CN104132944A - 一种检测球面光学元件亚表面损伤程度表征参数的方法 - Google Patents

Abstract

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d_ssd、亚表面损伤层的深度h_ssd、微裂纹在光学元件球面上的径向长度d_scrack。

Description

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

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

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。

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

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、准确计算球面光学元件亚表面损伤程度表征参数体系的方法。

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：

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d_ssd、亚表面损伤层的深度h_ssd、微裂纹在光学元件球面上的径向长度d_crack。

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。

所述第五步的表征参数d_ssd、h_ssd、d_crack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：

$\cos {\∂}_w=d_w/2R---\left(1\right)$

为环形截面的外径与曲率半径R之间的夹角：d_w为环形截面直径；

将式(1)带入到下式：

${R_w}^2=R^2+W^2-2\mathrm{WR}\cos {\∂}_w---\left(2\right)$

式中R_w为环形截面上亚表面损伤层外径到球心的距离,得到下式：

$R_w^2=R^2+W^2+{\mathrm{Wd}}_w---\left(3\right)$

根据以下三式：

$\cos {\∂}_s=-\cos (\mathrm{\π}-{\∂}_s)---\left(4\right)$

$\cos (\mathrm{\π}-{\∂}_s)=({R_w}^2+W^2-R^2)/{2R}_{w}W---\left(5\right)$

$R_s^2=R_w^2+S^2-{2\mathrm{SR}}_w\cos {\∂}_s---\left(6\right)$

式中为亚表面损伤层的外周线与球心围成的锥面的底角；R_s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(6)，得到该球形光学元件的亚表面损伤层厚度d_ssd,

d_ssd＝R_w-R_s,

由式(3),得到亚表面损伤层的深度h_ssd,

h_ssd＝R-R_w；

通过R、W、AB及θ，按照抛光后环形截面的平面几何关系有：

d_w/2-W＝OA

OB²＝OA²+AB²-2×OA×ABcosθ   (7)

即可求得微裂纹在环形截面上的径向长度：S_crack＝OA-OB；

按照抛光后环形截面与球形光学元件的几何关系有：

$R_{\mathrm{crack}}^2=R_w^2+S_{\mathrm{crack}}^2-{2\mathrm{WS}}_{\mathrm{crack}}-\cos {\∂}_s---\left(8\right)$

其中：R_crack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：d_crack＝R_w-R_crack。

与现有技术相比，本发明方法的优点是，

1、本发明基于图像处理和简单的几何运算，对光学元件亚表面损伤在球面径向上的分布进行简单快捷的定量描述。

2、本发明得到更多的球面光学元件亚表面损伤程度表征参数(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)，可以对球面元件亚表面损伤进行全面的表征。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为球面光学元件亚表面损伤示意图。其中：(a)图为半球光学元件的剖视图；(b)图为半球光学元件的平面剖视图；1、重积层；2、亚表面损伤层；3、环形截面。

图2为球面光学元件抛光后剖面亚表面损伤层的微裂纹图。其中：(b)图为(a)图中I部放大图。

图3为激光扫描共聚焦显微镜记录的腐蚀后的真彩图显微照片。

图4为图像处理流程及结果展示图。其中：a图为转换的灰度图；b图为根据灰度图计算的灰度直方图；c图为选阈值为0.51进行处理的二值图；d图为选择canny算子进行边缘提取的图像。

具体实施方式

根据抛光、腐蚀及观测条件，选择一种平凸球面透镜，材料为K9光学玻璃，直径为30mm，曲率半径为18.041mm，焦距为35mm，中心厚度11mm，并镀有400-700nm宽带增透膜。

(1)使用环带式磁流变抛光机对上述试样进行抛光。磁流变装置的夹具分为透镜座和透镜盖两部分，其中透镜座材料为铝，下部为M27的内螺纹，上部有螺纹与透镜盖配合。透镜盖材料为尼龙，主要目的是为了在螺纹旋紧固定透镜过程中不会压坏透镜表面。对试样进行抛光120min，抛光盘/工件主轴转数为120/120r/min。

(2)参考图1，抛光后球面光学元件上有一个环形截面3，其内层为亚表面损伤层2，外层为重积层1。使用HF酸溶液对其进行腐蚀，腐蚀时间为15min，将亚表面损伤层的裂纹更进一步暴露、放大。

(3)用激光扫描共聚焦显微镜观测时，使用放大倍数为10倍的显微镜进行观察，记录清晰二维图像(图3)。

(4)对观测的图像进行图像处理(图4)，步骤如下：

Step1：将记录的清晰图像用Matlab(图像处理软件)读取，由图3的真彩图转换为灰度图像(图4a)；

Step2：根据灰度图像，求得图像的灰度直方图(图4b)；

Step3：由灰度直方图提供的灰度分布信息，选择合适的阈值进行二值化处理得到二值图像，这里选用的阈值为0.51(图4c)；

Step4：对二值化图像使用canny算子进行边缘提取(图4d)；

最后计算机自动计算重积层1在截面3上的径向宽度W以及亚表面损伤层2在截面3上的径向宽度S，截面上腐蚀后微裂纹的长度AB(图2)，微裂纹与截面3上的亚表面损伤层外径的夹角θ(图2b)。

(5)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，根据公式(1)：

$\cos {\∂}_w=d_w/2R---\left(1\right)$

为环形截面3的外径与曲率半径R之间的夹角(弧度)：d_w为环形截面3直径(mm)；

将公式(1)带入到公式(2)：

${R_w}^2=R^2+W^2-2\mathrm{WR}\cos {\∂}_w---\left(2\right)$

式中R_w为环形截面3上亚表面损伤层(环)2的外径到球心的距离(mm),得到公式(3)：

$R_w^2=R^2+W^2+{\mathrm{Wd}}_w---\left(3\right)$

公式(2)由图1(a)的几何关系得到。

$\cos {\∂}_s=-\cos (\mathrm{\π}-{\∂}_s)---\left(4\right)$

$\cos (\mathrm{\π}-{\∂}_s)=({R_w}^2+W^2-R^2)/{2R}_{w}W---\left(5\right)$

$R_S^2=R_W^2+S^2-{2\mathrm{SR}}_W\cos {\∂}_S---\left(6\right)$

式中为亚表面损伤层2的外周线与球心围成的锥面的底角(弧度)；R_s为环形截面上亚表面损伤环内径到球心的距离(mm)；

将公式(3)和(5)带入(6)，可以得到该球面光学试样的亚表面损伤层厚度d_ssd,

d_ssd＝R_w-R_s，

由公式(3)得到亚表面损伤层的深度h_ssd,

h_ssd＝R-R_w。

通过已知试样的曲率半径R、以及图像处理后得到的W、微裂纹的长度AB及微裂纹与亚表面损伤层外径的夹角θ，按照图3的几何关系有：

d_w/2-W＝OA

OB²＝OA²+AB²-2×OA×ABcosθ   (7)

即可求得微裂纹AB在环形截面上的径向长度：S_crack＝OA-OB。

按照图1(a)的几何关系有：

$R_{\mathrm{crack}}^2=R_w^2+S_{\mathrm{crack}}^2-{2\mathrm{WS}}_{\mathrm{crack}}-\cos {\∂}_s---\left(8\right)$

其中：R_crack为微裂纹AB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：d_crack＝R_w-R_crack。

Claims (3)

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d_ssd、亚表面损伤层的深度h_ssd、微裂纹在光学元件球面上的径向长度d_crack。

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d_ssd、h_ssd、d_crack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：

$\cos {\∂}_w=d_w/2R---\left(1\right)$

为环形截面的外径与曲率半径R之间的夹角：d_w为环形截面直径；

将式(1)带入到下式：

${R_w}^2=R^2+W^2-2\mathrm{WR}\cos {\∂}_w---\left(2\right)$

式中R_w为环形截面上亚表面损伤层外径到球心的距离,得到下式：

$R_w^2=R^2+W^2+{\mathrm{Wd}}_w---\left(3\right)$

根据以下三式：

$\cos {\∂}_s=-\cos (\mathrm{\π}-{\∂}_s)---\left(4\right)$

$\cos (\mathrm{\π}-{\∂}_s)=({R_w}^2+W^2-R^2)/{2R}_{w}W---\left(5\right)$

$R_s^2=R_w^2+S^2-{2\mathrm{SR}}_w\cos {\∂}_s---\left(6\right)$

式中为亚表面损伤层的外周线与球心围成的锥面的底角；R_s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(6)，得到该球形光学元件的亚表面损伤层厚度d_ssd，

d_ssd＝R_w-R_s，

由式(3),得到亚表面损伤层的深度h_ssd,

h_ssd＝R-R_w；

通过R、W、AB及θ，按照抛光后环形截面的平面几何关系有：

d_w/2-W＝OA

OB²＝OA²+AB²-2×OA×ABcosθ   (7)

即可求得微裂纹在环形截面上的径向长度：S_crack＝OA-OB；

按照抛光后环形截面与球形光学元件的几何关系有：

$R_{\mathrm{crack}}^2=R_w^2+S_{\mathrm{crack}}^2-{2\mathrm{WS}}_{\mathrm{crack}}-\cos {\∂}_s---\left(8\right)$

其中：R_crack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：d_crack＝R_w-R_crack。