы поверхности от идеально сферической можно охарактеризовать, используя спецификацию PV шероховатости.
Рисунок 13: Измерение неравномерности PV
Неровность — это тип спецификации точности поверхности, описывающий, как форма поверхности отклоняется от формы эталонной поверхности.Он получается из того же измерения, что и мощность.Регулярность относится к сферичности круглых полос, которые образуются при сравнении тестовой поверхности с эталонной поверхностью.При мощности поверхности более 5 полос трудно обнаружить мелкие неровности менее 1 полосы.Поэтому общепринятой практикой является указание поверхностей с отношением мощности к неровностям приблизительно 5:1.
Рисунок 14: Плоскостность, мощность и неравномерность
Среднеквадратичное значение мощности и неравномерность фотоэлектрической мощности
При обсуждении силы и нерегулярности важно различать два метода, которыми они могут быть определены.Первое – это абсолютное значение.Например, если оптика определена как имеющая 1 волну неравномерности, может быть не более 1 волны разницы между самой высокой и самой низкой точкой на оптической поверхности или между пиком и впадиной (PV).Второй метод заключается в указании мощности или неравномерности в виде среднеквадратичного значения 1 волны или среднего значения.В этой интерпретации оптическая поверхность, определенная как 1-волновая среднеквадратичная неоднородность, может фактически иметь пики и впадины, которые превышают 1 волну, однако при исследовании всей поверхности общая средняя неравномерность должна находиться в пределах 1 волны.
В целом, RMS и PV являются методами описания того, насколько хорошо форма объекта соответствует расчетной кривизне, называемой «фигурой поверхности» и «шероховатостью поверхности» соответственно.Оба они рассчитываются на основе одних и тех же данных, таких как измерения интерферометра, но их значения совершенно разные.PV хорош для создания «наихудшего сценария» для поверхности;RMS — это метод описания среднего отклонения фигуры поверхности от желаемой или эталонной поверхности.Среднеквадратичное значение подходит для описания общего изменения поверхности.Между PV и RMS нет простой зависимости.Однако, как правило, среднеквадратичное значение составляет примерно 0,2, как строгое, как несреднее значение при сравнении рядом друг с другом, т. е. 0,1 волны нерегулярной PV эквивалентно приблизительно 0,5 волны RMS.
Чистота поверхности
Чистота поверхности, также известная как шероховатость поверхности, измеряет небольшие неровности на поверхности.Обычно они являются нежелательным побочным продуктом процесса полировки и типа материала.Даже если оптика считается исключительно гладкой с небольшими неровностями на поверхности, при ближайшем рассмотрении фактическое микроскопическое исследование может выявить большие различия в текстуре поверхности.Хорошей аналогией этого артефакта является сравнение шероховатости поверхности с зернистостью наждачной бумаги.В то время как самый мелкий размер зерна может казаться гладким и правильным на ощупь, поверхность на самом деле состоит из микроскопических пиков и впадин, определяемых физическим размером самого зерна.В случае с оптикой «зернистость» можно рассматривать как микроскопические неровности текстуры поверхности, вызванные качеством полировки.Шероховатые поверхности, как правило, изнашиваются быстрее, чем гладкие, и могут не подходить для некоторых применений, особенно для лазеров или сильного нагрева, из-за возможных зародышей, которые могут появляться в небольших трещинах или дефектах.
В отличие от мощности и неравномерности, которые измеряются в волнах или долях волны, шероховатость поверхности из-за ее предельного внимания к текстуре поверхности измеряется в ангстремах и всегда в единицах среднеквадратичного значения.Для сравнения, одному нанометру требуется десять ангстрем, а одной волне — 632,8 нанометра.
Рисунок 15: Среднеквадратичное значение шероховатости поверхности
| Таблица 8: Производственные допуски для обработки поверхности | |
| Шероховатость поверхности (RMS) | Класс качества |
| 50Å | Типичный |
| 20Å | Точность |
| 5Å | Высокая точность |
Передаваемая ошибка волнового фронта
Ошибка переданного волнового фронта (TWE) используется для оценки характеристик оптических элементов при прохождении света.В отличие от измерений формы поверхности, измерения проходящего волнового фронта включают ошибки из-за передней и задней поверхности, клина и однородности материала.Этот показатель общей производительности позволяет лучше понять реальную производительность оптики.
В то время как многие оптические компоненты тестируются по отдельности на предмет формы поверхности или спецификаций TWE, эти компоненты неизбежно встраиваются в более сложные оптические сборки с собственными требованиями к производительности.В некоторых приложениях допустимо полагаться на измерения компонентов и допуски для прогнозирования конечной производительности, но для более требовательных приложений важно измерять сборку в собранном виде.
Измерения TWE используются для подтверждения того, что оптическая система построена в соответствии со спецификацией и будет функционировать должным образом.Кроме того, измерения TWE можно использовать для активного выравнивания систем, сокращая время сборки и обеспечивая при этом ожидаемую производительность.
Paralight Optics включает в себя современные шлифовальные и полировальные станки с ЧПУ, как для стандартных сферических форм, так и для асферических и произвольных контуров.Использование передовой метрологии, включая интерферометры Zygo, профилометры, TriOptics Opticentric, TriOptics OptiSpheric и т. д. как для метрологии в процессе, так и для окончательного контроля, а также наш многолетний опыт в производстве оптики и покрытии позволяет нам решать некоторые из самых сложных и высокопроизводительная оптика для удовлетворения требований оптических спецификаций от клиентов.
Для получения более подробных спецификаций, пожалуйста, просмотрите наш каталог оптики или рекомендуемых продуктов.
Время публикации: 26 апреля 2023 г.