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光學(xué)加工表面的紋理特征

一、簡(jiǎn)介

高精度光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)光學(xué)器件加工工藝提出了亞納米-埃級(jí)粗糙度的要求。這些超高質(zhì)量光學(xué)器件的需求，不僅推動(dòng)了光學(xué)加工工藝的發(fā)展，也將表面粗糙度計(jì)量技術(shù)的發(fā)展推向了極限。

各種加工工藝都有一個(gè)共同點(diǎn)——它們以特定的方式，從被加工的表面去除一定數(shù)量的材料。在這一工程中，每一種工藝都會(huì)留下一個(gè)獨(dú)特特征，像一個(gè)“指紋”(Fingerprint)。不同紋理特征，可以以各種方式影響光學(xué)系統(tǒng)的性能，典型的如影響最佳成像質(zhì)量，或造成光的散射。為了確保加工的器件滿足特定應(yīng)用的要求，了解和表征各種工藝下，光學(xué)表面的紋理特征是至關(guān)重要的。

二、如何表征光學(xué)表面紋理

1.粗糙度參數(shù)

粗糙度數(shù)值分析是量化表面紋理最簡(jiǎn)單和最常見的方法。但它們只能給出部分信息供參考。不同的加工工藝，在視覺上就已經(jīng)完全不同的表面，但它們可能有相同的粗糙度數(shù)值。

2. 功率譜密度(PSD)

PSD是評(píng)估光學(xué)表面特征的一個(gè)強(qiáng)大工具。不同的加工工藝的“指紋”特征，往往在頻域上更明顯和有意義，簡(jiǎn)單的粗糙度數(shù)值分析和比較，無法分辨這些特征。PSD 使用傅里葉分析表面紋理在空間頻域上的特征。

三、各類工藝紋理實(shí)例

1. 研磨工藝表面紋理

圖3-1 研磨工藝表面紋理

使用10X的物鏡，測(cè)試以320um大小顆粒，研磨后的光學(xué)表面紋理特征。深色區(qū)域代表較深的劃痕，交叉紋理的產(chǎn)生是由于研磨板掃過表面，不同的旋轉(zhuǎn)方向下的劃痕。

2. 柏油拋光模及聚氨酯拋光模表面紋理

在傳統(tǒng)的精密光學(xué)制造中，常見有兩種拋光工藝——使用柏油拋光?；蚓郯滨伖饽?。

柏油拋光模通常用于超精密光學(xué)，柏油材質(zhì)非常柔軟，因此不會(huì)劃傷光學(xué)表面。柏油的粘性也意味著它可以在室溫下緩慢流動(dòng)，這允許它在塑造被拋光的光學(xué)表面形狀的同時(shí)，還保持密切的接觸?？梢缘玫椒浅９饣⒕鶆虻谋砻婕y理特征，如圖2-2左熔石英玻璃材質(zhì)光學(xué)表面。

當(dāng)今很多批量制造的光學(xué)器件，都是用聚氨酯拋光模工藝加工的，這種拋光模更穩(wěn)定，可以在更高的壓力和速度下運(yùn)行，比柏油拋光模更有效率。然而，聚氨酯不像柏油那樣可以“流動(dòng)”，所以其工藝“指紋”會(huì)留下較多的中頻紋理，不如經(jīng)典柏油拋光模紋理光滑均勻。

在對(duì)應(yīng)的功率譜密度圖（PSD）上可以清楚的看出，在中頻部分二者的不同。聚氨酯拋光模的中頻分量明顯大于經(jīng)典柏油拋光模。

圖3-2 柏油拋光模（左）及聚氨酯拋光模（右）表面紋理

3.點(diǎn)金剛石車削表面紋理

另一個(gè)典型的例子如圖2-3。這是一個(gè)由單點(diǎn)金剛石車削過程產(chǎn)生，帶有清晰溝槽結(jié)構(gòu)的光學(xué)表面。功率譜密度圖（PSD）清楚顯示該表面溝槽結(jié)構(gòu)的空間頻率. 具備這樣紋理特征的表面，在紅外應(yīng)用中通常是可以接受的，但在可見光和紫外應(yīng)用中則會(huì)帶來麻煩，因?yàn)檫@一中頻誤差會(huì)導(dǎo)致顯著的散射和成像退化。

圖3-3 單點(diǎn)金剛石車削表面