检查镜头缺陷会划伤表面

当涉及到光学表面时，缺陷很重要，但要了解哪些类型的缺陷是可接受的，需要结合表面检查以及供应商和用户之间的密切沟通。

MARIEFREEBODY，特约编辑

令人惊讶的是，与光学行业的高精度做法形成鲜明对比的是，许多光学表面仍然是用肉眼检查的。至少在这个利基市场，人类尚未被自动化所取代，但如果当前趋势继续下去，自动化检测可能会成为一个越来越有用的选择。

  光学检测利用许多技术来揭示肉眼难以或不可能看到的表面细节，这些技术产生了一系列规格繁多且术语同样混乱的技术。然而，最终，建立正确的规范归结为确定表面缺陷是否以及如何影响光学系统及其预期用途。

图1除了人眼之外，还使用了一系列光学设备来近距离检查光学表面纹理，包括大口径干涉仪、白光干涉仪和原子力显微镜。由肖特提供。

从概念上讲，光学表面是理想化的完美形状，尽管在现实世界中，任何表面都无法制造出没有瑕疵的表面。在制造过程中，当表面在包装之前暴露在环境中时，甚至在光学器件在运输过程中时，都会出现缺陷。任何划痕、挖洞、碎裂、污点、气泡或变色都可能影响光学系统的性能并影响其设计的应用。

通常，划痕和凹痕对光学系统的实际性能几乎没有影响，而是表明光学制造的细心和工艺。要记住的关键因素是可接受的缺陷数量、类型和严重程度。客户需要注意的缺陷类型因应用而异。

图2没有光学表面是完全没有缺陷的。在制造过程中，当表面在包装之前暴露在环境中时，或者当光学器件在运输中时，可能会出现缺陷。任何划痕、挖洞、碎裂、污点、气泡或变色都可能影响光学系统的性能并影响其设计的应用。由asphericonGmbH提供。

图3按照MIL-PRF-13830B规范检查表面质量包括进行目视检查并将表面与校准标准进行比较，以表征可见缺陷的水平。由asphericonGmbH提供。

按照MIL-PRF-13830B规范检查表面质量包括进行目视检查并将表面与校准标准进行比较，以表征可见缺陷的水平。由asphericonGmbH提供。例如，激光应用对表面缺陷的阈值可能特别低。爱特蒙特光学首席技术营销工程师CoryBoone表示：“对于高功率激光系统，最少量的污染可能会导致激光引起的损坏，降低性能，甚至可能导致系统故障。”“[低]表面粗糙度对于最小化散射也很重要，因为通过系统散射的高功率激光可能很危险。”

然而，在低功率激光应用中，表面粗糙度对性能的影响可以忽略不计，保持严格的粗糙度规格会不必要地增加成本。

“一个精确的高功率激光材料加工系统可能需要表面粗糙度小于1埃的超抛光窗口，以最大限度地减少散射，但同样的窗口作为低-功率光投影系统，”布恩说。

划痕和挖掘

由于表面缺陷的类型、大小和数量的可能排列如此庞大，因此没有单一的总体标准可以指定光学表面的质量。然而，多年来，出现了两个普遍接受的标准，试图使行业更加清晰：美国军用性能规范MIL-PRF-13830B和源自欧洲的ISO10110。

当按照MIL规范进行测量时，光学元件的表面会与校准标准进行视觉比较。100-W荧光灯通常用于增强任何缺陷的可见性，而使用40-W灯与标准进行更详细的比较。

MIL标准格式遵循划痕编号方法，然后是基于校准标准的挖掘编号。具体来说，有五个划痕编号——10、20、40、60和80——划痕的亮度从最低数字增加到最高。挖掘数字应用类似的比例。划痕数是划痕亮度的不精确测量值。相反，它们提供了一个量表，可以在此基础上主观比较划痕与校准标准的亮度。对于划痕和凹痕，这些数字在某种程度上与光学表面缺陷的表观几何宽度有关。

“40-20的划痕值通常被认为是许多光学应用的标准质量，”布恩说。“精确的激光应用通常需要20-10的划痕，而最苛刻的激光应用，例如腔内光学，通常需要10-5的划痕。”

图4需要专家来检查光学器件的表面缺陷，但这项任务既耗时又增加成本。能够根据特定标准或定制规格检查零件的自动化系统已经存在，但它们尚未连接到深度学习。由asphericonGmbH提供。

激光的波长也会影响其光学器件的表面质量公差的严格程度。例如，UV激光的较短波长通常需要具有10-5表面质量的光学元件。然而，与在红外线中运行的CO2激光器一起使用的10-5光学器件可能会过度杀伤力，而且不必要地昂贵。

asphericonGmbH战略与创新副总裁UlrikeFuchs表示，高端光学器件通常采用区域规格以保持成本平衡。她说，“非常干净”的镜片更贵，而且对于较大的光学元件，这种成本会显着增加。

“如果按照ISO规范测量表面质量，表面缺陷的数量和大小就会被量化，”Fuchs说。“例如，ISO101105/2×0.025；L2×0.004表示两个最大表面积为(0.025×0.025)mm2的缺陷或凹陷和两个宽度为4μm的划痕。这将适用于大多数激光应用，但这并不是可能的终点。”

质量与成本

制造商之间的共识是，即使对于最常见的成像和激光应用来说，明确规定质量规格或缺陷阈值也是很棘手的，因为规格因使用条件以及部件的确切功能而异。这就是最终用户和供应商之间的开放式沟通变得势在必行的地方。

忽视环境需求和系统内其他组件的影响可能会耗费大量时间和金钱。据SCHOTTAdvancedOptics质量经理AngeloChitani称，当供应商和客户之间缺乏一致性时，最糟糕的结果就会出现。

图5白光干涉仪通常用于测量导致表面粗糙度的中空间频率误差。粗糙度会影响光学表面的散射，这在高精度或UV系统中尤为重要。由爱特蒙特光学提供。

“它从了解客户的需求开始，”他说。“报价或规格应始终谈论检查条件。客户通常是光学系统设计方面的专家，但从未对玻璃进行抛光或镀膜。因此，沟通和相互理解至关重要。”

OptikosCorp.的创始人兼总裁StephenFantone一致认为，当双方都很好地理解了组件公差和系统性能之间的关系时，最好的结果就会出现。他说，确定设计的适当公差是最关键的步骤之一，也是经常被忽视的步骤。

“设计师不应依赖标准或默认公差，”Fantone说。“人们经常低估正确指定和容忍设计所需的时间和精力。我参与了公差活动使光学设计活动相形见绌的工作。这部分是因为光学系统不仅仅是透镜或反射镜，它通常是光学、电子和机械的组合，将其结合在一起，光学系统经常用于环境要求苛刻的条件下。”

这里没有捷径可走，而且，正如Fuchs所指出的，目前还没有准确的方法来模拟缺陷对系统的影响。例如，ISO10110没有规定缺陷的深度，这意味着两个光学表面可能具有相同的缺陷尺寸但不同的光学行为，具体取决于波长。

Boone建议对某些表面粗糙度或表面质量如何转化为实际性能不了解的买家联系他们的光学供应商，以确保满足应用需求，而无需为过度指定的表面付费。

自动化的挑战

西方和东方发达国家的人口老龄化，加上劳动力年龄的下降，正在推动包括光学行业在内的多个行业更广泛地采用自动化。例如，在瑞士，肖特的Chitani将非常高的劳动力成本列为推动对自动化光学检测任务的需求增加的一个关键因素——既要降低成本，又要提高结果的准确性、可重复性和可重复性。

人工表面检测通常由专家使用大口径干涉仪、白光干涉仪或原子力显微镜在各种照明源下进行，这些照明源是根据规定的标准和被测零件确定的。

这使得多表面和整体缺陷检查非常耗时。尽管这些检查的一些自动化是可能的，但该技术仍然太慢并且会显着增加制造成本。

Chitani还指出，自动检测仅限于某些入射角，简单地倾斜零件可能会发现系统以前不可见的其他缺陷。因此，人工检查更加灵活和可重复，但人工检查员的判断可重复性较差，并且比自动化系统的判断更加主观。

SavvyOptics是一家专注于表面检测的光学和工程设计公司，提供自动化MIL测试设置，其他几家公司根据ISO10110提供各种检测方法。但是，asphericon的Fuchs突出了当今自动化检测的局限性。

“虽然这些检测系统适用于隐形眼镜等小型镜片，但当涉及到较大的直径时，很快就需要进行扫描，并且当镜片变得太陡而无法检查时，需要调整系统，”她说。“因此，自动化适用于有限的几何形状，要比人工检查更快，还有很长的路要走。”

Fuchs表示，一个可以处理直径达100毫米的任何几何形状、检测和分类表面缺陷以及测量缺陷造成的影响的系统将改变游戏规则。

“这将更容易对特定应用程序‘允许’的表面缺陷进行分类，”她说。“此外，第一次测试可以在制造过程中进行，当[组件]在其支架上时，以及稍后进行最终检查。”

空间频率范围

根据EdmundOptics的Boone和Optikos的Fantone的说法，一个需要更广泛理解的概念是，每件计量仪器都在一定的空间频率范围内进行测量，这意味着在没有相关空间频率限定的情况下规定表面测量会导致信息不完整有时无用。

“例如，大孔径干涉仪测量低空间频率误差（或图形），白光干涉仪通常测量中空间频率误差（或波纹），而原子力显微镜测量高