2010-光学表面亚表层损伤检测和损伤规律研究_党娟娟-(基于激光散射和共聚焦成像原理)西安工业大学

光学表面亚表层损伤检测和损伤规律研究党娟娟田爱玲王春慧王红军刘丙才西安工业大学光电工程学院，陕西西安 710032摘要：光学零件加工过程中引入的亚表层损伤会直接影响到光学零件的使用寿命、长期稳定性、成像质量等重要性能指标。

因此研究适用于光学表面亚表层损伤的检测技术是当今光学工程领域研究的一个热点问题。

本文基于激光散射和共聚焦成像原理的非破坏性检测方法对研磨后的零件表面进行亚表层损伤检测，获得零件表面粗糙度和亚表层三维立体图。

通过对实验结果的讨论，分析了磨粒直径大小对表面粗糙度和亚表层损伤深度的影响，验证了光学材料研磨后亚表层损伤深度和表面粗糙度呈单调递增的非线性关系。

关键词：亚表层损伤；表面粗糙度；激光散射；共聚焦成像；1．引言光学零件的加工包括锯切、粗磨、精磨和抛光等工序。

由于磨削力的作用，每道工序都将使表面产生裂纹,这些裂纹会深入到表面下一定深度，使光学零件产生亚表面损伤。

亚表面损伤层包括缺陷层和变形层，如图1所示，缺陷层由划痕、裂纹和嵌入的加工介质等组成，变形层主要是裂纹尖端应力场产生的残余应力区，因此又被称为亚表面残余应力面[1-2]。

缺陷层中的亚表面裂纹会降低光学零件的使用寿命、长期稳定性、成像质量、镀膜质量和抗激光损伤阈值。

而亚表面残余应力层中的拉应力，可能在后续的加工过程中引发裂纹。

由于亚表层损伤对光学系统性能的严重影响，光学零件亚表层损伤检测方法成为光学加工领域的热点问题。

近年来，亚表层损伤检测技术发展较快，按照对零件表面的影响程度可分为破坏性检测和非破坏性检测。

破坏性检测方法有化学腐蚀法、截面显微法和磁流变抛光斑点技术等；非破坏性检测方法有基于强度检测的全内反射法、光学相干层析技术和激光射线法等。

破坏性检测方法指部分或全部破坏试件，使所要检测的损伤得以体现，然后再根据具体条件计算所要的测量结果，但这些方法均会给被测零件带来损伤，测量的结果也受到测量方法自身因素的影响，并且测量时间比较长，因此具有很大的局限性[3]；非破坏性检测方法中的全内反射法是基于强度检测的方法，比较直观，但是只能用于定性观察，不能准确的测量亚表层损伤深度和损伤分布；光学相干层析法的核心是迈克逊干涉仪，由于光学表面亚表层损伤产生的散射光很微弱，为干涉图采集和处理带来了很多困难[2]；激光散射法是近年来发展迅速的一种非破坏性检测方法，激光照射被测件，如果被测件存在微小缺陷，微缺陷将会形成散射中心，从而引发散射光，记录光的散射图样，就可得到缺陷的图像，从而可推断内部缺陷的分布[5]。

本文基于激光散射原理的非坏性检测方法，采用五波长共聚焦显微镜对研磨后的零件表面进行亚表层损伤检测。

基金项目：陕西省教育厅项目（08JZ30，09JK487）图1：亚表层损伤示意图2.基于激光散射的测量原理2.1 激光散射光散射是指光线通过不均匀的介质而偏离其原来的传播方向，散开到所有方向的现象[6]。

如图2所示，看到一束光入射到某介质后，后向散射光按照散射次数和角度，可以分为四部分。

第一部分光为单次散射光，它只在介质中散射了一次，而且带有丰富的散射点信息；第二部分光的最大特点是散射光远离了入射方向；第三部分光虽然只散射了一次，但是它穿透了其他的物体，导致它的相位信息被严重干扰；第四部分光为多次散射光，但是它的后向散射角却很小。

这几部分光在一定程度上都反映了被照射介质的内部信息，其中第一部分光的信息最为丰富和完全，第四部分光是影响图像对比度的主要因素，因为它经过多次散射，然后进入了接收系统，第三部分光也影响对比度，第二部分光是漫反射光。

如果要对被照射介质的内部细节成像，最好是能采集到第一部分光，但是这种光比较微弱，并且所能探测的深度有限。

因为越往介质深处，单次散射发生的几率就越小，为了提高对第一部分光的应用效率，就要想办法把其它部分的光去掉。

可以明显的看出图2中第二部分光的出射位置离入射光斑比较远，出射角度远离了入射光的方向，在这样的情况下，只有限制接收光的位置，或者限制接收光的角度，就可以把第二部分离轴出射光去掉。

2.2共聚焦显微成像共聚焦显微系统是一种应用极为广泛的成像工具。

在结构上与普通的光学显微镜相比最主要特点是采用了点探测器，也就是在采集光路中放置了一个共聚焦针孔，用来限制离轴光的进入。

如图3所示，共聚焦显微镜中共焦光路（实线）和离焦光路（虚线），可以看到，只有共焦面上的光才能全部通过共聚焦针孔，而离焦面的光大部分都被共聚焦针孔挡住了。

共聚焦系统能够抑制共焦点以外的光线进入探测器的感光面，因而提高了系统的分辨率。

图2：光波在介质中的散射类型图3：共聚焦显微系统中共焦光路和离焦光路2.3基于激光散射的共聚焦测量原理实验采用日本lasertec 公司OPTELICS S130五波长共聚焦显微镜作为检测设备，其光学原理示意图见图4。

共聚焦显微镜利用放置在光源后的照明针孔S 和放置在检测器前的探测针孔P 实现点照明和点探测，来自光源的光通过照明针孔发射出的光聚焦在样品焦平面O 点上，该点所发出的光成像在探测针孔内，该点以外的任何发射光均被针孔阻挡。

照明针孔S 与探测针孔P 对被探测点O 来说是共轭的，因此被探测点O 即就是共焦点，被探测点所在的平面即为共焦平面。

通过探测针孔P 的光信号被光接收系统捕获后，转化为电信号输送至电脑，在屏幕上呈现为清晰的整幅焦平面图像。

通过计算机数据处理，可以得到被测试件的三维立体图和数据图。

图4：共聚焦显微系统原理图3.试件制备与实验测量3.1试件制备试件材料为石英玻璃毛坯，直径15mm ，厚度5mm ，共九片。

使用陕西省薄膜与光学检测重点实验室Jp350D 型综合加工机床，完成从毛坯到成品的整个工序，加工过程中金刚砂磨料粒度分别为W40、W20和W7。

具体的加工步骤如下：（1）首先用弹性上盘方法将实验用的九片毛坯玻璃上盘，形成加工镜盘；（2）对这九片毛坯玻璃镜盘进行粗磨，使用的磨料为W40的金刚砂，加工时间为20分钟；取出其中的三片并标记为1、2、3号，（3）清洗加工机床；对剩余的六片零件使用W20的金刚砂继续磨削20分钟，再取出其中的三片并标记为4、5、6号；（4）清洗加工机床，对剩余的三片用W7的金刚砂继续研磨20分钟，最后标记为7、8、9号；（5）用弹性上盘方法把磨削好的九个零件同时进行抛光，抛光时间为60分钟；（6）下盘、清洗并储存，用以后续测量；3.2测试过程：1．首先在载物台上放置标准调试片，选择20×显微镜，对标准零件表面进行聚焦，当计算机上出现清晰图像时，选择在共聚焦情况下进行仪器水平调试；2．水平调试完成后，开始进行零件表面测量。

由于零件表面的加工工艺有区别，所以可以分别选用不同放大倍率的显微镜和不同的波段进行测量。

当计算机屏幕上出现清晰图像时，选择在共聚焦情况下进行测量，根据测量目的不同，选择不同的测量范围；3．每个零件表面的测量项目是一致的，所以分别对每个零件表面进行相应的测量，得到零件表面的粗糙度信息、三维立体图和纵向数据图等。

通过随机附带的LM eye Software Manualf分析软件，可以得到被测零件表面的粗糙度和亚表层损伤情况。

4.测量结果及分析4.1从表面粗糙度预测亚表层损伤深度因为试件制备过程采用了3种不同的加工工艺，每一组的加工过程选用的研磨砂磨粒直径不同，按照文献[7]所述，脆性材料在加工过程中，试件的表面粗糙度和磨粒直径有着密切的关系，即表面粗糙度随着磨粒直径的增加而线性增加。

表1：零件表面粗糙度数据序号零件表面1 零件表面4 零件表面7Ra（um）8.91 5.859 1.069 Rv（um）125.743 80.042 22.032 表1是3类零件表面表面粗糙度数据，图5~图7是零件1、4、7的表面粗糙度的共焦图像。

根据图表的数据分析，零件1的Ra（轮廓的算术平均偏差）值是8.91，且表面粗糙度最为明显；零件4的Ra值是5.859，表面粗糙度没有零件1明显；零件表面7的Ra值是1.069，表面粗糙度很小，不仔细观察，是很难发现的。

上述结论与文献[7]得出的结论是一致的。

图5：零件1表面粗糙度图6：零件4表面粗糙度图7：零件7表面粗糙度国防科技大学提出通过测量光学表面粗糙度来预测亚表层损伤，称为亚表层损伤/表面粗糙度（SSD/SR）比例模型预测预报法。

在这个方法中，亚表层损伤深度与表面粗糙度成单调递增的非线性关系（SSD~SR4/3）。

就是说通过观察和测量零件表面的表面粗糙度就可以估算出零件表面的亚表层损伤深度。

根据（SSD~SR4/3）方法来预测，那么零件1的亚表层损伤深度是最大的，零件7的亚表层损伤深度是最小的。

4.２亚表层损伤深度分析按照亚表层损伤/表面粗糙度（SSD/SR）比例模型预测预报法，零件1的亚表层损伤深度应该是最大的，零件7的亚表层损伤深度是最小的，零件4的亚表层损伤深度介于零件1和零件7直间。

图8~图10是零件1、4、7的三维立体图和纵向数据图，每幅图都呈现出从表面位置往下裂纹逐渐降低，并且裂纹密度也逐渐减小。

图8a中裂纹很密，100nm左右的裂纹居多，从表面位置往下裂纹的长度在逐渐减小，并且裂纹密度也在减小，图8b纵向数据图中，裂纹比较宽，其中最长的裂纹约有200nm；图9a中零件4的的裂纹深度大约为75nm左右，从表面位置往下裂纹的长度在逐渐减小，并且裂纹密度也在减小，与图8a中的零件1比较，裂纹的宽度有所降低。

图9b纵向数据图中显示，从表面以下25nm左右的裂纹是一条直线，而75nm左右的裂纹就比较的宽了，其中最长的裂纹约有100nm；图10a可以看出零件7的裂纹深度为10nm左右，还存在少数裂纹深度为30nm左右的条纹,图10b纵向数据图中从表面位置往下裂纹的密度在减小，图中最长裂纹有30nm左右。

分析以上测量数据得出：零件1的亚表层损伤深度（200nm），零件4的亚表层损伤深度（100nm）；零件7的亚表层损伤深度（30nm）；通过以上比较，可以说明五波长共聚焦显微镜测量得到的亚表层损伤深度和SSD/SR比例模型预测预报法得到的结果是一致的。

图8a：零件表面1的三维立体图 图8b：零件表面1的纵向数据图图9a：零件表面1的三维立体图 图9b：零件表面1的纵向数据图图10a：零件表面1的三维立体图图10b：零件表面1的纵向数据图5.结论本文利用五波长共聚焦显微镜测量研磨加工过程中引入的亚表层损伤。

从实验得到的图像中分析了加工过程中磨料直径大小和表面粗糙度之间的关系、以及被测零件表面的表面粗糙度与亚表层损伤深度之间的关系。

得到如下结论：1．验证了在同样的加工工艺条件下，光学零件加工过程中研磨磨粒直径的大小对加工试件的表面粗糙度的影响，且加工试件的表面粗糙度和磨粒直径成一定的比例关系；验证了SSD/SR比例模型预测预报法，即光学零件的表面粗糙度越大，亚表层损伤深度越深。