引言：
光学规格是定义光学元件功能与性能的关键参数。无论您是光学元件的采购方、设计人员还是制造商，掌握如何解读光学规格，并理解其中涉及的重要术语与概念，都至关重要。光学规格主要可分为三大类：几何规格、表面规格以及材料规格（或材料特性）。
在前一篇文章中，我们探讨了“几何光学规格”（感兴趣者可点击加粗文字了解详情）。本文将深入浅出地解析“表面规格”——这是光学规格体系中不可或缺的一部分，涵盖了表面质量、表面平坦度、表面粗糙度、光焦度（Power）、不规则度（Irregularity）以及破损/崩边（Fracture/Chip）等内容。掌握这些知识将助您从容应对复杂的光学术语，并加深对光学概念的理解。此外，我们还发布了关于“光学材料特性”的最新内容。
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光学规格术语表：表面规格
表面质量
表面质量是指光学元件表面存在的瑕疵，包括麻点（digs）、划痕（scratches）及其他可能影响光学性能的缺陷。在某些情况下，这些瑕疵对光学性能的影响微乎其微；但在另一些表面上，它们可能产生不利影响，甚至妨碍光学元件的正常功能。典型例子包括：1) 位于像平面的表面（因为这些缺陷会处于焦平面上而被清晰成像）；以及 2) 暴露于高功率光源下的表面。用于衡量和描述表面质量的最常用标准是 MIL-PRF-13830B 规范中定义的“划痕-麻点”（scratch-dig）指标，该指标量化了允许存在的最大划痕宽度和麻点直径。
MIL-PRF-13830B 规范中的划痕等级并非对划痕本身的直接描述，而是通过在受控照明条件下将待测表面的划痕与一组标准划痕进行比对而得出的，因此它是一个相对值。相比之下，麻点等级则是对麻点的直接描述，其数值计算方法是将麻点直径（以微米为单位）除以 10。
表面质量精度标准表：
Very Low
Low
Normal
Precision
High-Precision
80/50 S/D
60/40 S/D
40/20 S/D
20/10 S/D
10/5 S/D
应用：
表面平坦度
表面平坦度是指在指定横向尺寸范围内，表面相对于理想平面的最大偏差，通常以参考波长的一小部分（分数）来表示。该偏差是通过将高精度、高平坦度的光学平晶（作为参考面）与被测工件进行比对来测量的。如果干涉条纹均匀、笔直且相互平行，则表明被测工件的平坦度至少与参考平晶相当；反之，弯曲的条纹表明存在平坦度误差，且条纹弯曲的数量可用于量化该误差。表面平坦度通常使用干涉仪进行评估，干涉仪能提供高精度的光学元件平坦度检测。其规格指标通常以干涉仪所用测试光源波长的分数来表示（例如 λ/4 或 λ/10，其中测试光源的标准波长通常为 633 nm），其中一个干涉条纹对应半个波长（λ/2）。对于必须最大限度减少波前畸变的应用场景而言，具备优异平坦度的表面至关重要。
表面平坦度有时也被称为“表面面形”（surface figure），它是衡量表面最大尺度偏差的指标；与之相对的还有“波纹度”（waviness，衡量中等尺度表面不规则性）以及“表面粗糙度”（surface roughness 或 surface finish，衡量最高空间频率下的最小尺度表面误差）。有时，“表面面形”一词也涵盖了表面平坦度和波纹度。区分这两者很重要：低空间频率尺度的误差往往会将光能从艾里斑（Airy disk）中心转移到最初的几个衍射环中，从而降低点扩散函数（PSF）的峰值强度（但不改变其宽度），进而降低斯特列尔比（Strehl ratio）；另一方面，中等空间频率尺度的误差或小角度散射则会使 PSF 变宽或变得模糊，并降低对比度。这两种误差都会降低光学系统的性能，因此通常需要进行测量以确保符合规格要求，尽管某些面形缺陷（如像散）有时可能会被排除在表面面形规格之外。
表面平坦度精度标准表：
High Precision
50 Å RMS
20 Å RMS
5 Å RMS
表面粗糙度
表面粗糙度（也称为表面光洁度）是指表面相对于理想光滑状态的不规则性和偏差。它是表面形状误差中尺度最小的一种，描述了表面纹理中空间频率较高的异常特征，其量级范围从十分之几埃（Å）到几十微米（µm）。若按误差的空间跨度（或间距）来分类，还涉及另外两个概念：“表面面形”（surface figure）和“波纹度”（waviness）。相比之下，表面面形描述的是表面的整体形状，属于分析尺度最大（即空间频率最低）的范畴；面形误差的量级通常在十分之几毫米到厘米之间。波纹度衡量的是中等空间频率的误差，描述的是微米到毫米量级的特征。而粗糙度则是尺度最小的误差形式，描述了表面纹理中分布紧密的异常特征，量级范围从十分之几埃到几十微米。
对于光散射会降低性能的应用场景（如高精度激光系统或成像光学系统）而言，表面粗糙度至关重要。此外，较高的表面粗糙度还会对激光损伤阈值产生不利影响。目前，关于如何分析和规定表面粗糙度的通用标准是 ISO 10110-8。在美国，针对光学光滑表面的规格定义，最常用的方法是均方根（RMS）法；该方法利用轮廓高度相对于平均线的偏差的均方根值，对光学表面的光滑度进行统计分析。原子力显微镜是测量表面粗糙度最适宜的计量设备。
表面粗糙度/表面光洁度精度标准表（以 RMS 值表示）：
光焦度 (Power)
光学规格中的“光焦度”描述了光学表面曲率与设计曲率之间的偏差。光焦度误差适用于具有弯曲轮廓或具备光焦度特性的光学元件；它至关重要，因为它确保光学元件能按照设计功能实现光线的会聚或发散。其测试原理与表面面形（平整度）测试类似：将一个具有高精度曲率半径的光学表面作为基准件，与被测元件表面贴合。与基准件的偏差会产生圆形干涉条纹，即“牛顿环”。条纹的数量反映了两个表面曲率半径的差异，即光焦度。相邻同色条纹（暗纹或亮纹）之间的间距代表了所用光波长一半的高度差，因此，暗纹或亮纹的数量等于误差波长的两倍。
曲率半径误差与光焦度误差之间的关系可用以下公式表示：
光焦度误差（单位：波长或 λ）= ΔR × D² / (8R² × λ)
其中，ΔR 表示半径误差，D 表示透镜直径，R 表示表面曲率半径，λ 表示测试光源的波长（通常为 633 nm）。
不规则度 (Irregularity)
不规则度是指光学表面偏离理想形状的程度，不包括整体曲率（光焦度）的影响。表面不规则度的测量方法与光焦度测量相同：将样板（基准件）与被测表面紧密接触，产生圆形干涉条纹（牛顿环）。这些条纹可能会出现变形，表现为局部小区域的畸变，或覆盖整个通光孔径的非圆形条纹。所有此类不均匀性均被视为不规则度。表面不规则度通常用峰谷值 (PV) 或均方根值 (RMS) 来表征。值得注意的是，在测量不规则度时，必须明确测量的是表面本身还是波前，因为波前测量值是表面测量值的两倍。PV 值代表最大测量偏差或最差情况，即表面最低点与最高点之间的高度差。它是目前应用最广泛的面形规格指标。均方根（RMS）值是衡量表面平整度的一种更精确指标，因为它考量了整个光学元件，并计算了其相对于理想形状的偏差。表面不规则度过高会引入像差并导致波前畸变，从而影响光学性能。
不规则度精度标准表：
λ/2
λ/4
λ/8
低（Low）：当波前畸变的重要性低于生产成本时选择此项。
普通（Normal）：适用于常规激光和成像应用；在此类应用中，考虑到成本因素，现有的波前畸变水平在可接受范围内。
高精度（High precision）：将波前畸变降至最低，适用于高要求的激光和成像应用，特别是在包含多个光学元件的系统中。
裂纹与崩边
若裂纹未出现在透镜的通光孔径（clear aperture）范围内，且崩边不影响透镜在镜座中的密封，则该裂纹可被接受。位于任何表面或边缘的裂纹均需进行磨削处理。磨削区域内，崩边与裂纹经磨削后的总面积不得超过该磨削区域面积的 2%；否则，该光学元件将被视为不合格。侵入通光孔径区域的边缘崩边应被视为麻点（digs）。对于尺寸超过 0.5 mm 的崩边，必须进行磨削处理，以降低产生反射及进一步崩边的风险。尺寸超过 0.5 mm 的崩边，其总宽度不得超过透镜周长的 30%。对于棱镜，若边缘崩边未侵入通光孔径，且崩边总宽度不超过其所在棱边的长度的 30%，则该崩边可被接受。崩边尺寸应从倒角边缘处开始测量，而非从锐利边缘处测量。尺寸小于 0.5 mm 的崩边可忽略不计，而尺寸大于 0.5 mm 的崩边则需进行修磨或磨削处理。
如何解读光学规格
解读光学规格需要理解相关的光学术语及其定义。以下是一份简要指南：
参考光学规格术语表：使用光学规格术语表来理解术语的定义。
评估参数：根据您的应用所需的性能标准评估给定的参数。
参考标准：查阅 ISO 或 MIL-PRF 等行业标准，以获取详细的定义和可接受的公差。
通过掌握这些光学概念，您可以确保您设计、制造或采购的光学元件满足必要的性能要求。
杭州 Shalom EO 的计量检测
对于从事光学领域工作的人员而言，理解光学规格至关重要。本文详细阐述了表面规格，涵盖了表面质量、面形（平整度）、粗糙度、光焦度（Power）、不规则度（Irregularity）以及裂纹/崩边等参数。这些参数对于光学元件的性能与功能起着决定性作用。
Shalom EO 采用 Zygo 干涉仪和显微镜进行检测
杭州 Shalom EO 拥有成熟且通过 ISO 9001 认证的质量控制体系。在我们的万级（Class 100,000）洁净室检测实验室中，所有产品在发货前均需经过严格检验，以确保其实际参数达到或优于公布的规格标准。
针对外观缺陷，由具备专业技能和丰富经验的合格人员，在强光源照射下利用 10 倍显微镜对划痕和麻点（scratch/dig）进行识别与判定。
产品尺寸通过游标卡尺和螺旋测微仪进行测量，以确保实际尺寸符合规定的公差要求。这些测量工具均定期进行校准，以保证设备测量的准确性。
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