硬脆性光学材料亚表面损伤层厚度的测量方法

摘要

本发明公开了硬脆性光学材料亚表面损伤层厚度的测量方法，首先使用磁流变加工工艺在样品表面加工出一特定剖切平面，剖切亚表面损伤层，并将亚表面损伤反映到剖切平面上；使用腐蚀性化学试剂对剖切平面进行处理，将剖切平面上的亚表面裂纹暴露放大；使用粗糙度测量工具测量剖切平面上不同位置处的粗糙度值，得到粗糙度值变化曲线；由粗糙度曲线上取得数据开始趋向平稳的临界点或极点，及测量过程中记录下的起始点，求得这两点之间的高度差或投影在原有表面两点的高度差，即样品亚表面损伤层厚度d。采用本发明方法快捷、准确，可测量多面型、多材料的光学样品，亦可实现大口径、工程化应用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬脆性光学材料亚表面损伤层厚度的测量方法，用于测量从平面到球面、非球面等多种光学元件。该方法对硬脆性光学材料亚表面损伤有放大作用，可以实现超精密磨削造成的微小亚表面损伤层厚度的测量。

背景技术

目前，现有的硬脆性光学材料亚表面损伤测量方法，较为准确的有磁流变抛光技术结合光学显微镜观测斜面，如：文献Suratwala T I，Wong L L，Miller P E etal.，Sub-surface mechanical damagedistribution during grinding of fused silica[J].Journalof Non-Crystalline Solids，2006，352：5601-5617所述。测量材料为常用的光学玻璃平面样品，该方法在被测样品表面上使用磁流变抛光技术加工一检测性微小斜面，利用光学显微镜对斜面进行扫描，结合图像处理的方法求得斜面上的裂纹层宽度，再由斜面倾角求得亚表面损伤层厚度。该方法由于要使用光学显微镜对磁流变抛光出的斜面进行观测，使用和调试光学显微镜复杂，而且对所测工件大小有一定尺寸的限制，这种方法图像处理结果不直观，不宜于工程化的实际应用。且尚未对球面、非球面样品的测量进行说明。

发明内容

针对背景技术所存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种硬脆性光学材料亚表面损伤层厚度的测量方法，该方法利用磁流变抛光加工出剖切平面，使用粗糙度测量工具对其进行扫描，测量平面上不同位置的粗糙度，以表面粗糙度的变化趋势间接标定光学材料亚表面的损伤层，具有可工程化、快捷、实用的特点。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种硬脆性光学材料亚表面损伤层厚度的测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，将被测工件安装于磁流变抛光机上，采用磁流变抛光的工艺，在工件光学表面上加工出一倾角为θ的微小斜面，斜剖亚表面损伤层，将亚表面损伤层中的裂纹、孔洞展现在斜面上，形成表面裂纹、孔洞；

第二步，使用腐蚀性化学试剂处理加工后的斜面，并去除抛光液残留杂质以及去除覆盖亚表面裂纹的微薄抛光重积层，将裂纹更进一步暴露、放大；

第三步，使用粗糙度轮廓仪或白光干涉仪从斜面上起始边界附近沿斜面不断进给、扫描，连续测量斜面上不同位置处的粗糙度值，记录数值并记下斜面上起始边界扫描点的位置坐标X₁；

第四步，由测得的粗糙度值数据，得到斜面上的进给值与粗糙度值之间的变化曲线，经数据处理得到粗糙度值趋向平稳的临界点或极点，记下该点的位置坐标X₂；

第五步，根据上述两点坐标X₁和X₂，求得两点之间的距离L₁＝X₂-X₁，即斜面上的裂纹层长度为L₁，由斜面倾角θ，得到对应亚表面裂纹层深度d₁＝L₁sinθ；

第六步，使用X射线应力分析仪在斜面上测得内应力区域，得到内应力层的宽度L₂，这样亚表面损伤层在斜面上的宽度即为L＝L₁+L₂，再由斜面倾角θ，得到对应亚表面损伤层深度d＝Lsinθ。

上述方法中，使用粗糙度轮廓仪或白光干涉仪从斜面上起始边界附近沿斜面不断进给、扫描过程中，同时对加工出的微小斜面进行倾角θ的检验，根据所得误差对第五、第六步所述的亚表面裂纹层深度、亚表面损伤层深度进行校正。

本发明另一种硬脆性光学材料亚表面损伤层厚度的测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，将被测工件安装于磁流变抛光机上，采用磁流变抛光的工艺，在球面或非球面的任一位置剖出一圆形平面，斜剖亚表面损伤层，将亚表面损伤层中的裂纹、孔洞展现在圆形平面上，形成表面裂纹、孔洞；

第二步，使用腐蚀性化学试剂处理加工后的圆形平面，去除抛光液残留杂质以及去除覆盖亚表面裂纹的微薄抛光重积层，将裂纹更进一步暴露、放大；

第三步，在圆形平面的圆周上任选一点P₁(X₁，Y₁，Z₁)，使用白光干涉仪从选定扫描点P₁沿水平半径从样品圆周到中心进行扫描，测得该半径上不同位置的粗糙度值数据，并记录；

第四步，由测得的不同位置的粗糙度值数据，得到半径方向的进给值与粗糙度值之间的变化曲线，经数据处理得到粗糙度变化曲线趋向平稳的临界点或极点，记下该点的位置坐标P₂(X₂，Y₂)；

第五步，根据球面方程或非球面方程z＝f(x、y，z)以及抛光深度h得到原有球面上与P₂垂直对应的点P₃的Z坐标Z₂；求出两点的差值即亚表面损伤层的厚度值d＝|Z₁-Z₂|。

以上两种测量方法中，对第四步测得的粗糙度变化曲线，所述的数据处理包括：对光学玻璃样品，是通过S样条得到粗糙度值变化曲线趋向平稳的临界点对应的扫描点位置坐标实现的；对光学陶瓷样品，是通过记下粗糙度变化曲线的极点对应的扫描点位置坐标实现的。

本发明方法在剖切平面上使用粗糙度测量的方式表征平面上裂纹的存在，由粗糙度值的变化趋势和一定的数据处理方法标定剖切平面上裂纹层的宽度。其优点是快速、精度较高，这是目前其它测量方法的装置所不能实现的。

采用本发明方法，除可以测量光学陶瓷和光学玻璃两种材料的光学元件外，还可以测量不同口径、不同面型的光学元件。具有很强的工程应用性。

附图说明

图1为亚表面损伤层结构示意图。

图2为本发明平面样品在抛光加工的斜面上的亚表面损伤测量示意图。

图3为本发明实施例1光学玻璃平面棱镜样品的测量流程图。

图4为图3实施例1测得的斜面上粗糙度与进给量的关系曲线图。

图5为图3实施例1斜面倾角的检验结果。

图6为本发明实施例2光学陶瓷球面、非球面镜样品亚表面损伤测量流程图。

图7为图6实施例2测得的圆形平面上粗糙度与进给量的关系曲线图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，光学元件的亚表面损伤层包括亚表面裂纹层及内应力变形层，在无损伤基体之上，被抛光重积层覆盖。因其在表面以下，不易直接观测。本发明方法利用磁流变抛光的工艺加工出一特定剖切平面。这样，被覆盖的亚表面损伤层就在剖切平面上反映出来，形成剖切平面上的表面裂纹区和内应力区，统称表面损伤区。使用粗糙度测量工具在剖切平面上进行扫描、测量剖切平面上不同位置的粗糙度，以粗糙度值的相对大小来表征表面损伤、标定剖切平面上的表面损伤区域，间接得到光学元件亚表面损伤层的厚度。相比背景技术具有工程化、快捷、实用的特点。本发明沿虚线斜剖平面样品，斜面倾角为θ，贯穿抛光重积层、亚表面损伤层以及无损伤基体，在斜面上研究亚表面损伤(如图1中红色虚线所示)。

实施例1

图2、图3示出了光学玻璃平面样品的加工实例。对某K9光学玻璃平面样品亚表面损伤层厚度的测量：在图3Step1经W20磨粒磨削加工20min后的光学表面进行亚表面损伤检测：如图3Step2所示，使用磁流变抛光的工艺加工出倾角为θ＝6’的微小斜面(图2)，沿箭头所示的磁流变抛光的方向，在斜面上可体现距原有平面不同深度的剖面信息。使用HF酸腐蚀试剂处理磁流变抛光加工后的斜面，清洁表面并将斜面上的裂纹进一步暴露、放大。使用粗糙度轮廓仪从斜面起始边界附近虚线扫描(图2、图3Step3)、按设定的间距顺着箭头方向沿斜面进给，不断测量虚线处的粗糙度(图2、图3Step4)，依次测得斜面上不同位置虚线处的线粗糙度值。得到斜面进给与粗糙度的关系曲线，如图4所示。测量过程中，记录斜面的起始边界扫描点坐标X₁＝80。后对曲线进行S样条处理，得到粗糙度值趋向平稳的扫描点坐标X₂＝240。这样斜面上裂纹层的长度即为L₁＝(X₂-X₁)×0.01mm＝1.2mm。由X射线内应力测得斜面上内应力层宽度很小，相对裂纹层的宽度忽略不计，这样斜面上亚表面损伤层的宽度约为1.2mm，由已知抛光的斜面倾角θ，根据d＝Lsinθ＝1.2sin6’，得到光学玻璃表面的亚表面损伤层厚度2.09μm。

进一步的，也可用粗糙度轮廓仪对斜面的轮廓扫描精确得到：斜面倾角为6分49秒(图5)，这样根据d＝Lsinθ＝1.2sin6’49”，可将该光学玻璃光学表面的亚表面损伤层厚度精确校正为2.37μm。

实施例2

如图6所示，一种光学陶瓷球面镜亚表面损伤层厚度的具体测量实例，在图6的Step1经W40磨粒磨削加工20min后的光学表面进行亚表面损伤检测：如图6中Step2所示：使用磁流变抛光的工艺在曲率半径为R的球面样品上抛出一检测性圆形平面，其水平半径为r。剖切平面与原有的球面就形成了球冠(图6Step2)，平面圆周处距原有表面浅，圆心处距原有表面深。使用腐蚀性化学试剂对剖切平面进行处理，将剖切平面上的亚表面裂纹暴露放大；图6Step3和Step4中：使用白光干涉仪在剖出的圆形平面，从圆周处的扫描点P₁(X₁，Y₁，Z₁)沿半径方向向圆心依次进给，测出圆形平面沿水平半径上不同位置粗糙度随进给的变化曲线(图7)。光学陶瓷件与光学玻璃的组成成分不同，测得的粗糙度变化曲线也不一样，如图7所示，本实施例样品采用光学陶瓷，粗糙度变化曲线将出现极点，在变化曲线上找出圆周扫描点处的坐标P₁(X₁，Y₁，Z₁)和变化曲线上极点坐标P₂(X₂，Y₂，Z₁)，由球面方程X²+Y²+Z²＝R²及抛光深度h得到原有球面上与P₂(X₂，Y₂，Z₁)垂直对应的点P₃(X₂，Y₂，Z₂)的Z坐标Z₂；求出两点的差值即亚表面损伤层的厚度值d＝|Z₁-Z₂|。在本实例中，X射线内应力测量得到的斜面上亚表面内应力层的宽带也很小，忽略不计，则得到球面光学元件上亚表面损伤层的厚度即为d＝|Z₂-Z₁|。具体测量数据：极点位置为0.08mm(图7)，半径R＝100mm，抛光深度h＝0.1mm，r＝3.1mm，由球面方程X²+Y²+Z²＝10000及抛光深度h＝0.1mm，得d＝0.0443mm。