[发明专利]一种光学材料亚表面损伤层深度及形貌测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，特别是一种连续腐蚀的光学材料亚表面损伤层深度及形貌的检测方法，用于测量从平面到球面、非球面等多种光学元件。该方法对光学材料亚表面损伤有放大作用，可以获得亚表面抛光层、损伤层和基底上连续变化的亚表面裂纹深度变化曲线，可以实现超精密研磨造成的微小亚表面损伤层深度的测量。

背景技术

定量确定光学材料亚表面损伤的深度及其分布对研究其损伤形成机理、优化加工参数有着极其重要的作用。进而，控制损伤层深度、提高表面完整性是提高加工表层质量以及优化光学材料制造过程的基础。

亚表面损伤的破坏性测量方法具有直观性强、易操作等优点，是亚表面损伤检测技术中最基本同时也是最有效的一种不可替代的测量手段。HF恒定化学蚀刻速率法具有操作简便、成本低、直观性强等优点，并且能测量不规则表面的损伤深度，是一种有效的亚表面损伤测量方法，如文献“光学材料亚表面损伤深度破坏性测量技术的实验研究”（李改灵，吴宇列，王卓，等.光学材料亚表面损伤深度破坏性测量技术的实验研究[J].航空精密制造技术,2006,42(6):19-22.）所述。对于亚表面损伤深度的检测，可以用磁流变抛光法结合HF腐蚀实验来实现。这种研究方法的不足之处在于：磁流变抛光法只能大概估计亚表面损伤的最大深度，不能精确检测出亚表面损伤层每个微裂纹的确切深度。化学腐蚀液差动腐蚀法则通过样品与基体在腐蚀速率变化的差异来标定工件的亚表面损伤深度，其测量值在理论上更加符合实际，化学腐蚀液差动腐蚀法的测试精度不易保证，实验环境因素及测试仪器的测试精度对实验结果影响较大。根据压痕断裂力学理论模型建立的亚表面裂纹深度与表面粗糙度之间的非线性关系是目前研究亚表面损伤深度的又一较为成熟的方法。但是该比值模型以磨粒载荷为自变量，由于磨削和研磨过程的复杂性和随机性，使得该模型对于亚表面损伤微裂纹深度的预测精度有限，不能实现亚表面微裂纹深度的快速、准确检测。南京航空大学提出一种光学材料亚表面损伤层厚度测量方法，如专利“光学材料亚表面损伤层厚度的测量方法”（朱永伟，戴子华，刘婷婷，李军，左敦稳. 光学材料亚表面损伤层厚度的测量方法:中国，201210509908.6[P]. 2012-12-03）中所述，利用HF酸对加工样件和基体样件在相同条件下腐蚀，同时，将腐蚀时间及腐蚀操作次序分段标记，第n+1时间段开始，加工样件和基体样件的腐蚀速率相等，则可认为在n时间段，加工样件已被腐蚀到基体。该方法制样工艺复杂，测试时间长，不易于实际应用。西安交通大学提出较为准确的磁流变抛光技术结合光学显微镜观测斜面，如专利“硬脆性光学材料亚表面损伤层厚度的测量方法”（王海容，陈灿，任军强，孙国良，苑国英，蒋庄德.硬脆性光学材料亚表面损伤层厚度的测量方法:中国，200910024280[P].2009-10-13）中所述，该方法要通过对粗糙度的测量和通过计算得到亚表面损伤层的深度，这种图像处理结果过程不够直观，需要结合倾角测量间接计算得到损伤层厚度。

破坏性测量方法具有直观性强、易操作等优点，是亚表面损伤检测技术中最基本同时也是最有效的一种不可替代的测量手段。HF 恒定化学蚀刻速率法具有操作简便、成本低、直观性强等优点，并且能测量不规则表面的损伤深度，是一种有效的亚表面损伤测量方法。但是目前的HF酸腐蚀法还存在制样过程复杂，测试结果不直观，后续数据处理复杂等问题。作为高精度元件表面质量的重要指标，亚表面损伤层微裂纹的相关检测方法停留在通过复杂的数据处理间接获得某个切面微裂纹厚度信息，还没有方法直接从测量结果中获取亚表面损伤层深度并同时得到微裂纹的三维分布特征。

由此可见，检测亚表面损伤层微裂纹的特征对于获得完整的工艺参数、提高材料表面光学性能、元件使用性能有着重要的指导意义。这里提出一种连续腐蚀的光学材料亚表面损伤层深度及形貌测量方法。

发明内容

本发明提供以克服现有技术存在的制样过程复杂，测试结果不直观和后续数据处理复杂的问题。

为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种光学材料亚表面损伤层深度及形貌的测量方法，该方法通过控制样件在HF酸溶液中沿竖直方向缓慢匀速地运动，利用HF酸对样品进行连续腐蚀，使得样品不同位置层面的腐蚀程度连续变化，得到腐蚀后的剖切面。用探针式轮廓仪对腐蚀后的剖切面进行扫描，根据表面轮廓的变化趋势分析得到光学材料亚表面损伤层深度。

上述方法依次包括下述步骤：

量方法，其特征在于，依次包括以下步骤：