發(fā)布時(shí)間：2025年11月?| Kewlab China技術(shù)博客

在光學(xué)元件的采購(gòu)和質(zhì)量控制中，您可能經(jīng)常遇到"40-20"、"60-40"、"80-50"這樣的神秘?cái)?shù)字組合。這些看似簡(jiǎn)單的數(shù)字，實(shí)際上是國(guó)際通用的光學(xué)表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，直接影響著光學(xué)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。今天，讓我們深入解讀這套標(biāo)準(zhǔn)體系，幫助您在選擇光學(xué)元件時(shí)做出更明智的決策。

重要提示：劃痕-麻點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)字并非直接對(duì)應(yīng)實(shí)際尺寸。劃痕等級(jí)基于與標(biāo)準(zhǔn)樣板的目視對(duì)比，麻點(diǎn)等級(jí)數(shù)字需要乘以10才是允許的最大直徑（微米）。

一、表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的起源與意義

1.1 為什么需要表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)？

光學(xué)元件的表面缺陷會(huì)對(duì)光束質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響：

• 散射效應(yīng)：表面瑕疵會(huì)導(dǎo)致光的散射，降低透過率
• 衍射干擾：劃痕產(chǎn)生的衍射光會(huì)影響成像質(zhì)量
• 激光損傷：缺陷點(diǎn)容易成為激光損傷的起始位置
• 雜散光：表面缺陷會(huì)增加系統(tǒng)的雜散光水平

因此，建立統(tǒng)一的表面質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于光學(xué)工業(yè)至關(guān)重要。

1.2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)比

目前國(guó)際上有多種表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系：

1.MIL-PRF-13830B（美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)）

• 最廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)
• 采用"劃痕-麻點(diǎn)"雙數(shù)字系統(tǒng)（如60-40）
• 基于目視比對(duì)的主觀評(píng)價(jià)方法

2.ISO 10110-7（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)）

• 更詳細(xì)的缺陷分類（5類表面缺陷）
• 采用更精確的數(shù)學(xué)描述
• 允許使用自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備

3.DIN 3140（德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）

• 類似MIL標(biāo)準(zhǔn)但有細(xì)微差異
• 更嚴(yán)格的累積缺陷要求

4.GB/T 1185（中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)）

• 參考MIL標(biāo)準(zhǔn)制定
• 增加了一些適合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的條款

本文主要基于應(yīng)用最廣泛的MIL-PRF-13830B標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行解讀。

二、數(shù)字密碼解讀：什么是60-40？

2.1 基本含義

以"60-40"為例：

• 第一個(gè)數(shù)字（60）：代表劃痕（Scratch）的等級(jí)編號(hào)
• 第二個(gè)數(shù)字（40）：代表麻點(diǎn)（Dig）的等級(jí)編號(hào)

重要說明：這兩個(gè)數(shù)字并非直接對(duì)應(yīng)實(shí)際尺寸，而是等級(jí)代號(hào)。

正確理解：

• 劃痕60級(jí)：表面劃痕需要與MIL-PRF-13830B標(biāo)準(zhǔn)樣板中的60級(jí)劃痕進(jìn)行目視對(duì)比，其視覺效果（綜合考慮寬度、長(zhǎng)度、對(duì)比度）不超過標(biāo)準(zhǔn)樣板
• 麻點(diǎn)40級(jí)：表面麻點(diǎn)的最大直徑不超過400微米（4毫米），計(jì)算公式為：等級(jí)數(shù)字×10=最大允許直徑（微米）

因此，60-40的準(zhǔn)確含義是：

• 劃痕的視覺可見度符合60級(jí)標(biāo)準(zhǔn)樣板要求
• 麻點(diǎn)的最大直徑不超過400微米，且數(shù)量符合40級(jí)規(guī)定

2.2 劃痕（Scratch）的定義與評(píng)價(jià)

劃痕是指光學(xué)表面上的線狀缺陷，通常由加工、清潔或搬運(yùn)過程中的機(jī)械接觸造成。

關(guān)鍵理解：

• 劃痕等級(jí)數(shù)字（如60、40、20等）并非直接對(duì)應(yīng)微米尺寸
• 實(shí)際評(píng)價(jià)基于與標(biāo)準(zhǔn)樣板的目視對(duì)比
• 綜合考慮劃痕的寬度、長(zhǎng)度和對(duì)比度

評(píng)價(jià)方法：

1. 標(biāo)準(zhǔn)樣板對(duì)比法：在標(biāo)準(zhǔn)照明條件下，將待檢元件的劃痕與MIL-PRF-13830B標(biāo)準(zhǔn)樣板進(jìn)行目視比較
2. 視覺一致性判定：劃痕的視覺效果不得超過相應(yīng)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)樣板
3. 累積長(zhǎng)度限制：所有劃痕的總長(zhǎng)度不應(yīng)超過元件直徑的1/4

劃痕等級(jí)說明表：

注意：實(shí)際劃痕寬度遠(yuǎn)小于等級(jí)數(shù)字，具體尺寸依賴于與標(biāo)準(zhǔn)樣板的視覺匹配度

2.3 麻點(diǎn)（Dig）的定義與評(píng)價(jià)

麻點(diǎn)是指光學(xué)表面上的點(diǎn)狀凹陷或坑洞，可能由研磨顆粒嵌入、化學(xué)腐蝕或材料缺陷造成。

關(guān)鍵理解：

• 麻點(diǎn)等級(jí)數(shù)字需要乘以10才是實(shí)際允許的最大直徑（微米）
• 換算公式：等級(jí)數(shù)字× 10 = 最大允許直徑（μm）
• 例如：40級(jí)麻點(diǎn)= 40 × 10 = 400微米最大直徑

評(píng)價(jià)方法：

1. 直徑測(cè)量：測(cè)量麻點(diǎn)的最大直徑
2. 尺寸換算：根據(jù)等級(jí)數(shù)字×10的規(guī)則確定允許的最大直徑
3. 密度控制：限制單位面積內(nèi)的麻點(diǎn)數(shù)量
4. 總面積限制：所有麻點(diǎn)的總面積不超過規(guī)定比例

麻點(diǎn)等級(jí)對(duì)照表：

數(shù)量限制：除了尺寸要求外，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了單位面積（如每平方厘米）內(nèi)允許的麻點(diǎn)數(shù)量

三、常見表面質(zhì)量等級(jí)及應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 超精密級(jí)：10-5

特征：

• 劃痕：極細(xì)微，需仔細(xì)觀察，符合10級(jí)標(biāo)準(zhǔn)樣板
• 麻點(diǎn)：最大直徑≤ 50μm（5×10）
• 幾乎無可見缺陷

應(yīng)用領(lǐng)域：

• 高功率激光系統(tǒng)（>1kW）
• 激光陀螺儀
• 極紫外光刻系統(tǒng)
• 空間光學(xué)儀器

典型產(chǎn)品應(yīng)用：超精密光學(xué)窗口片、激光腔鏡

3.2 精密級(jí)：20-10

特征：

• 劃痕：細(xì)微可見，符合20級(jí)標(biāo)準(zhǔn)樣板
• 麻點(diǎn)：最大直徑≤ 100μm（10×10）
• 極少缺陷，需仔細(xì)檢查才能發(fā)現(xiàn)

應(yīng)用領(lǐng)域：

• 激光諧振腔鏡片
• 干涉儀元件
• 高端顯微鏡物鏡
• 精密測(cè)量?jī)x器

典型產(chǎn)品應(yīng)用：精密分束器、高反射鏡

3.3 標(biāo)準(zhǔn)級(jí)：40-20

特征：

• 劃痕：明顯可見但不影響功能，符合40級(jí)標(biāo)準(zhǔn)樣板
• 麻點(diǎn)：最大直徑≤ 200μm（20×10）
• 高品質(zhì)商用光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)用領(lǐng)域：

• 科研激光系統(tǒng)
• 光譜儀器
• 高質(zhì)量成像系統(tǒng)
• 醫(yī)療光學(xué)設(shè)備

典型產(chǎn)品應(yīng)用：標(biāo)準(zhǔn)透鏡、棱鏡、濾光片

3.4 商用級(jí)：60-40

特征：

• 劃痕：較明顯但可接受，符合60級(jí)標(biāo)準(zhǔn)樣板
• 麻點(diǎn)：最大直徑≤ 400μm（40×10）
• 滿足一般應(yīng)用需求

應(yīng)用領(lǐng)域：

• 一般實(shí)驗(yàn)室儀器
• 教學(xué)演示設(shè)備
• 工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)
• 照明光學(xué)

典型產(chǎn)品應(yīng)用：教學(xué)用透鏡組、標(biāo)準(zhǔn)窗口片

3.5 工業(yè)級(jí)：80-50

特征：

• 劃痕：粗劃痕，符合80級(jí)標(biāo)準(zhǔn)樣板
• 麻點(diǎn)：最大直徑≤ 500μm（50×10）
• 滿足基礎(chǔ)應(yīng)用需求

應(yīng)用領(lǐng)域：

• 照明系統(tǒng)
• 粗加工檢測(cè)
• 非關(guān)鍵光學(xué)元件
• 保護(hù)窗口

四、表面質(zhì)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響

4.1 對(duì)激光系統(tǒng)的影響

損傷閾值關(guān)系：?表面缺陷對(duì)激光損傷閾值（LIDT）的影響遵循以下規(guī)律：

• 缺陷處的電場(chǎng)增強(qiáng)因子可達(dá)2-5倍
• 損傷通常從最大的缺陷點(diǎn)開始
• 脈沖激光的損傷閾值與脈寬的平方根成正比（τ^0.5）

注：連續(xù)激光的損傷閾值單位為W/cm2，數(shù)值通常低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)

功率損耗分析：?表面散射引起的總積分散射（TIS）可用以下公式估算：?TIS = (4πσ/λ)2 其中σ為表面粗糙度RMS值

• 10-5級(jí)：散射損耗<0.1%，表面粗糙度?<1nm RMS
• 40-20級(jí)：散射損耗1-0.5%，表面粗糙度1-3nm RMS
• 60-40級(jí)：散射損耗5-1%，表面粗糙度3-5nm RMS
• 80-50級(jí)：散射損耗>1%，表面粗糙度?>5nm RMS

4.2 對(duì)成像系統(tǒng)的影響

成像質(zhì)量參數(shù)：

• MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）下降：表面缺陷會(huì)降低系統(tǒng)的對(duì)比度傳遞
• 雜散光增加：60-40級(jí)相比20-10級(jí)，雜散光可能增加3-5倍
• 鬼像和光暈：嚴(yán)重的表面缺陷會(huì)產(chǎn)生明顯的鬼像

4.3 對(duì)測(cè)量精度的影響

在干涉測(cè)量和精密光學(xué)測(cè)量中：

• 20-10級(jí)：測(cè)量誤差<λ/100
• 40-20級(jí)：測(cè)量誤差<λ/50
• 60-40級(jí)：測(cè)量誤差<λ/20

五、如何選擇合適的表面質(zhì)量等級(jí)

5.1 選擇決策樹

應(yīng)用需求評(píng)估

├── 激光功率?>100W？

│ ??└── 是?→ 選擇20-10或更高

├── 成像要求高？

│ ??└── 是?→ 選擇40-20或更高

├── 測(cè)量精度要求？

│ ??└── 高精度?→ 選擇20-10

│ ??└── 一般精度?→ 選擇40-20

└── 一般應(yīng)用？

????└── 是?→ 選擇60-40或80-50

5.2 采購(gòu)規(guī)格書寫建議

完整的表面質(zhì)量規(guī)格應(yīng)包括：

標(biāo)準(zhǔn)寫法示例：?"Surface Quality: 40-20 per MIL-PRF-13830B over 90% Clear Aperture"

中文寫法示例：?"表面質(zhì)量：40-20（MIL-PRF-13830B標(biāo)準(zhǔn)），90%通光孔徑內(nèi)"

需要明確的要素：

1. 質(zhì)量等級(jí)：如40-20
2. 適用標(biāo)準(zhǔn)：MIL-PRF-13830B或ISO 10110-7
3. 有效區(qū)域：通光孔徑百分比
4. 特殊要求：
   • 是否允許聚集缺陷
   • 邊緣區(qū)域質(zhì)量要求
   • 清潔狀態(tài)要求
5. 檢驗(yàn)方法：目視檢查或儀器測(cè)量

常見錯(cuò)誤：

• ?只寫"40-20"不寫標(biāo)準(zhǔn)
• ?不明確通光孔徑
• ?混淆不同標(biāo)準(zhǔn)體系
• ?完整準(zhǔn)確的規(guī)格描述

5.3 合理選擇的原則

避免過度規(guī)格：

• 不是所有應(yīng)用都需要最高等級(jí)
• 過高的表面質(zhì)量要求會(huì)延長(zhǎng)交貨期并增加制造難度
• 某些位置的光學(xué)元件（如聚光鏡）可以使用較低等級(jí)

合理配置原則：

• 關(guān)鍵光路：使用與應(yīng)用匹配的高等級(jí)
• 輔助光路：可以適當(dāng)降低要求
• 保護(hù)元件：根據(jù)功能需求選擇合適等級(jí)
• 系統(tǒng)優(yōu)化：整體性能比單個(gè)元件更重要

選擇建議：目視檢查或儀器測(cè)量

• 先明確技術(shù)要求的底線
• 考慮制造可行性和交貨期
• 預(yù)留適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量裕度
• 與供應(yīng)商充分溝通技術(shù)細(xì)節(jié)

避免過度規(guī)格：

• 不是所有應(yīng)用都需要最高等級(jí)
• 過高的表面質(zhì)量要求會(huì)顯著增加成本
• 某些位置的光學(xué)元件（如聚光鏡）可以使用較低等級(jí)

合理配置原則：

• 關(guān)鍵光路使用高等級(jí)
• 輔助光路可以降低要求
• 保護(hù)窗口可以使用經(jīng)濟(jì)等級(jí)

六、表面質(zhì)量的檢測(cè)與驗(yàn)收

6.1 檢測(cè)方法

1.目視檢查法（符合MIL-PRF-13830B標(biāo)準(zhǔn)）

• 光源要求：40-60W白熾燈或等效LED光源
• 背景設(shè)置：黑色無反光背景（反射率<5%）
• 觀察條件：
  • 距離：30-50cm
  • 角度：與表面法線成10°-45°觀察
  • 照明角度：45°斜射照明最佳
• 標(biāo)準(zhǔn)樣板：使用經(jīng)認(rèn)證的MIL-PRF-13830B標(biāo)準(zhǔn)樣板對(duì)比

2.顯微鏡檢測(cè)法

• 放大倍數(shù)：50-200倍（根據(jù)缺陷尺寸選擇）
• 照明方式：
  • 暗場(chǎng)照明：最適合檢測(cè)劃痕
  • 明場(chǎng)照明：適合檢測(cè)麻點(diǎn)
  • 微分干涉相差（DIC）：高精度檢測(cè)
• 測(cè)量工具：帶刻度的目鏡或數(shù)字圖像分析系統(tǒng)

3.散射光測(cè)量法

• 原理：基于表面缺陷的光散射特性進(jìn)行定量測(cè)量
• 標(biāo)準(zhǔn)：符合ISO 13696或ASTM F1048
• 優(yōu)點(diǎn)：客觀、定量、重復(fù)性好
• 設(shè)備：激光散射儀、BRDF測(cè)量系統(tǒng)

6.2 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)與流程

有效孔徑定義：

• 通光孔徑（Clear Aperture）：實(shí)際使用的光學(xué)區(qū)域，通常為元件直徑的85-90%
• 邊緣區(qū)域：非工作區(qū)域，質(zhì)量要求可適當(dāng)放寬
• 規(guī)格標(biāo)注：如"60-40 over 90% CA"表示90%通光孔徑內(nèi)滿足60-40標(biāo)準(zhǔn)

驗(yàn)收要點(diǎn)：

1. 抽樣檢驗(yàn)：

• • 按批次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)抽樣（參考MIL-STD-105E）
  • AQL（可接受質(zhì)量水平）通常設(shè)定為65-2.5

2. 環(huán)境條件：

• • 潔凈度：Class 1000或更好
  • 溫濕度控制：20±5°C，50±10% RH

3. 記錄存檔：

• • 檢測(cè)報(bào)告包含：批次號(hào)、檢測(cè)日期、檢測(cè)人員、合格率
  • 典型缺陷的照片記錄

4. 特殊約定：

• • 邊緣5%區(qū)域可降低一個(gè)等級(jí)
  • 聚集缺陷需特別標(biāo)注

6.3 常見爭(zhēng)議與處理

爭(zhēng)議點(diǎn)及解決方案：

1.缺陷位置判定

• 問題：缺陷是否在有效光學(xué)區(qū)域內(nèi)
• 解決：明確標(biāo)注通光孔徑（CA），如Φ25mm CA23mm
• 原則：CA內(nèi)嚴(yán)格執(zhí)行，CA外可放寬一級(jí)

2.累積缺陷評(píng)價(jià)

• 問題：多個(gè)小缺陷的累積效應(yīng)
• 解決方案：
  • 劃痕：所有劃痕總長(zhǎng)度≤ 元件直徑的1/4
  • 麻點(diǎn)：所有麻點(diǎn)總面積≤ 通光孔徑面積的5%
  • 密集缺陷：任意Φ5mm區(qū)域內(nèi)不超過3個(gè)缺陷

3.表面污染vs永久缺陷

• 鑒別方法：
  • 先用干燥氮?dú)獯祾?/li>
  • 再用丙酮或異丙醇清潔
  • 清潔后仍存在的為永久性缺陷
• 驗(yàn)收原則：以清潔后狀態(tài)為準(zhǔn)

4.邊緣崩邊處理

• 允許范圍：邊緣2mm內(nèi)的崩邊不計(jì)入表面質(zhì)量
• 但需滿足：崩邊不影響安裝和密封

七、表面質(zhì)量的維護(hù)與保養(yǎng)

7.1 日常維護(hù)要點(diǎn)

存儲(chǔ)環(huán)境：

• 溫度：15-25°C
• 濕度：45-65% RH
• 潔凈度：Class 1000或更好
• 包裝：使用專用光學(xué)包裝材料

清潔方法：

1. 氣體吹掃：使用高純氮?dú)饣驂嚎s空氣
2. 溶劑清洗：使用分析純丙酮或異丙醇
3. 擦拭技術(shù)：采用螺旋式從中心向外擦拭
4. 超聲清洗：適用于批量清洗

7.2 使用注意事項(xiàng)

避免損傷的措施：

• 佩戴無粉手套操作
• 使用專用光學(xué)鑷子
• 避免硬物接觸光學(xué)表面
• 定期檢查和維護(hù)

八、未來發(fā)展趨勢(shì)

8.1 新標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

• ISO 10110-7：更詳細(xì)的表面缺陷分類
• 定量化評(píng)價(jià)：基于散射測(cè)量的客觀標(biāo)準(zhǔn)
• 自動(dòng)化檢測(cè)：AI圖像識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用

8.2 新技術(shù)的影響

• 超精密加工：離子束拋光實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)表面
• 自修復(fù)涂層：減少使用過程中的表面損傷
• 智能檢測(cè)：在線實(shí)時(shí)表面質(zhì)量監(jiān)測(cè)

九、實(shí)用速查表

常用表面質(zhì)量等級(jí)快速對(duì)照表

應(yīng)用選擇指南

結(jié)語

光學(xué)表面質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)看似簡(jiǎn)單的數(shù)字組合，實(shí)際上蘊(yùn)含著豐富的技術(shù)內(nèi)涵。正確理解和應(yīng)用這些標(biāo)準(zhǔn)，能夠幫助您選擇合適的光學(xué)元件，確保系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。

選擇光學(xué)元件時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇適當(dāng)?shù)谋砻尜|(zhì)量等級(jí)。過度追求高規(guī)格會(huì)增加制造難度和交貨周期，而規(guī)格不足則可能影響系統(tǒng)性能。理解每個(gè)等級(jí)的技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍，是做出明智選擇的關(guān)鍵。希望本文能夠幫助您在光學(xué)元件選型時(shí)做出更專業(yè)的技術(shù)決策。