光学元件表面洁净度对其表面散射特性的影响
光学薄膜界面粗糙度互相关特性与光散射_潘永强
方差函数 G(τ)=〈h(r)h(r +τ)〉 的傅里叶变换 ,
h(r)为表面粗糙度轮廓的高度函数 , τ为滞后长度 ,
r 为 x-y 平面内的位置矢量 。如果表面为各向同性表
面 , 且入射光垂直入射 , 则有 g(k -k0)=g(k)。
N 层光学薄膜矢量散射理论的表达式可写 成[ 1 2]
NN
∑ ∑ d
(1 西安工业大学光电工程学院 , 陕西 西安 710032;2 西安电子科技大学理学院 , 陕西 西安 710071)
摘要 为了研究光学薄膜界面的互相关特性及光散射特性 , 介绍了光学薄膜的散射理 论和模型 。 依 据光学薄膜 矢 量散射的表达式 , 借助于总背向散射理论分析了 光学薄膜界 面互相 关特性对 光散射 的影响 , 并用 实验验 证和分 析 了 T iO 2 单层薄膜膜层厚度 , K9 玻璃基底粗糙度以及 离子束 辅助沉 积(IBA D)工 艺等因 素对光学 薄膜界 面互相 关 特性 的影响 。 结果表明 , 根据矢量光散射理论计算的光学薄膜界面 互相关特性和光散射的 关系与实 验测量结果 一 致 。 随着基底粗糙度 、薄膜光学厚度的增加 , 薄膜界面的互 相关特性 会变差 , 采 用离子束 辅助沉 积的 T iO 2 单层 薄 膜的膜层界面互相关性明显好于不用离子束辅助沉积的薄膜 。 关键词 薄膜 ;互相关特性 ;光散射 ;表面粗糙度 中图分类号 O 484 文献标识码 A
2
dP P0 dΨ
sin
θ· dθ。
(6)
3 实 验
基底为 K 9 玻璃 , 折射率 ns =1 .52 , 使用配备了 西安工业大学自行研制的宽束冷阴极离子源的国营 南光机械厂生产的 ZZS-7001/ G 箱式光学镀膜机 , TiO 2 薄膜的制 备采用电 子枪热蒸 发的方式 沉积 。 TiO 2 薄膜表面粗糙和基底表面粗糙度的测量用的 是英国泰勒-霍普森有限公司生产 的 T alysurf CCI 白光干涉表面轮廓仪 , 散射的测量用的是日本产的 带有积分球的 u-3501 分光光度计 , 总背向散射值均 为波长为633 nm处的散射值 。
表面粗糙度对光学性能的影响及其测量方法
表面粗糙度对光学性能的影响及其测量方法光学元件的表面粗糙度是一个重要参数，对光的反射、折射以及透射都有影响。
粗糙的表面会导致光线的扩散、反射、散射和吸收，从而影响光学元件的性能。
因此，对表面粗糙度的测量和控制非常重要，特别是在高精度光学器件设计和制造过程中。
影响光学性能的表面粗糙度光学元件的表面粗糙度主要影响反射、折射和透射几个方面。
首先，表面粗糙度会导致光线的散射和吸收，特别是在高频段。
其次，表面粗糙度会导致光的反射、折射和透射的方向和程度不同，从而影响光学元件的性能。
特别是在高精度应用中，如激光成像、干涉测量、光学传感器、照明和光学通信等领域，表面粗糙度的控制非常关键。
测量表面粗糙度的方法为了控制光学元件的表面粗糙度，需要对其进行测量。
目前常用的表面粗糙度测量方法有接触式和非接触式两种方法。
接触式表面粗糙度测量方法包括拉伸法、微观测量方法和机械针头等方法。
非接触式表面粗糙度测量方法包括光学方法、电学方法和力学方法等。
下面让我们就其中一些常用的方法进行介绍。
1. 拉伸法拉伸法是一种接触式测量方法，它是通过钢丝或橡胶刮子等测量仪器刮过样品的表面，然后通过测量刮痕的深度来确定表面粗糙度的大小。
这种方法适用于较大的表面、强度较高的材料以及较贵的样品。
但是，它的缺点就是不能测量较小的表面粗糙度。
2. 微观测量法微观测量法是一种比较准确的接触式表面粗糙度测量方法，常用的方法包括扫描探针显微镜和电子显微镜等。
这种方法可以测量很小的表面比如纳米级别的表面，但是需要专业的设备和技能。
3. 光学方法光学方法是一种非接触式表面粗糙度测量方法，包括干涉法、反射法和透射法等。
其中，干涉法是一种测量表面形貌的方法，反射法和透射法是测量表面粗糙度的方法。
干涉法是通过双波长干涉仪和相位移方法来测量表面高度差的方法，适用于比较平坦的表面。
反射法是通过测量光在表面反射时的角度差以及光线的强度来确定表面粗糙度的大小。
透射法是通过测量光在样品上透过和反射的光强的变化来确定表面粗糙度的大小。
光学元件表面光洁度标准
光学元件表面光洁度标准光学元件是现代光学技术中不可或缺的关键组成部分，而光洁度则是评估光学元件质量的重要指标之一。
光学元件表面光洁度标准主要是为了确保光学元件在制造、使用和检测过程中的可靠性和质量，以满足各种应用领域的需求。
本文将介绍光学元件表面光洁度标准的相关内容，并探讨其在光学元件制造过程中的重要性。
一、光学元件表面光洁度标准的定义光学元件表面光洁度标准是指制造和检测光学元件时所采用的一系列参数和规范，以确保光学元件表面的平整度、透明度以及对光的散射和吸收的影响在允许的范围内。
这些参数包括表面粗糙度、波前畸变、散射、反射率等，通过这些参数的测量和评估，可以评判光学元件的表面质量，并制定相应的工艺和检测方法。
二、光学元件表面光洁度标准的重要性光学元件的表面质量直接影响到其在光学系统中的性能和效果。
一方面，光学元件表面的光洁度与其光学性能密切相关。
粗糙表面会导致光的散射和反射，影响光学系统的透光率和信号传输质量。
另一方面，光学元件表面的光洁度也是制造和检测过程中的一项重要指标，它直接决定了光学元件的可靠性和稳定性。
三、光学元件表面光洁度标准的参数1. 表面粗糙度：表面粗糙度是表征光学元件表面平整程度的参数，通常用Ra（粗糙度平均值）或RMS（均方根粗糙度）来表示。
粗糙度的要求根据光学系统的具体应用需求而有所不同，一般要求表面粗糙度在一定的范围内。
2. 波前畸变：波前畸变是指光通过光学元件后所引起的相位和振幅变化，它直接影响到光学系统的成像质量和分辨率。
波前畸变的要求通常由像差曲线来表示，不同的光学元件在不同的应用中对波前畸变的要求有所不同。
3. 散射：散射是指光在光学元件表面上的改变方向，它导致光的损失和干扰。
散射可以通过测量散射角度和散射强度来评估，要求光学元件的散射尽可能小，以保证光学系统的透光率和图像质量。
4. 反射率：反射率是指光在光学元件表面的反射能力，它直接影响到光学系统的透光率和光学信号传输质量。
光学元件表面疵病定量检测方法 显微散射暗场成像法
光学元件表面疵病定量检测方法显微散射暗场成像法标题：深入探讨光学元件表面疵病定量检测方法：显微散射暗场成像法引言：光学元件作为光学系统的核心组成部分，其表面质量对系统性能和成像质量至关重要。
然而，在制造和使用过程中，光学元件表面可能存在各种疵病，如微小划痕、颗粒、气泡等，这些疵病会降低元件的透射率、散射光线以及成像质量。
准确、快速地检测和评估光学元件表面疵病是一项具有重要意义的任务。
本文将深入探讨一种被广泛应用于光学元件表面疵病定量检测的方法：显微散射暗场成像法。
我们将介绍该方法的原理、应用和发展，并对其优点和局限性进行评价，旨在为读者提供全面、深入的理解和灵活运用该方法的能力。
一、原理显微散射暗场成像法是一种通过观察散射光的强度和分布来检测光学元件表面疵病的方法。
其核心原理是通过投射一束准直、单色光源，使光线斜射入待检测的光学元件表面，并利用高分辨率镜头和成像设备捕捉散射光强度的分布。
根据光的散射特性和表面疵病的特征，可以在暗场成像中观察到疵病的形态和分布情况。
通过对散射光的分析和处理，可以定量评估光学元件表面疵病的严重程度。
二、应用显微散射暗场成像法在光学元件表面疵病定量检测中具有广泛的应用。
该方法可以用于研究不同类型的疵病对光学元件性能的影响。
通过定量地分析和比较散射光的强度和分布，可以评估不同疵病的散射特性以及其对光传输的影响。
显微散射暗场成像法可以用于表面疵病的实时监测和评估。
通过与图像处理算法相结合，可以实现对疵病数量、大小和形态的快速检测和测量。
该方法还可以用于光学元件的质量控制和品质检验。
通过与标准比对，可以根据散射光的强度和分布，定量地评估光学元件的表面疵病情况是否符合要求。
三、优点和局限性显微散射暗场成像法作为一种光学元件表面疵病定量检测方法，具有以下优点：非接触性检测使得该方法适用于不同类型和形状的光学元件；高分辨率的成像设备和图像处理算法可以实现对微小疵病的精确定位和定量测量；该方法的检测速度快、操作简便，适用于工业生产中的在线检测和实时监测。
环境相对湿度对光学镜面散射特性的影响
efficiency factor o f a single hydrophilic polluted particle on the relative hum idity o f the environment was
analyzed. On this basis, combined with the statistical models of hydrophilic and hydrophobic pollution particles,
20210041-1
第6期
红外与激光工程
第 50卷
〇 引言
降 尘 作 为 大 气 气 溶 胶 的 主 要 组 成 成 分 ，是指在空 气动力作用下自然沉降到地面的大气悬浮颗粒物。 大 气 降 尘 的 两 个 主 要 来 源 是 降 尘 粒 径 小 于 10 pm 的 细 粒 物 源 （大 气 环 境 粉 尘 污 染 的 背 景 ）和短距离悬移 搬 运 的 10~5〇nm 粗 粒 自 然 源 [1]。考虑到大口径封窗 的 制 造 难 度 以 及 封 窗 对 红 外 波 段 的 截 止 特 性 ，大口径 光 学 系 统 通 常 倾 向 于 使 用 敞 开 式 结 构 ，导 致 大量 元 件 表 面 曝 露 于 复 杂 外 界 环 境 中 。大 气 降尘粒子在重力 作 用 下 会 沉 降 到 光 学 表 面 而 造 成 镜 面 污 染 ，进而影响 光学系统的性能[2]。
bidirectional reflection distribution function (BRDF) and the total integrated scattering (TIS) caused by the
polluted particles on the optical mirror surface increase with the increasing o f the relative humidity o f the
表面粗糙度和表面光洁度
表面粗糙度和表面光洁度表面粗糙度和表面光洁度是表征物体表面质量的两个重要指标。
它们直接影响着物体的外观、触感以及物体与周围环境的相互作用。
本文将从不同角度解释和探讨表面粗糙度和表面光洁度的概念、测量方法以及对物体性能的影响。
一、表面粗糙度的概念和测量方法表面粗糙度是指物体表面不平整的程度。
在我们的日常生活中，我们可以通过肉眼观察或触摸来感知物体的表面粗糙度。
然而，为了更加准确地描述和测量表面粗糙度，科学家们提出了一系列量化指标和测量方法。
常用的表面粗糙度指标包括Ra（平均粗糙度）、Rz（平均最大峰谷高度）等。
这些指标可以通过光学仪器、扫描仪和原子力显微镜等设备进行测量。
其中，原子力显微镜是一种非常精确的测量工具，它可以在纳米级别测量表面的高度差异。
表面粗糙度的测量方法通常可以分为两类：接触法和光学法。
接触法是通过表面测高仪等设备直接接触物体表面来测量表面的高度差异。
光学法则是利用光的反射、散射等特性来测量表面的粗糙度。
这两种方法各有优缺点，根据不同的应用场景和要求选择合适的测量方法。
二、表面光洁度的概念和测量方法表面光洁度是指物体表面的反射能力，也可以理解为表面的光滑程度。
一般来说，光洁度越高，物体表面的反射能力越强，外观越亮丽。
表面光洁度的测量方法主要有两种：视觉法和光学法。
视觉法是通过肉眼观察物体表面的光洁度，比较主观。
光学法则是利用光的反射、透射等特性来测量表面的光洁度。
常用的测量设备包括光泽仪、反光度计等。
三、表面粗糙度和表面光洁度对物体性能的影响表面粗糙度和表面光洁度对物体的性能有着重要的影响。
首先，它们影响着物体的摩擦特性。
当表面粗糙度增加时，物体与其他物体之间的摩擦力也会增加。
此外，表面粗糙度还对物体的润滑性能、磨损寿命等方面有着重要的影响。
表面粗糙度和表面光洁度还影响着物体的光学性能。
对于光学元件来说，表面光洁度是一个非常重要的指标。
如果表面存在较大的粗糙度或缺陷，会导致光的散射、吸收等现象，降低光学元件的传输效率。
光学元件制造中的过程质量控制与表面特性
光学元件制造中的过程质量控制与表面特性光学元件是应用于光学仪器、光通信、激光器等领域的重要组成部分，其制造过程的质量控制和表面特性的保证对于元件的性能和寿命起着至关重要的作用。
本文将探讨光学元件制造中的过程质量控制方法以及影响表面特性的因素。
一、过程质量控制方法1. 原材料选择光学元件的质量和性能直接受到原材料的影响，因此在制造过程中，正确选择高质量的原材料至关重要。
常用的光学元件材料包括石英、玻璃、光学晶体等。
根据元件的具体需求和应用场景，选择适合的材料是首要任务。
2. 加工工艺控制加工工艺是光学元件制造过程中的核心环节，其质量控制直接影响元件的性能和精度。
常见的加工工艺包括切割、研磨、抛光、薄膜等步骤。
在切割阶段，必须确保切割面的平整度和垂直度，避免切割产生的裂纹和变形。
在研磨和抛光过程中，控制好磨粒的大小和分布均匀性，合理选择研磨液的配方和研磨工艺参数，以获得光滑的表面。
薄膜则在元件表面形成一层薄而均匀的覆盖层，可以提高元件的透过率和反射性能。
薄膜制备中的过程控制包括沉积速度、沉积温度和膜厚控制等。
3. 检测与测试在光学元件制造的每个环节中，进行准确的检测和测试是保证质量控制的重要手段。
常用的检测方法包括干涉法、拉曼光谱、光谱学等。
在干涉法中，通过光的干涉现象，可以测量元件表面的平整度和波前畸变，以及表面形貌特征。
拉曼光谱可用于检测材料的成分和晶格结构，以确保制造的元件材料具有正确的物理和化学性质。
光谱学则可以对元件的透过率、反射率等光学性能进行精确测量和分析。
二、表面特性的影响因素1. 表面平整度光学元件表面的平整度直接影响到光的传播和反射效率。
不同的加工工艺和工具选择，以及研磨和抛光的过程控制，都对表面平整度产生影响。
在加工过程中，要控制好磨削液的使用，保证磨削面的光滑，避免表面的坑洞和划痕。
2. 表面粗糙度光学元件的表面粗糙度会引起光的散射和损耗，降低元件的透过率。
因此，在制造过程中，需要控制好研磨和抛光的工艺参数，保证元件表面的光滑度。
镀铝镜子原片的反射杂散光与散射光特性分析
镀铝镜子原片的反射杂散光与散射光特性分析镀铝镜子原片是一种常用的光学材料，具有良好的反射性能和光学透明性。
然而，在实际应用中，我们常常会遇到一些问题，比如反射杂散光和散射光。
本文将对镀铝镜子原片的反射杂散光和散射光特性进行分析。
首先，我们来看一下镀铝镜子原片的反射杂散光特性。
反射杂散光是指当光线照射到镀铝镜子原片表面时，部分光线不按照预期的方向反射，而是发生偏折或散射。
这会导致镜子表面产生模糊和不清晰的影像。
反射杂散光的产生主要有以下几个原因：1. 表面缺陷：镀铝镜子原片的表面可能存在微小的缺陷，比如划痕、气泡或污渍等。
这些缺陷会使光线反射时发生偏折或散射，产生反射杂散光。
2. 光线入射角度：反射杂散光的强度与光线入射角度有关。
当光线斜入射时，反射杂散光的强度会增加。
3. 光源波长：不同波长的光线在镀铝镜子原片上的反射杂散光强度也会有所差异。
波长较短的光线（如紫外光）更容易产生较强的反射杂散光。
为了减少反射杂散光的影响，可以采取以下措施：1. 表面处理：对镀铝镜子原片表面进行处理，如抛光、涂覆保护层等，可以减少表面缺陷，降低反射杂散光的产生。
2. 控制入射角度：合理控制光线的入射角度，尽量使光线垂直入射，可以减少反射杂散光的强度。
3. 使用特定波长的光源：在特定应用场景中，可以选择合适波长的光源，减少反射杂散光的干扰。
接下来，我们来关注镀铝镜子原片的散射光特性。
散射光是指光线在镀铝镜子原片上发生弹性碰撞后改变原有传播方向的现象。
与反射杂散光不同，散射光是不规则分布的，会使镜子表面呈现出均匀而柔和的光泽。
散射光的产生也受到多种因素的影响：1. 表面光滑度：镀铝镜子原片的表面光滑度越高，散射光的强度越低。
因此，在制造过程中，对镜子表面的光滑度进行严格控制可以减少散射光的产生。
2. 光线入射角度：与反射杂散光类似，散射光的强度也与光线的入射角度相关。
较大的入射角度会增加散射光的强度。
3. 光源波长：不同波长的光线在镀铝镜子上的散射光强度也会有所差异。
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红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering
2019 年 1 月 Jan. 2019
光学元件表面洁净度对其表面散射特性的影响
黄 聪，游兴海，张 彬
(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)
摘 要 ： 针对光学系统在实际工作中元件表面污染粒子对光的散射问题，以空气中 Al2O3 污染粒子为 例，基于米氏散射理论，模拟和分析了元件表面双向反射分布函数(BRDF)随散射角的变化规律，进而 定 量 计 算 了 元 件 表 面 全 积 分 散 射 值 ( TIS ) 。 在 此 基 础 上 ，进 一 步 分 析 了 影 响 表 面 洁 净 度 的 三 个 主 要 因 素(空气洁净度、工作面朝向和曝露时间)对元件表面 BRDF 及其 TIS 值的影响。结果表明，空气洁净 度等级、工作面放置方向和曝露时间等对元件表面散射量的影响均较为明显。其中，工作面的放置方 向 对 元 件 表 面 的 散 射 影 响 尤 为 突 出 ，水 平 向 上 放 置 ( TIS = 1 . 93 × 10 -4) 较 之 垂 直 放 置 时 ( TIS = 8 . 07 × 10 -5) 散 射 量 增 大 一 个 量 级 ，而 较 之 工 作 面 水 平 向 下 放 置 时 ( TIS = 3 . 12 × 10 -6) 增 大 两 个 量 级 。 最 后 ，以 卡 塞 格 伦 望远镜为例，针对其主镜的污染容限问题，分析了不同空气洁净度条件下主镜表面洁净度达到污染容 限所用的曝露时间，可为实际工作中污染控制和保证系统对微弱目标信号的有效探测提供参考。 关键词： 散射； 光学元件； 米氏散射理论； 空气洁净度； 表面洁净度 中 图 分 类 号 ： O436 文 献 标 志 码 ： A DOI： 10.3788/IRLA201948.0120002
收 稿 日 期 ：2018-08-05 ； 修 订 日 期 ：2018-09-10 基 金 项 目 ： 天 津 市 薄 膜 光 学 重 点 实 验 室 开 放 基 金 课 题 (kjwx170620) ；
合 肥 知 常 光 电 科 技 有 限 公 司 超 光 滑 表 面 无 损 检 测 安 微 省 重 点 实 验 室 资 助 课 题 (CGHBMWSJC06) 作 者 简 介 ： 黄 聪 (1993-) ， 男 ， 硕 士 生 ， 主 要 从 事 光 学 系 统 优 化 与 杂 光 分 析 等 方 面 的 研 究 。 Email:huangcongplus@ 导 师 简 介 ： 张 彬 (1969-) ， 女 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 主 要 从 事 激 光 与 光 电 子 技 术 等 方 面 的 研 究 。 Email:zhangbinff@
0120002-1
第1期
红外与激光工程
Abstract: Aimed at the light scattering problem from the particles on optical surfaces of the systems in practical applications, and taken Al2O3 particles in air as an example, the variations of the bidirectional reflection distribution function (BRDF) with the scattering angle on the surfaces of optical components were simulated and analyzed based on Mie scattering theory, and then the total integral scattering (TIS) value of the surface was calculated quantitatively. On this basis, the effect of the BRDF and the TIS value were further analyzed under the conditions of different air cleanliness levels, the direction of the optical component surface, the exposure time. The results indicate that, the air cleanliness levels, the direction of the optical component surface and the exposure time have effect on scattering of the optical surface, in which the direction of optical components has significant impact on the scattering of the surfaces. When the particles buildup on horizontal upward facing surfaces(TIS=3.93×10-3), the amount of
Influence of surface cleanliness of optical element on its surface scattering characteristics
Huang Cong, You Xinghai, Zhang Bin
(College of ronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)