關于光學表面微觀輪廓粗糙度標準的探討

李小蕓，李劍白，齊 豪，楊 勇

(1.江西省科學院，330029，南昌；2.江西連勝實驗裝備有限公司，334409，江西，弋陽)

關于光學表面微觀輪廓粗糙度標準的探討

李小蕓1，李劍白1，齊 豪2，楊 勇2

(1.江西省科學院，330029，南昌；2.江西連勝實驗裝備有限公司，334409，江西，弋陽)

討論提出了光學超光滑表面微觀輪廓納米及亞納米計量標準問題，指出，現有的GB/T 1031-2009粗糙度數值標準不能滿足光學表面微觀輪廓的納米及亞納米計量要求。為此，建議制訂新的專用的光學表面粗糙度標準，以適應現代光學快速發展的需求。

超光滑光學表面；亞納米；表面粗糙度；計量標準

0 引言

光學表面加工質量包括表面疵病和表面微觀輪廓粗糙度兩部分。其中表面微觀輪廓粗糙度的檢測標準和檢測方法以前一直使用的是機械加工的表面粗糙度標準和相關的測試方法。我國相關的國標為GB/T1031-2009。光學行業仍然是沿用這個表面粗糙度及其數值系列標準和相關的檢測方法。就是說光學行業并沒有與一般機械加工的表面微觀輪廓粗糙度標準及檢測方法區別開來。這種情況的合理性值得探討。

在現代光學高速發展的今天，超光滑光學表面、高質量的超光滑光學表面應用越來越廣泛[1]，沿用一般機械加工的表面粗糙度國標作為超光滑光學表面的質量標準已顯得越來越不適應，應該有所改進，有所發展[2]。

1 超光滑光學表面微觀輪廓粗糙度測試結果的例證

以作者做過的一個軟X射線超光滑光學表面微觀輪廓測試為例[3-5]。該樣品表面微觀輪廓粗糙度測試結果如圖1、圖2及表1。未鍍膜的超光滑光學表面樣品，其表面微觀輪廓算術平均偏差Ra=0.000 239 μm，均方偏差Rq=0.000 319 μm。這些數值都超過GB/T1031-2009表面粗糙度標準中輪廓算術平均偏差規定的最高數值Ra=0.012 μm將近2個數量級。用這個國標來計量軟X射線光學系統元件等超光滑光學表面的微觀輪廓粗糙度顯然是不合適的。

圖1 光學超光滑硅片表面微觀輪廓圖

圖2 超光滑硅片鍍膜表面的微觀輪廓圖

表1 光學超光滑表面微觀輪廓參數/nm

為此，筆者提出關于光學表面微觀輪廓粗糙度標準及檢測方法等相關問題的一些意見和建議如下。

2 關于光學表面微觀輪廓粗糙度標準及檢測方法的一些建議

1)關于制訂新標準及其名稱。為了兼顧ISO10110與現有的GB/T1031-2009的標準規定，建議制訂一個光學行業專用的新標準，并采用《光學表面微觀輪廓粗糙度參數及其數值》名稱。由中國光學學會光學測試專委會牽頭起草。

2)建議增加表面微觀輪廓均方偏差Rq作為粗糙度指標，與現行的算術平均偏差Ra可同等選用。其數值標準可以與Ra使用同一系列，即標準Ra和Rq同等有效，其優選的數值系列也相同。而表面微觀輪廓的功率譜PSD指標可暫不列入選用。

3)建議制訂的新標準擴大Ra和Rq的選用數值范圍，如提高2個量級，即最高達到0.000 12 μm，或按文獻[2]中提出的利用納米單位。

4)關于測試取樣長度問題。在ISO10110中明確定義：表面微觀輪廓(surface texture)是光學表面輪廓的一個總體結構特性，并假定表面任何一區域結構特性與數值是類似于同表面所有其他區域[6]。這一假定使得測量表面的一部分就可以代表表面的其他部分。因此，光學表面微觀輪廓粗糙度測量中采用多大的采樣面積和多長的采樣長度應該沒有什么區別。即新制定的光學表面粗糙度測量標準應該與取樣長度無關。因為光學表面的微觀輪廓任何一部分都可以代表表面總體結構特性。

5)目前測量光學表面微觀輪廓粗糙度方法中精度較高的有兩類，一是基于干涉原理，如雙光束相位干涉儀等;另一類是基于表面原子吸附作用原理的，如原子力顯微鏡等。前者，采樣面積和采樣長度都比較大，但橫向分辨率相對較低；后者的采樣面積和采樣長度都較小，但橫向分辨率卻很高。兩類儀器和方法都可以用于超光滑光學表面微觀輪廓粗糙度測量。但由于后者橫向分辨率高，在檢測發現納米、亞納米表面微缺陷方面具有其獨特的優勢[3]。

3 結束語

現代光學高速發展，推動超光滑光學表面加工檢測和應用快速發展，目前沿用的表面微觀輪廓粗糙度標準已大大落后實際設計、加工和檢測的需要。為此，作者提出光學表面微觀輪廓粗糙度標準改進、發展的一些新觀念、新探討，以及納米、亞納米級光學表面檢測方法優缺點的比較，以引起光學測試的同行們對此方面研究探討的重視。

[1] 高宏剛,曹健林,陳星旦.浮法拋光亞納米級光滑表面[J].光學學報,1996,15(6):824-825.

[2]李劍白,殷愛菡,趙安慶,等.光學表面納米計量及其納米量級粗糙度計量標準的研究[C].全國計量測試學術大會論文集,1998:294-299.

[3]李劍白,李達成,李小蕓,等.原子力顯微鏡測試光學超光滑表面輪廓的研究[J].光學學報,2000,20(11):1533-1537.

[4]Li J B,Xiao S R,Li X Y,etal.Evaluating optical and supersmooth surface using AFM in optical manufacturing technology[J].Proceedings of SPIE,CODE,2000,7(30):59-64.

[5]李劍白,殷愛菡,李小蕓,等.應用激光光杠桿式原子力顯微鏡研究光學及超光滑表面微輪廓[J].江西科學,2000,18(3):135-139.

[6]ISO10110,Optics and Optical Instruments-Preparation of drawings for optical elements and systems:Part 8[S].1997.

OnMeasureStandardandTestingMethodforRoughnessofSurfaceTextureofOpticalElements

LI Xiaoyun1,LI Jianbai1,QI Hao2,YANG Yong2

(1.Jiangxi Academy of Science,330029,Nanchang,PRC;2.Jiangxi Liansheng Experiment Technical Assembly Co.Ltd.,334409,Yiyang,Jiangxi,PRC)

The measure standard on roughness of surface texture of optical elements for nanometer and subnanometer-grade is presented in the paper.It is indicated requiment for surface texture of optical elements on nano-and subnanometer grade no using surface roughness standard GB/T 1031-2009.It is suggested,formulating a professional standard for optical surface roughness is required adapting to needs for rapidly development of modern optics.

supersmooth surface of optical elements;subnanometer;surface roughness;measure standard

2014-06-28;

2014-08-11

李小蕓(1973-)，女，本科，主要從事圖書館情報及光電研究工作。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.026

O436

A

1001-3679(2014)05-0697-03