李小蕓，李劍白，齊 豪，楊 勇

(1.江西省科學(xué)院，330029，南昌；2.江西連勝實(shí)驗(yàn)裝備有限公司，334409，江西，弋陽(yáng))

關(guān)于光學(xué)表面微觀輪廓粗糙度標(biāo)準(zhǔn)的探討

李小蕓1，李劍白1，齊 豪2，楊 勇2

(1.江西省科學(xué)院，330029，南昌；2.江西連勝實(shí)驗(yàn)裝備有限公司，334409，江西，弋陽(yáng))

討論提出了光學(xué)超光滑表面微觀輪廓納米及亞納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，指出，現(xiàn)有的GB/T 1031-2009粗糙度數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)不能滿足光學(xué)表面微觀輪廓的納米及亞納米計(jì)量要求。為此，建議制訂新的專用的光學(xué)表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)現(xiàn)代光學(xué)快速發(fā)展的需求。

超光滑光學(xué)表面；亞納米；表面粗糙度；計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

0 引言

光學(xué)表面加工質(zhì)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(cè)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法以前一直使用的是機(jī)械加工的表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的測(cè)試方法。我國(guó)相關(guān)的國(guó)標(biāo)為GB/T1031-2009。光學(xué)行業(yè)仍然是沿用這個(gè)表面粗糙度及其數(shù)值系列標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的檢測(cè)方法。就是說(shuō)光學(xué)行業(yè)并沒(méi)有與一般機(jī)械加工的表面微觀輪廓粗糙度標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)方法區(qū)別開(kāi)來(lái)。這種情況的合理性值得探討。

在現(xiàn)代光學(xué)高速發(fā)展的今天，超光滑光學(xué)表面、高質(zhì)量的超光滑光學(xué)表面應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]，沿用一般機(jī)械加工的表面粗糙度國(guó)標(biāo)作為超光滑光學(xué)表面的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)已顯得越來(lái)越不適應(yīng)，應(yīng)該有所改進(jìn)，有所發(fā)展[2]。

1 超光滑光學(xué)表面微觀輪廓粗糙度測(cè)試結(jié)果的例證

以作者做過(guò)的一個(gè)軟X射線超光滑光學(xué)表面微觀輪廓測(cè)試為例[3-5]。該樣品表面微觀輪廓粗糙度測(cè)試結(jié)果如圖1、圖2及表1。未鍍膜的超光滑光學(xué)表面樣品，其表面微觀輪廓算術(shù)平均偏差Ra=0.000 239 μm，均方偏差Rq=0.000 319 μm。這些數(shù)值都超過(guò)GB/T1031-2009表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)中輪廓算術(shù)平均偏差規(guī)定的最高數(shù)值Ra=0.012 μm將近2個(gè)數(shù)量級(jí)。用這個(gè)國(guó)標(biāo)來(lái)計(jì)量軟X射線光學(xué)系統(tǒng)元件等超光滑光學(xué)表面的微觀輪廓粗糙度顯然是不合適的。

圖1 光學(xué)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(xué)超光滑表面微觀輪廓參數(shù)/nm

為此，筆者提出關(guān)于光學(xué)表面微觀輪廓粗糙度標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)方法等相關(guān)問(wèn)題的一些意見(jiàn)和建議如下。

2 關(guān)于光學(xué)表面微觀輪廓粗糙度標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)方法的一些建議

1)關(guān)于制訂新標(biāo)準(zhǔn)及其名稱。為了兼顧ISO10110與現(xiàn)有的GB/T1031-2009的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，建議制訂一個(gè)光學(xué)行業(yè)專用的新標(biāo)準(zhǔn)，并采用《光學(xué)表面微觀輪廓粗糙度參數(shù)及其數(shù)值》名稱。由中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)光學(xué)測(cè)試專委會(huì)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(biāo)，與現(xiàn)行的算術(shù)平均偏差Ra可同等選用。其數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)可以與Ra使用同一系列，即標(biāo)準(zhǔn)Ra和Rq同等有效，其優(yōu)選的數(shù)值系列也相同。而表面微觀輪廓的功率譜PSD指標(biāo)可暫不列入選用。

3)建議制訂的新標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)大Ra和Rq的選用數(shù)值范圍，如提高2個(gè)量級(jí)，即最高達(dá)到0.000 12 μm，或按文獻(xiàn)[2]中提出的利用納米單位。

4)關(guān)于測(cè)試取樣長(zhǎng)度問(wèn)題。在ISO10110中明確定義：表面微觀輪廓(surface texture)是光學(xué)表面輪廓的一個(gè)總體結(jié)構(gòu)特性，并假定表面任何一區(qū)域結(jié)構(gòu)特性與數(shù)值是類似于同表面所有其他區(qū)域[6]。這一假定使得測(cè)量表面的一部分就可以代表表面的其他部分。因此，光學(xué)表面微觀輪廓粗糙度測(cè)量中采用多大的采樣面積和多長(zhǎng)的采樣長(zhǎng)度應(yīng)該沒(méi)有什么區(qū)別。即新制定的光學(xué)表面粗糙度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該與取樣長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。因?yàn)楣鈱W(xué)表面的微觀輪廓任何一部分都可以代表表面總體結(jié)構(gòu)特性。

5)目前測(cè)量光學(xué)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(zhǎng)度都比較大，但橫向分辨率相對(duì)較低；后者的采樣面積和采樣長(zhǎng)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(xué)表面微觀輪廓粗糙度測(cè)量。但由于后者橫向分辨率高，在檢測(cè)發(fā)現(xiàn)納米、亞納米表面微缺陷方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代光學(xué)高速發(fā)展，推動(dòng)超光滑光學(xué)表面加工檢測(cè)和應(yīng)用快速發(fā)展，目前沿用的表面微觀輪廓粗糙度標(biāo)準(zhǔn)已大大落后實(shí)際設(shè)計(jì)、加工和檢測(cè)的需要。為此，作者提出光學(xué)表面微觀輪廓粗糙度標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)、發(fā)展的一些新觀念、新探討，以及納米、亞納米級(jí)光學(xué)表面檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較，以引起光學(xué)測(cè)試的同行們對(duì)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(jí)光滑表面[J].光學(xué)學(xué)報(bào),1996,15(6):824-825.

[2]李劍白,殷愛(ài)菡,趙安慶,等.光學(xué)表面納米計(jì)量及其納米量級(jí)粗糙度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的研究[C].全國(guó)計(jì)量測(cè)試學(xué)術(shù)大會(huì)論文集,1998:294-299.

[3]李劍白,李達(dá)成,李小蕓,等.原子力顯微鏡測(cè)試光學(xué)超光滑表面輪廓的研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào),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(ài)菡,李小蕓,等.應(yīng)用激光光杠桿式原子力顯微鏡研究光學(xué)及超光滑表面微輪廓[J].江西科學(xué),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(shū)館情報(bào)及光電研究工作。

10.13990/j.issn1001-3679.2014.05.026

O436

A

1001-3679(2014)05-0697-03