Дефекты поверхности (оптика)
Дефекты , оптических поверхностей таких как линзы или зеркала , могут возникнуть во время производства детали или обращения с ней. Эти дефекты являются частью поверхности и не могут быть удалены чисткой. Качество поверхности характеризуется либо обозначением американского военного стандарта (например, «60-40»), либо указанием среднеквадратической шероховатости (например, «0,3 нм RMS»). [ 1 ] Американские обозначения фокусируются на том, насколько заметны дефекты поверхности, и являются «косметическими» спецификациями. Обозначение RMS — это объективное измеримое свойство поверхности. Более жесткие спецификации увеличивают затраты на изготовление оптических элементов, а более жесткие ухудшают производительность. [ 2 ] [ 3 ]
Хотя дефекты поверхности можно назвать «косметическими дефектами», они не являются чисто косметическими. Оптика для лазерных применений более чувствительна к качеству поверхности, поскольку любые дефекты могут привести к лазерному повреждению. В некоторых случаях дефекты оптических элементов будут отображаться непосредственно как дефекты в плоскости изображения. Оптические системы, требующие высокой интенсивности излучения, обычно чувствительны к любой потере мощности из-за поверхностного рассеяния, вызванного дефектами. Системы, работающие в ультрафиолетовом диапазоне, требуют более строгих стандартов, поскольку более короткая длина волны ультрафиолетового излучения более чувствительна к рассеянию.
Производителями, разработчиками и пользователями оптических элементов используется множество различных стандартов, которые различаются в зависимости от географического региона и отрасли. Например, немецкие производители используют ISO 10110, а военные США разработали MIL-PRF-13830, и их длительное использование сделало его де-факто глобальным стандартом. [ 3 ] Не всегда возможно перевести нулевую оценку с одного стандарта на другой, и иногда перевод оказывается статистическим (выборка дефектов, чтобы гарантировать, что статистически процент отклоненных элементов будет одинаковым в обоих методах). [ 4 ]
Исследование качества поверхности с точки зрения «Scratch & Dig» — это особый навык, для развития которого требуется время. Практика заключается в сравнении элемента со стандартным эталоном (эталоном). [ 3 ] Автоматизированные системы теперь заменяют человека-техника для плоской оптики, но в последнее время также и для выпуклых и вогнутых линз . [ 3 ] [ 5 ] Напротив, характеристика «шероховатости» выполняется более точными и простыми для количественной оценки методами.
Обзор типов
[ редактировать ]Различные стандарты разделяют две основные категории качества поверхности: царапание и шероховатость. [ 1 ]
Царапина определяется как длинный и узкий дефект , разрывающий поверхность стекла или покрытия . [ 6 ] Существуют стандарты, относящиеся к степени видимости, то есть относительной яркости царапины. В этих случаях также существует стандарт условий освещения, используемых для испытаний. Другие стандарты классифицируют царапины по их размерам. понимают Под раскопками ямку, неровность или небольшой кратер на поверхности стекла (или любого другого оптического материала). [ 6 ] Все стандарты измеряют физический размер раскопок. Некоторые стандарты включают небольшие дефекты внутри стекла, которые видны сквозь поверхность, например пузырьки и включения.
Шероховатость , текстура или оптическая отделка — это дефект, возникающий при производстве элемента. Текстура – это периодическое явление с высокой пространственной частотой (или другими словами, в малых размерах), которое воздействует на всю поверхность и вызывает рассеяние падающего света. [ 7 ] Более высокое значение шероховатости означает более шероховатую поверхность. [ 7 ] Текстура особенно важна в тех случаях, когда полировка осуществляется с использованием новых методов обработки, таких как алмазное точение , которое оставляет на поверхности остаточный периодический след, влияющий на качество получаемого изображения или уровень рассеяния с поверхности. Количество рассеянного света пропорционально квадрату среднеквадратичного значения шероховатости. [ 1 ]
Царапать и копать
[ редактировать ]Военный стандарт MIL-PRF-13830B
[ редактировать ]Это наиболее распространенный стандарт, основанный на стандарте, который был первоначально предложен Маклеодом и Шервудом из Kodak еще в 1945 году и превратился в 1954 году в военный стандарт MIL-O-13830A. [ 1 ] [ 3 ] Он определяет качество поверхности с помощью пары чисел: первое — это мера видимости царапины, а второе — размер раскопок.
Степень видимости царапин описывается рядом произвольных чисел: 10, 20, 40, 60 и 80, где самые яркие царапины, которые легче всего увидеть невооруженным глазом , имеют степень 80, а самые трудные для обнаружения — степень 10. Царапину на испытуемой детали сравнивают с промышленным или военным эталоном (эталоном), на котором имеются царапины различной степени видимости, и сравнение проводят невооруженным глазом, в условиях контролируемой освещенности. [ 2 ] Важно осознавать, что это субъективный тест, и его результаты могут различаться у разных людей. [ 2 ] Видимость царапин во многом зависит от их формы, и, вопреки распространенному мнению, между степенью видимости царапин и их шириной мало корреляции. [ 3 ] Невозможно измерить ширину царапины, чтобы определить ее степень. [ 3 ]
С другой стороны, качество раскопок — это точная и измеримая величина. Это диаметр наибольшего раскопа, обнаруженного на испытуемой поверхности, в сотых долях миллиметра. Обычно используются дискретные оценки 5, 10, 20, 40 или 50, где, конечно, большие цифры описывают большие недостатки.
В стандарте MIL существует множество определений по умолчанию. Например, класс, который должен требоваться за пределами прозрачной апертуры (часть линзы, к которой применяется стандарт, также называемая «эффективным диаметром» или CA), при отсутствии другого определения составляет 80–50. [ 8 ] Это очень простая характеристика поверхности, и ее легко достичь. Описывает царапину, яркость которой меньше, чем у царапины при 80 классе видимости и выемки диаметром до 0,5 мм (50 сотых = 50/100=0,5). 60-40 считается «коммерческим» качеством, тогда как для требовательных лазерных применений используется 20-10 или даже 10-5. [ 6 ] Царапины на поверхности 10-5 или 20-10 бывает трудно увидеть, что делает стандарт видимости более субъективным. [ 1 ] Другие стандарты могут работать лучше, когда требуются точные поверхности. Оптическое покрытие может изменить видимость царапин, поэтому, например, элемент, который проходит 40-20 до нанесения покрытия, может быть хуже, чем 60-40 после покрытия. [ 1 ]
Правила накопления и концентрации регламентируют распространенные ситуации, при которых на поверхности оптического элемента имеется множественные дефекты, и уточняют, как их следует суммировать. [ 2 ] [ 8 ] Например, если обнаружена одна или несколько царапин с максимально допустимой видимостью, для прохождения испытания сумма длин этих царапин ограничивается четвертью диаметра элемента. [ 2 ] [ 8 ] Количество раскопок на максимально допустимом уровне определяется путем деления измеренного диаметра светлого проема (в миллиметрах) на 20 и округления в большую сторону. Например, для светлого проема 81 мм допускается 5 раскопок на максимальном уровне. [ 4 ]
Поскольку эталон для сравнения имеется только в армии США , было разработано несколько коммерческих эталонов, которые должны быть совместимыми, но из-за сложности факторов, которые делают царапину видимой, эти эталоны не всегда совместимы с оригиналом и нет возможности сопоставить один набор с другим. [ 3 ] Например, царапина с классом видимости 10 на одном мастере может выглядеть ярче, чем царапина с классом видимости 60 на другом мастере. [ 1 ] По этой причине рекомендуется также указывать на чертеже тип эталонного комплекта, с которым его необходимо сравнивать при испытании. [ 1 ]
Примерами таких коммерческих наборов для сравнения, изготовленных из пластика или стекла, являются Davidson Optronics, Brysen Optical и Jenoptik Paddle, продаваемые ThorLabs и Edmund Optics. [ 1 ] [ 3 ]
ИСО 10110-7
[ редактировать ]Этот стандарт используется в США, Китае, Японии, России и во всей Европе.
Обозначения по состоянию на 2007 г.: 5/ N x A; С Н' х А'; Л Н" х А"; E A''', где N и A представляют собой количество дефектов и максимальный размер дефекта, N' и A' представляют собой количество дефектов покрытия и их максимальный размер, N'' и A'' представляют собой допустимое количество царапин и их максимальный размер, а A''' представляют собой максимальный размер краевого скола (дефекта на ободе оптического элемента).
Царапина в этом случае определяется как дефект длиной более 2 мм. Только первая часть характеристики N x A является обязательной. Остальные детали можно опустить. А и А' выражаются как квадратный корень из площади дефекта и обозначаются дискретными значениями из ряда: 4,2,5,1,6,1,0,63,0,4,0,25. [ 4 ]
Помимо ограничений на количество дефектов и их размеры, общая площадь всех дефектов не должна превышать A*N. 2 . [ 4 ] Длинные дефекты (царапины) суммируются по ширине независимо от длины. Ограничений на количество кромочных сколов нет, а концентрация дефектов ограничивается правилом, согласно которому не более 20% дефектов с припуском могут быть сосредоточены на площади 5% светлого отверстия. [ 4 ]
Фундаментальным преимуществом ISO является относительно простой перевод между процентом света, рассеянного поверхностью, и характеристикой ее поверхности согласно формуле: [ 4 ]
Разброс % = 4 х [(N х А 2 )+(N' x A' 2 )+ N" x A" x Φ]/(π x Φ 2 )
В отличие от MIL-PRF-13830B, который дешев и быстр в использовании, но имеет неточности, использование стандарта размеров ISO 10110-7 является более точным, но требует больше времени для тестирования и, следовательно, дорого. [ 2 ] Относительно длительное время испытаний обусловлено тем, что испытания по этому стандарту проводятся с использованием микроскопа, сравнивая размеры каждого дефекта с дефектами на эталоне, а из-за необходимого большого увеличения поле зрения мало, и требуется несколько измерения для отображения каждого оптического элемента. [ 2 ]
Дэвид Эйкенс, директор Совета по стандартам оптики и электрооптики: [ 9 ] представила рекомендуемую диаграмму преобразования, которая сохраняет уровень контроля качества или процентное снижение при испытаниях ISO на царапины и раскопки по сравнению с военным стандартом. Например 5/2х0,40; L 3 x0,010 является статистически эквивалентным стандарту 60-40 строгого военного стандарта с отверстием более 20 мм. [ 4 ]
Логический недостаток этого стандарта размеров заключается в том, что царапина определяется только по ее ширине. Например, если к линзе диаметром 100 мм предъявляется требование L 1 х 0,025, допускается наличие одиночной царапины толщиной до 25 микрон, даже если она покрывает весь диаметр 100 мм. Однако если производитель отполирует поверхность и уберет царапину с центральных 95 миллиметров линзы, то останется две царапины длиной по 2,5 мм каждая, и теперь линза не пройдет приемочные испытания, поскольку характеристика допускает только одну царапину. Нелогичность здесь очевидна: недопустимо отказываться от компонента из-за процесса, улучшающего его качество. [ 4 ]
С 2017 года для поддержки быстрых измерений, предназначенных для менее чувствительных поверхностей, стандарт ISO 10110-7 также позволяет определять царапины по их видимости и определять выемки по их диаметру, как и MIL-PRF-13830B, используя тот же метод. оценки, например 60-40. [ 2 ] [ 4 ]
Возможно расширение и маркировка дефектов покрытия, а также сколов кромок, аналогично определению в стандарте размеров: 5/S - D; С С'-Д'; E A''', где S и D - определения царапин и вмятин, S' и D' - для этих дефектов покрытия, а A''' характеризует сколы на кромках, как определено выше. Как объяснялось в отношении военного стандарта, важно явно указать, с каким мастер-набором следует сравнивать яркость царапин. [ 4 ]
MIL-C-48497A и MIF-F-48616
[ редактировать ]Эти стандарты почти так же популярны, как MIL-PRF-13830B, но со временем они стали менее популярными.
Эти стандарты определяют царапины и выемки в соответствии с их физическим размером и обозначают их класс буквами: A, B, C, D, E, F, G (и H, который используется только для выемок). [ 3 ] Буква А обозначает самую узкую царапину шириной 0,005 мм и самую маленькую выемку диаметром 0,05 мм. С другой стороны, буква G обозначает царапину шириной 0,12 мм и выемку диаметром 0,7 мм. Для тестирования используется микроскоп или увеличительное стекло, а иногда даже просто невооруженным глазом для сравнения с мастером.
АНСИ ОП1.002
[ редактировать ]Этот американский стандарт был впервые опубликован в 2006 году. [ 3 ] Как и в стандарте MIL-PRF-13830B, ANSI OP1.002 определяет раскопки в соответствии с их диаметром.
ANSI OP1.002 также поддерживает два отдельных метода определения царапин: видимость и размер.
Метод видимости определяет царапины в зависимости от их видимости и по конструкции и терминологии идентичен стандарту MIL-PRF-13830B. Как и военный стандарт, здесь используются два числа: первое для царапин, второе для раскопок, сохраняя их значение, как и в военном стандарте. Примеры: 80-50, 60-40. Этот метод использует преимущества скорости и дешевизны визуального контроля и используется для элементов с более жесткими допусками.
Метод измерения царапин основан на стандарте MIL-C-48497A, который считается простым в использовании и функциональным. [ 1 ] В размерном методе используются две буквы: первая для царапин, вторая для раскопок. Например: АА или ЕЕ. Этот стандарт предназначен для деталей с жесткими допусками качества поверхности, таких как покровные стекла ПЗС или требовательные лазерные приложения. [ 1 ]
| Максимум
ширина царапины в микронах |
Поцарапать или выкопать
спецификация письмо |
Максимум
твой диаметр в микронах |
|---|---|---|
| 120 | Г | 700 |
| 80 | Ф | 500 |
| 60 | И | 400 |
| 40 | Д | 300 |
| 20 | С | 200 |
| 10 | Б | 100 |
| 5 | А | 50 |
| н | Ан | н |
Стандарт OP1.002 позволяет использовать микроскоп для сравнения с эталоном. [ 1 ]
Этот стандарт обеспечивает относительно простой переход между желаемым уровнем рассеяния и качеством поверхности, как упоминалось выше. [ 1 ]
Шероховатость
[ редактировать ]Военный стандарт США MIL-STD-10A
[ редактировать ]Этот первоначальный стандарт имел общий характер и не предназначался для характеристики полированных поверхностей как таковых. В нем использовались параметры, которые обычно не используются для характеристики оптических элементов, такие как средняя шероховатость. [ 1 ]
АСМЭ Б46.1-2002
[ редактировать ]
Этот стандарт заменил MIL-STD-10A и определяет более сорока различных параметров, включая RMS (среднеквадратичное значение), наклон, перекос, PSD (спектральная плотность мощности, которая является наиболее полной характеристикой) и многое другое. В этом стандарте имеется значительное улучшение, поскольку он позволяет определять характеристики обработанных поверхностей на различных пространственных частотах, что особенно важно в тех случаях, когда оптика была изготовлена с использованием методов, которые оставляют периодические следы, например, вызванные алмазным точением . Для большинства случаев достаточно использовать RMS. [ 1 ] Во всех случаях важно указать диапазон, в котором выполняется расчет, поскольку без определения диапазона пространственных частот, в котором выполняются измерения, этот стандарт не имеет смысла.
ИСО 10110-8 (2010 г.)
[ редактировать ]Этот популярный стандарт, аналогичный ASME B46.1, также определяет среднеквадратичное значение поверхности в определенном масштабе длины, PSD и многое другое. Он отличается от спецификации ASME тем, что вместо слов используются символы. [ 1 ] [ 7 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д Эйкенс, Дэвид М. «Значительная шероховатость и качество» . savvyoptics.com . Проверено 3 декабря 2023 г. [ ненадежный источник? ]
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час «Понимание характеристик качества поверхности» . edmundoptics.ca . Проверено 3 декабря 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к Эйкенс, Дэйв. «Решения для обеспечения качества поверхности оптики: революция в области раскопок, 2019 г.» (PDF) . savvyoptics.com . Проверено 3 декабря 2023 г. [ ненадежный источник? ]
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Эйкенс, Дэйв. «Новые возможности для допусков оптического качества — Savvy Optics» . www.savvyoptics.com . Проверено 4 декабря 2023 г.
- ^ «Измерение царапин/выкопок – Оптическая метрология – Метрология и микроскопия» . www.lambdaphoto.co.uk . Проверено 4 декабря 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с «Оптические поверхности» . www.newport.com . Проверено 20 февраля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б с «Понимание шероховатости поверхности» . www.edmundoptics.ca . Проверено 20 февраля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б с https://eksmaoptics.com/out/fck_file/MIL-PRF-13830B%5B1%5D.pdf
- ^ «Руководители, директора и спонсоры OEOSC – OEOSC» . www.oeosc.org . Проверено 1 марта 2024 г.