一种检测球面光学元件亚表面损伤程度表征参数的方法
【专利摘要】本发明公开了一种检测球面光学元件亚表面损伤程度表征参数的方法，其特征在于，采用磁流变抛光工艺在球形光学元件上加工出一环形截面，腐蚀处理加工后的环形截面，使用激光共聚焦显微镜观察暴露、放大的微裂纹形貌，对微裂纹二维图像进行测量处理和计算，得到重积层在抛光后环形截面上的宽度W、亚表面损伤层在抛光后环形截面上的宽度S、微裂纹的长度AB、密度及微裂纹与亚表面损伤层外径的夹角θ；通过已知的球面光学元件的曲率半径R，以及所得数据信息，根据平面几何关系，计算获得球面光学元件亚表面损伤层厚度dssd、亚表面损伤层的深度hssd、微裂纹在光学元件球面上的径向长度dscrack。
【专利说明】一种检测球面光学元件亚表面损伤程度表征参数的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可实现对超精密球面光学元件亚表面损伤的表征参数体系(损伤层深度和厚度、损伤层微裂纹的密度和沿球面光学元件径向长度)的获得方法。
【背景技术】
[0002]随着现代科学技术的发展，光学元件得到了广泛的应用，尤其是高精光学元件在技术方面涉及到超精密加工、精密检测技术、光学和半导体领域，在应用方面涉及到能源、空间、国防装备、集成电路与MEMS等高端领域。随着光学、微电子学、MEMS(微机电系统)及其相关技术的发展，对所需高精元件表面质量的要求越来越高，对于高精光学元件表面完整性提出了很高的要求，这就需要在加工过程中最大限度地保证高精光学元件的加工质量。高精元件对生产周期、面型精度和生产成本有严格的要求，同时其亚表面损伤的研究也越来越受到人们的关注。就高精元件加工而言，不论是脆性磨削还是延性磨削都会不同程度地引入亚表面损伤。亚表面损伤的存在会极大地影响高精元件的光学、机械性能，比如:抗激光损伤阈值、降低透射性能，并直接影响元件强度，进而降低元件使用寿命、长期稳定性。光学元件的质量及有效工作寿命直接决定光学仪器的工作期限。某些军用设备等特殊用途中光学元件的作用尤为重要，如空间中的真空容器的窗镜、航天器窗口等系统中的光学元件，其精度要求都很高，需要投入大量的财力和人力进行研究工作，探索如何有效提高光学元件的表面质量，增强其使用寿命。
[0003]现在关于光学元件亚表面损伤的研究主要集中在非球面光学元件领域，然而在实际应用的光学系统中，球面光学元件依然占最重要位置，但至今仍没有一个良好的表征其亚表面损伤程度的方法，因此提高球面光学元件的亚表面损伤的检测对提高整个光学系统的性能有着重要的意义。高精度的光学元件检测与加工技术是精密和超精密加工技术的重要部分，对国家尖端技术和国防工业的发展有着至关重要的作用。随着光学技术的发展新的加工方法与新的光学元件在不断被引入，新的光学元件在改善光学系统性能方面的作用在不断提高，然而球面光学元件以其易加工等特点依然在透射和反射光学元件中占有非常重要的地位，因此提高球面光学元件亚表面损伤的检测依然是提高光学系统质量的关键。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于图像处理和简单几何运算的快速、准确计算球面光学兀件亚表面损伤程度表征参数体系的方法。
[0005]为了达到上述目的，本发明是采用如下技术方案予以实现的:
[0006]一种检测球面光学元件亚表面损伤程度表征参数的方法，其特征在于，包括下述步骤:
[0007]第一步，采用磁流变抛光工艺在球形光学元件上加工出一环形截面，其内层为有微裂纹，孔洞的环带状亚表面损伤层；
[0008]第二步，腐蚀处理加工后的环形截面，将亚表面损伤层上的微裂纹更进一步暴露、放大；
[0009]第三步，使用激光共聚焦显微镜观察暴露、放大的微裂纹形貌，记录清晰二维图像；
[0010]第四步，对微裂纹二维图像进行测量处理和计算，得到下列数据信息:重积层在抛光后环形截面上的宽度W、亚表面损伤层在抛光后环形截面上的宽度S、微裂纹的长度AB、密度及微裂纹与环形截面上亚表面损伤层外径的夹角Θ ；
[0011]第五步，通过已知的球面光学元件的曲率半径R，以及第四步所得数据信息，根据平面几何关系，计算获得球面光学元件亚表面损伤层厚度dssd、亚表面损伤层的深度hssd、微裂纹在光学兀件球面上的径向长度draac;k。
[0012]上述方法中，所述对共聚焦显微镜记录的裂纹二维图像进行处理，具体为首先将真彩图转化为灰度图；然后从灰度图统计出灰度直方图；接着根据灰度直方图选择阈值将图像转换成二值图；最后将二值图进行边缘提取。
[0013]所述第五步的表征参数dssd、hssd、dcrack的具体算法为:
[0014]通过试样已知的球面曲率半径R，以及图像处理得到的W、S，根据下式:
[0015]
【权利要求】
1.一种检测球面光学元件亚表面损伤程度表征参数的方法，其特征在于，包括下述步骤: 第一步，采用磁流变抛光工艺在球形光学元件上加工出一环形截面，其内层为有微裂纹，孔洞的环带状亚表面损伤层； 第二步，腐蚀处理加工后的环形截面，将亚表面损伤层上的微裂纹更进一步暴露、放大； 第三步，使用激光共聚焦显微镜观察暴露、放大的微裂纹形貌，记录清晰二维图像；第四步，对微裂纹二维图像进行测量处理和计算，得到下列数据信息:重积层在抛光后环形截面上的宽度W、亚表面损伤层在抛光后环形截面上的宽度S、微裂纹的长度AB、密度及微裂纹与环形截面上亚表面损伤层外径的夹角Θ ； 第五步，通过已知的球面光学元件的曲率半径R，以及第四步所得数据信息，根据平面几何关系，计算获得球面光学元件亚表面损伤层厚度dssd、亚表面损伤层的深度hssd、微裂纹在光学兀件球面上的径向长度deMek。
2.如权利要求1所述的检测球面光学元件亚表面损伤程度表征参数的方法，其特征在于，所述对共聚焦显微镜记录的裂纹二维图像进行处理，具体为首先将真彩图转化为灰度图；然后从灰度图统计出灰度直方图；接着根据灰度直方图选择阈值将图像转换成二值图；最后将二值图进行边缘提取。
3.如权利要求1所述的检测球面光学元件亚表面损伤程度表征参数的方法，其特征在于，所述第五步的表征参数dssd、hssd、dcrack的具体算法为: 通过试样已知的球面曲率半径R，以及图像处理得到的W、S，根据下式: Cosdw = dw/IR(I) 为环形截面的外径与曲率半径R之间的夹角:dw为环形截面直径； 将式(I)带入到下式: Rw2 = I2 + 1-V2 — IWRtm Qw(2) 式中Rw为环形截面上亚表面损伤层外径到球心的距离，得到下式: Rl = R1^W1-Wdw(3) WWV Z 根据以下三式: cos 5S = - cos(n - ds)(4) cos(/r — ds) = (Rw2 + IV2 — R2)/2RwW(5) 杧=i^ + S2-2Si^COsas(6) 式中I为亚表面损伤层的外周线与球心围成的锥面的底角；RS为环形截面上亚表面损伤环内径到球心的距离； 将式(3)、(5)带入式￠)，得到该球形光学元件的亚表面损伤层厚度dssd， dssd — R[Rs， 由式(3)，得到亚表面损伤层的深度hssd，hSSd = R-Rw; 通过R、W、AB及Θ，按照抛光后环形截面的平面几何关系有: dw/2-ff = OA OB2 = 0A2+AB2-2XOAXABcos θ (7) 即可求得微裂纹在环形截面上的径向长度:SeMek = OA-OB ； 按照抛光后环形截面与球形光学元件的几何关系有:
其中=Rcmca为微裂纹的端点B到球心的距离； 将式(3)、式(5)代入式(8)，得到微裂纹在光学元件球面上的径向长度:(1_Λ =D _D.*.\ν ^'-crack °
【文档编号】G01B11/06GK104132944SQ201410330795
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】王海容, 陈洪凤, 肖利辉, 付广龙, 蒋庄德 申请人:西安交通大学