一种检测球面光学元件亚表面损伤程度表征参数的方法

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。

主权项

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面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、微裂纹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；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光学元件的曲率半径R，以及图像处理得到的W、S，根据下式：$cos{\partial }_w=d_w/2R---\left(1\right)$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：${R_w}^2=R^2+W^2-2WR\cos {\partial }_w---\left(2\right)$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 {\partial }_s=-\cos (\pi -{\partial }_s)---\left(4\right)$$\cos (\pi -{\partial }_s)=({R_w}^2+W^2-R^2)/2R_{w}W---\left(5\right)$$R_s^2=R_w^2+S^2-2{\mathrm{SR}}_{w}cos{\partial }_s---\left(6\right)$式中为亚表面损伤层的外周线与球心围成的锥面的底角；R_s为环形截面上亚表面损伤层内径到球心的距离；将式(3)、(5)带入式(6)，得到该球面光学元件的亚表面损伤层厚度d_ssd，d_ssd＝R_w‑R_s，由式(3),得到亚表面损伤层的深度h_ssd,h_ssd＝R‑R_w；通过R、W、AB及θ，按照抛光后环形截面的平面几何关系有：d_w/2‑W＝OAOB²＝OA²+AB²‑2×OA×ABcosθ   (7)即可求得微裂纹在环形截面上的径向长度：S_crack＝OA‑OB；其中，OA和OB分别代表微裂纹的两个端点A和B到抛光后剖面圆心O的距离；按照抛光后环形截面与球面光学元件的几何关系有：$R_{crack}^2=R_w^2+S_{crack}^2-2{\mathrm{WS}}_{crack}cos{\partial }_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。