[發明專利]一種光學材料亞表面損傷層深度及形貌測量方法

有效

• 申請號: 201410315052.8
• 申請日: 2014-07-04
• 公開（公告）號: CN104061853A
• 公開（公告）日: 2014-09-24
• 發明（設計）人: 田愛玲;王春慧;田玉珺;王紅軍;朱學亮;劉丙才
• 申請（專利權）人: 西安工業大學
• 主分類號: G01B7/26
• 分類號: G01B7/26;G01B7/06;G01B11/24
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 黃秦芳

技術領域

本發明涉及光學精密測量技術領域，特別是一種連續腐蝕的光學材料亞表面損傷層深度及形貌的檢測方法，用于測量從平面到球面、非球面等多種光學元件。該方法對光學材料亞表面損傷有放大作用，可以獲得亞表面拋光層、損傷層和基底上連續變化的亞表面裂紋深度變化曲線，可以實現超精密研磨造成的微小亞表面損傷層深度的測量。

背景技術

定量確定光學材料亞表面損傷的深度及其分布對研究其損傷形成機理、優化加工參數有著極其重要的作用。進而，控制損傷層深度、提高表面完整性是提高加工表層質量以及優化光學材料制造過程的基礎。

亞表面損傷的破壞性測量方法具有直觀性強、易操作等優點，是亞表面損傷檢測技術中最基本同時也是最有效的一種不可替代的測量手段。HF恒定化學蝕刻速率法具有操作簡便、成本低、直觀性強等優點，并且能測量不規則表面的損傷深度，是一種有效的亞表面損傷測量方法，如文獻“光學材料亞表面損傷深度破壞性測量技術的實驗研究”（李改靈，吳宇列，王卓，等.光學材料亞表面損傷深度破壞性測量技術的實驗研究[J].航空精密制造技術,2006,42(6):19-22.）所述。對于亞表面損傷深度的檢測，可以用磁流變拋光法結合HF腐蝕實驗來實現。這種研究方法的不足之處在于：磁流變拋光法只能大概估計亞表面損傷的最大深度，不能精確檢測出亞表面損傷層每個微裂紋的確切深度。化學腐蝕液差動腐蝕法則通過樣品與基體在腐蝕速率變化的差異來標定工件的亞表面損傷深度，其測量值在理論上更加符合實際，化學腐蝕液差動腐蝕法的測試精度不易保證，實驗環境因素及測試儀器的測試精度對實驗結果影響較大。根據壓痕斷裂力學理論模型建立的亞表面裂紋深度與表面粗糙度之間的非線性關系是目前研究亞表面損傷深度的又一較為成熟的方法。但是該比值模型以磨粒載荷為自變量，由于磨削和研磨過程的復雜性和隨機性，使得該模型對于亞表面損傷微裂紋深度的預測精度有限，不能實現亞表面微裂紋深度的快速、準確檢測。南京航空大學提出一種光學材料亞表面損傷層厚度測量方法，如專利“光學材料亞表面損傷層厚度的測量方法”（朱永偉，戴子華，劉婷婷，李軍，左敦穩. 光學材料亞表面損傷層厚度的測量方法:中國，201210509908.6[P]. 2012-12-03）中所述，利用HF酸對加工樣件和基體樣件在相同條件下腐蝕，同時，將腐蝕時間及腐蝕操作次序分段標記，第n+1時間段開始，加工樣件和基體樣件的腐蝕速率相等，則可認為在n時間段，加工樣件已被腐蝕到基體。該方法制樣工藝復雜，測試時間長，不易于實際應用。西安交通大學提出較為準確的磁流變拋光技術結合光學顯微鏡觀測斜面，如專利“硬脆性光學材料亞表面損傷層厚度的測量方法”（王海容，陳燦，任軍強，孫國良，苑國英，蔣莊德.硬脆性光學材料亞表面損傷層厚度的測量方法:中國，200910024280[P].2009-10-13）中所述，該方法要通過對粗糙度的測量和通過計算得到亞表面損傷層的深度，這種圖像處理結果過程不夠直觀，需要結合傾角測量間接計算得到損傷層厚度。

破壞性測量方法具有直觀性強、易操作等優點，是亞表面損傷檢測技術中最基本同時也是最有效的一種不可替代的測量手段。HF 恒定化學蝕刻速率法具有操作簡便、成本低、直觀性強等優點，并且能測量不規則表面的損傷深度，是一種有效的亞表面損傷測量方法。但是目前的HF酸腐蝕法還存在制樣過程復雜，測試結果不直觀，后續數據處理復雜等問題。作為高精度元件表面質量的重要指標，亞表面損傷層微裂紋的相關檢測方法停留在通過復雜的數據處理間接獲得某個切面微裂紋厚度信息，還沒有方法直接從測量結果中獲取亞表面損傷層深度并同時得到微裂紋的三維分布特征。

由此可見，檢測亞表面損傷層微裂紋的特征對于獲得完整的工藝參數、提高材料表面光學性能、元件使用性能有著重要的指導意義。這里提出一種連續腐蝕的光學材料亞表面損傷層深度及形貌測量方法。

發明內容

本發明提供以克服現有技術存在的制樣過程復雜，測試結果不直觀和后續數據處理復雜的問題。

為了克服現有技術存在的問題，本發明提供了一種光學材料亞表面損傷層深度及形貌的測量方法，該方法通過控制樣件在HF酸溶液中沿豎直方向緩慢勻速地運動，利用HF酸對樣品進行連續腐蝕，使得樣品不同位置層面的腐蝕程度連續變化，得到腐蝕后的剖切面。用探針式輪廓儀對腐蝕后的剖切面進行掃描，根據表面輪廓的變化趨勢分析得到光學材料亞表面損傷層深度。

上述方法依次包括下述步驟：

量方法，其特征在于，依次包括以下步驟：