美军标关于光学表面疵病的说明

美军标关于光学表面疵病的说明 What is an optic surface figure? Filed under: choose your optics — Tags: compare, how to choose my optics, Marechal criterion, MIL-O-13830, peak-to-valley, peak-to-valley vs RMS, scratch-dig, stray light, Strehl ratio, surface figure, surface quality — Webmaster @ 7:58 pm The surface figure, or surface quality or surface cosmetics all refer to the deviation between an actual optic and its ideal surface. There are basically two set of information that are commonly given by manufacturers: the surface flatness and what is referred to as “scratch-dig”. Why is it important? Well, an optic with a bad rating on surface flatness will introduce some wavefront distortions, which are responsible for aberrations and bad quality focus. Aberrated wavefront leads to poor Strehl ratio (ratio of the observed peak intensity at the image plane compared to the theoretical maximum peak intensity of a perfect optical system), so poor optics makes one loose valuable optical power at focus. Plus scratches or digs on an optic create diffraction and stray light, which no one wants either. Surface flatness This is the measurement of the difference between the actual surface of the optic and the surface it would have if it was defect-free. There are two main way to measure it, the most common is called “peak-to-valley” (P-V). This is the difference between the “highest” and “lowest” parts on the surface of the optic, those “top” and “bottom” being defined as the local difference between the actual optic and the ideal one. Of course this ignores the curvature of the optics, which is not a defect. We consider this method of measuring defects on optic as inaccurate and misleading: it is a maximum measurement, and it does not say how many peaks and valley there are on the whole surface. Consequently it is difficult to predict how an optic will perform with this sort of measurement. An optical system having a large P-V error may actually perform better than a system having a small P-V error. Unfortunately it is by far the most widespread flatness quality control in the industry. A much better measurement is the RMS (Root Mean Square) value of the flatness. This technique involves measuring a substantial amount of the optic’s surface at many points and then calculating the standard deviation of the surface from the ideal form. This measurement has direct mathematical implications: for instance it is possible to calculate the Strehl ratio from it. Once again, in short the Strehl ratio is a very good indication on how much power you get at the image plane of the optical system versus what power you will get from an ideal aberration-free system. Once the Strehl ratio has been calculated, the quality of the optical system may be ascertained using the Maréchal criterion. The Maréchal criterion states that a system is regarded as well corrected if the Strehl ratio is greater than or equal to 0.8, which corresponds to an rms wavefront error λ/14. For instance an optical system introducing a λ/3 RMS deformation will have his actual power at focus reduced to approximately 3% of its theoretical power. The reason for this drop in power at the focus is that some interferences are created in the focus, with different rays arriving with a different phase. Since most manufacturers are specifying their optics flatness in peak-to-valley, here is a short comparison of what one should expect. This is without guarantee: as explained above, peak-to-valley is imprecise and misleading. surface flatness quality applications (peat-to-valley) less than λ/2 very low non critical divergent applications only Often best standard for cube beam splitter. Not suitable for high λ/4 low power applications or when wavefront control is important General standard for quality manufacturer. Suitable for most laser λ/10 good and scientific application. Manufacturers who specify surface flatness in peak-to-valley advise this flatness for critical wavefront control applications such as interferometry or intense femto-second lasers. But honestly, if λ/20 very good this is your case you wouldn’t want to leave room for imprecision, and you would choose a manufacturer able to specify the RMS flatness. Scratch-dig This is yet another very subjective quality measurement. Scratch-dig, sometimes called surface quality relates to the number and apparent size of visible defects, typically scratches and pits (called digs), on the part surface. While this may seem straightforward, probably no optical specification causes greater confusion. The problem arises because the assessment of scratches and digs is performed using a purely visual, non-quantitative comparison to a set of standards which conform to the US military specification MIL-O-13830. This situation arose because the specification was developed many years before the advent of the laser, when surface quality was primarily a cosmetic consideration without performance information. Scratch-dig is specified by two numbers, such as 40-20. The first number is the maximum width allowance for a scratch measured in microns, and the second is the maximum diameter for a dig in hundredths of a milimetre. So 40-20 would permit a scratch width of 0.04mm and a dig diameter of 0.2mm This measurement is obviously badly limited: not only does it entirely rely on a visual inspection, but there is no measure of irregularities depth and scratches length, nor of their number, nor of their position (centre being worse). The problem is that this measurement has the potential to give important information on the optic. Small size defects are responsible light scattering, loss of contrast and stray light which can damage sensitive components in high power applications. A much better measurement would be the Fourier transform of the surface of the optic, if this were available from manufacturers. Once again to help people getting an idea of what they are getting, here is a comparison of the average scratch-dig quality from quality manufacturers. Just keep in mind how imprecise this measurement is, though. scratch-dig quality applications Commercial grade, non-critical applications. Also used in low power laser and imaging applications where scattered light is not as 60-40 Very low critical as costs. Standard scientific research applications, for laser or imaging 40-20 Low applications with focused beam that tolerate little scattered light. Laser mirrors and extra-cavity optics. For laser and imaging 20-10 Moderate application with focused beams where minimising scattered light is important. This is the best quality offered by some manufacturer. 10-5 High Intra-cavity laser optics, high power applications. Rating: 8.5/10 (4 votes cast) Share and Enjoy: 引用 美军标关于光学表面疵病的说明 Link - Thu, 16 Oct 2008 09:30:01 +0800 Description: 引用 pitter_li 的 美军标关于光学表面疵病的说明 一.定义: 表面缺陷标准:依据美国军用标准MIL-PRF-13830B用两组数字表示表面缺陷大小。例如40/20(或40-20)前者限制划痕大小，后者限制麻点大小。 道子、亮路都统称为划痕。 斑点、坑点、点子 都称为麻点。 规定长与宽的比大于4:1的为划痕;长与宽的比小于4:1的为麻点。 当元件的不同区域表面光洁度要求不一样时，等效直径的计算以区域进行:表面质量要求高的内区域其等效直径以内区域为准(如有效孔径的区域)，表面质量要求低的外区域计算的是整体元件的等效直径。 ?美军标规定对于非圆形元件其直径取相等面积圆的直径。 划痕: 以美国军用标准《MIL-O-13830》的表面质量划痕样板作为各级数划痕的比对标准。(注意:美军标未指明划痕的计量单位也即未确定划痕的宽度和深度，只能以实际观察样版为标准。) 这里的划痕级数就是通常的划痕号数，标准样版有10#、20#、40#、60#、80# 5个级。 ?SC-QA027表面质量标准共有7条划痕判定标准，前5条是美军标的规定，后两条是公司内控标准。以下逐条讲解: 1.当元件的划痕级数超过表面质量要求的划痕级数时，元件不合格。 例如:元件的表面质量要求为60—40，则代表元件的划痕必须?60#，如果元件有,60#的划痕，则元件不合格。 2.当元件的划痕级数未超过表面质量要求的级数，但元件存在最大划痕时，所有最大划痕的长度之和应不超过元件直径的1/4。 例如:有一长30mm宽10mm的元件，元件的表面质量要求为60—40，有2条60#长为3 mm划痕。 它的等效直径为20mm 1/4D为1/4×20=5mm 最大划痕的长度和为: 3mm+3mm=6mm 6mm>5mm元件最大划痕的长度和超过元件直径的1/4。所以元件不合格。 3.当元件存在最大划痕，而最大划痕的长度之和未超过1/4D，要求所有级数的划痕乘以划痕长度与元件直径之比所得乘积之和，不得超过最大划痕级数的一半。 例:有一长30mm宽10mm的元件，元件的表面质量要求为60—40，元件上有2条2mm的60#划痕，3条4mm的40#划痕。 它的等效直径为20mm 1/4D为1/4×20=5mm 最大划痕的长度和为: 2mm+2mm=4mm 4mm<5mm。符合2条。 但所有级数的划痕乘以划痕长度与元件直径之比所得乘积之和为: 1(60#划痕长度为(2+2);40#划痕长度为(4+4+4+4) 2(60#划痕乘以划痕长度与元件直径之比为60×(2+2)/20; 40#划痕乘以划痕长度与元件直径之比为40×(4+4+4+4)/20 3(所有级数的划痕乘以划痕长度与元件直径之比所得乘积之和为: [60×(2+2)/20]+[40×(4+4+4+4)/20=36 元件最大划痕级数为60;60的一半为60/2=30)36>30;因此，元件不合格。 4.当元件的划痕级数未超过表面质量要求的级数，且元件不存在最大划痕时，所有级数的划痕乘以划痕长度与元件直径之比所得乘积之和，不得超过最大划痕级数。 例?:元件为Æ10，表面质量指标60—40，有2条50#划痕2mm，1条40#划痕3mm，另2条40#划痕2mm，2条20#划痕2mm,10#划痕长度合计10 mm。 所有级数的划痕乘以划痕长度与元件直径之比所得乘积之和为: [50×(2+2)/10]+[40×(3+2+2)/10]+[20×(2+2)/10]+[10×10/10]=66 元件最大划痕为60# 66>60;因此，元件不合格。 5.当元件质量指标要求划痕等级为20或优于此等级时，元件表面不准有密集划痕即在元件中任何一个Æ6.35mm面积的区域，不允许有4条或4条以上的大等于10#划痕。 例:表面质量指标为20-10，Æ20mm， 在如图(1)所示的区或有2条长1mm 和2条长0.5mm的10#划痕。 它符合5.1.1;5.1.4 (无需考虑5.1.2;5.1.3) 但它不符合5.1.5条。元件不合格。 6.对于圆形元件不允许有20#级数以上与直径相等的划痕。对于方形元件不 允许有20#级数以上贯穿元件的划痕。 麻点: 依据美国军用标准MIL-PRF-13830B麻点的级数取允许缺陷的实际直径，规定以1/100mm作为计量单位。如果麻点形状不规则。则应取最大长度和最大宽度的平均值作为直径。 (注意:美军标的麻点与划痕不同，麻点是可计量的也即麻点的大小是确定的，50#麻点也即直径D=0.5mm的麻点) 1.当元件存在超过表面质量要求的麻点级数时，元件不合格。 例:元件为Æ20mm，质量指标要求为60—40，元件有1个直径0.5mm的麻点 50>40元件不合格。 2.每20mm直径上只允许有1个最大麻点。 例:元件为Æ20mm，质量指标要求为60—40，元件有2个直径0.4mm的麻点元件不合格 3.每20mm直径上所有麻点直径的总和不得超过最大麻点的2倍 例: 40mm×40mm的元件，质量指标要求为60-40，其中一个Æ20mm的区域有40#点子一个，20#点子一个，10#点子一个，同时在另一个Æ20mm区域中，20#点子2个，10#点子4个，5#点子1个。 ?4.当麻点质量要求为10或更优等级时，任何两个麻点的间距必须大于1mm 例:元件40mm×40mm的元件， 质量指标要求为20-10, 有两个5#的点子，点子 之间的距离为0.8mm. 0.8mm<1mm元件不合格 ?5.小于2.5um的麻点略去不计。 ?6. 当出现如图所示密集麻点时以麻点聚集的外围圈径为麻点大小 ?气泡和包络:包络当作气泡考虑。 依据美国军用标准MIL-PRF-13830B气泡的级数与麻点一样，单位也相同。不规则气泡直也是取最大宽度和长度的平均值。 气泡的允许值与麻点相同。但气泡和包络必须与麻点区分开来，单独评价。 引用 光学零件表面疵病 Link - Thu, 16 Oct 2008 09:29:18 +0800 Description: 引用 pitter_li 的 家 技 术 监 管 局 发 布 国 中华人民共和国国家标准 光学零件表面疵 病 GB 1185-89 Surface imperfections of optical elements 代替GB1185-74 1 主题内容与适用范围 本标准规定了光学零件表面疵病术语、代号、换算、、密集和试验。 本标准适用于光学零件抛光表面的检验。 2 术语、代号 2(1 表面疵病B 表面疵病系指麻点、擦痕、开口气泡、破点及破边。 2(2 级数 J 级数J表征表面疵病大小，M的数值即为J。 其中，M为表面疵病的面积mm2。 正方形表面疵病级数J是以mm为单位的边长数值。 2(3 个数G G为允许的表面疵病数目。 3 换算 换算系指较大级数的表面疵病允许用若干个具有较小级数的表面疵病来代替，其面积之和不超过原级数的表面疵病面积，但不允许将表面疵病换算为多于40个较小级数的表面疵病。 根据需要，表面疵病也可以不允许换算(见4.1.2条)。 表面疵病级数与疵病个数换算系数按表1。 中华人民共和国机械电子工业部1989-02-28批 准 1990-01-01实施 GB 1185-89 疵病个 数 1 2.5 5.3 16 40 换算系 数 0.004 -- -- -- -- 0.0063 0.004 -- -- -- 级数J 0.01 0.0063 0.004 -- -- 0.016 0.010 0.0063 0.004 -- 0.025 0.016 0.010 0.0063 0.0040 0.04 0.025 0.016 0.010 0.0063 0.063 0.040 0.025 0.016 0.010 0.10 0.063 0.010 0.025 0.016 0.16 0.10 0.063 0.04 0.025 0.25 0.16 0.10 0.063 0.04 0.40 0.25 0.16 0.10 0.063 0.63 0.40 0.25 0.16 0.10 1.0 0.63 0.40 0.25 0.16 1.6 1.0 0.63 0.40 0.25 2.5 1.6 1.0 0.63 0.40 4.0 2.5 1.6 1.0 0.63 6.3 4.0 2.5 1.6 1.0 10 6.3 4.0 2.5 1.6 表1 注: ? 表面疵病原级数个数乘疵病个数换算系数等于换算后的级数个数 (结果应化为整数)。 ? 级数公比数为1.6,疵病个数换算系数公比数为2.5。 ? 级数小于0.004和擦痕宽度小于0.001mm的疵病不作考核. ? 开口气泡和破点均当作麻点处理。 GB 1185-89 4 标志 4(1 一般标志 4(1(1 表面疵病的代号为B，其值由G×J表示。表面疵病一般标 为为B/G×J。 4(1(2 不允许换算的表面疵病，其值加括号( )，见图1。 表面疵病B/G×J用引出线在图中表示。见图1。 4(1(3 对表面疵病如有特殊要求，可在技术文件中另行规定。 4(2 分区的标志 分区系指光学零件表面疵病要求不同的区域。对有分区要求的圆形零 件和非圆形零件，图上划出范围并标志尺寸。范围线用细实线，见图2和图3。(图在最后一页) 4(3 擦点 除已定疵病外，如允许有任意长度的擦痕，则应在表面疵病一般标志后附加标注符号C，擦痕的数目和允许最大宽度的数值，一般标志与擦痕标志之间用分号(;)分开(见表2)。 表2 带有任意长度擦痕的表面疵病标B/3×0.25;C2×0.01 志 B 表面疵病代号 3 未换算的表面疵病数 0.25 级数 C 任意长度的擦痕符号 2 允许擦痕数 0.01 允许擦痕宽度 4(4 破边 4(4(1 零件表面有效孔径以外的破边，若不影响零件在镜框中的牢固性、密封性和成像质量，则允许存在，但发展性的破边不允许存在。 4(4(2 破边的标志是在表面疵病一般标志后附加标注符号P和破边的径向尺寸。一般标志与破边标志之间用分号(;)分开(见表3)。 GB 1185-89 表3 B/8×0.4;P 0.5 带有破边的表面疵病标志 B 表面疵病代号 8 未换算的表面疵病数 0.4 级数 P 破边符号 0.5 破边径向尺寸 5 密集 表面疵病不允许密集,在4%的检验面积范围内(在圆形检查区相应于1/5直径范围内),不超过 表面疵病数或不超过经换算后的1/5表面疵病数。 6 试验方法 检查时应以黑色屏幕为背景，光源为36V、60,108W的普通白炽灯泡，在透射光或反射光下用4×,10×放大镜观察。 在观察时允许朝任意方向转动零件，但在确定疵病大小时，应以透射光为准(不包括棱镜和一面磨毛一面抛光的零件)。 附 录 A 换 算 举 例 (参考件) A1 对级数J=0.63的3个表面疵病进行换算: a. 全部换算 若用换算系数1,则3×1=3,允许3个表面疵病,它们的级数J=0.63。若用换算系数2.5,则3×2.5=7.5，取整数8，允许8个表面疵病，在表1中可查得相应的级数J=0.4。 即可换算为级数J=0.4的8个表面疵病。 b. 部分换算 如将其中一个表面疵病进行换算，而其余两个表面疵病保留原级。 若用换算系数6.3,则1×6.3=6.3,取整数6,在表1中可查得相应的级数J=0.25。即可换算为级数J=0.63的2个表面疵病和级数J=0.25的6个表面疵病. 再换算一个原级疵病,仅保留一个原级疵病. 若用换算系数16,则1×16=16,在表1中可查得相应的级数J=0.116。即可换算为级数J=0.63的1 个表面疵病,级数J=0.25 的6个表面疵病和级数J=0.16的16个表面疵病。 引用 光学零件表疵病标准-擦痕、麻点说明 Link - Thu, 16 Oct 2008 09:28:20 +0800 Description: 引用 pitter_li 的 光学零件表疵病标准-擦痕、麻点说明 光电论坛 1 光学零件表疵病标准-擦痕、麻点说明 (美国军用标准:MIL-O-13830A/11.Sep63) 1.目的: 光学零件表面质量说明及可接受缺陷(defects)规定，陆军用擦痕、麻点说明， MIL-13830A为了在实际检验中领会，执行此标准，特做以下文字规定。 1.1擦痕(scratch)和麻点(dig)用两个代表其限制尺寸的号数来标记。第二个号为 麻点号。 擦痕指相对较长的缺陷，一般长比宽在20:1左右，如:擦痕、划丝、划伤等。 麻点 指点状缺陷，一般为圆的如麻点、麻坑包含物等。 1.2 擦痕的判断可参考有关擦痕标准。 2.擦痕 2.1 擦痕号(第一个号)表示擦痕最大宽度。 2.1.1 球面光学零件:擦痕的宽度等于最大宽度时其长度不能大于零件直径或有效孔径 的25,。每个零件不能多于两条擦痕。 2.1.2 柱面光学零件 在直径20mm的范围内。擦痕宽度等于最大宽度时，擦痕长度不大于5mm可以允 许。允许擦痕的最多数目为该有效柱面上直径为20mm的区域的多少。 例如: πDH,柱面面积(有效面积) 其中:D=柱面镜的过光长度(高度) H,柱面镜的过光长度(高度) π,3.1416 有效柱面面积/0.25π20mm2=允许擦痕最大数 2.1.3 当存在最宽擦痕，如果较小宽度的擦痕符合下面公式，可以接受。 Σ(N×(L/D))?(Nmax)/2 其中:D,直径，N,测量的擦痕数，L,擦痕长度，Nmax=规定的擦痕号 光学零件中擦痕数乘以擦痕长度和零件直径之比的和不大于擦痕号(规定)的 一般可以接受。 2.1.4 一个擦痕其宽度大于擦痕规定数的(0.0001英寸)0.00025mm，则不能接收。 2.1.5 当无最宽擦痕时，擦痕不能超过以下公式: 光电论坛 2 光学零件中擦痕数乘以擦痕长度和零件直径之比的和不大于擦痕号，则可以接受。 2.1.6 小于10(0.01mm宽)可以忽略。 3.麻点 3.1 麻点号表示最大直径的麻点。麻点号是以最大麻点的直径给出，单位为1/100mm (0.01mm一丝)。 3.1.1 直径为20mm 的范围内最大直径的麻点不能超过一个。 3.1.2 如果麻点的直径超过规定尺寸则不接受(不规则麻点的直径为长径和短径之和 除2)。 3.1.3 当最大直径麻点存在时，麻点符合以下尺寸则认为合格: ΣD?(Dmax) 其中:D,麻点直径 Dmax,规定允许的最大麻点直径。 3.1.4 如果没有最大直径的麻点，所有麻点直径之和不大于规定最大直径的2倍则为 合格，即: ΣD(