光學(xué)檢測儀和激光干涉儀
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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。
粗糙度數(shù)值分析是量化表面紋理最簡單和最常見的方法。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。
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。
圖3-1 研磨工藝表面紋理
使用10X的物鏡,測試以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。
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
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