1 Definition und Ursachen von Untergrundschäden
Die Beschädigung optischer Komponenten unter der Oberfläche (SSD, Sub-Surface Damage) wird üblicherweise bei hochpräzisen optischen Anwendungen wie intensiven Lasersystemen und Lithografiemaschinen erwähnt und schränkt die endgültige Bearbeitungsgenauigkeit optischer Komponenten ein und beeinträchtigt die Bildgebung weiter Leistung optischer Systeme, daher muss ihm genügend Aufmerksamkeit geschenkt werden.Schäden unter der Oberfläche sind in der Regel durch Risse innerhalb der Oberfläche des Elements und innere Spannungsschichten gekennzeichnet, die durch eine gewisse verbleibende Fragmentierung und Verformung der Materialzusammensetzung im oberflächennahen Bereich verursacht werden.Das Schadensmodell unter der Oberfläche wird wie folgt dargestellt: Die oberste Schicht ist die polierte Sedimentschicht, und dann sind die Rissdefektschicht und die Spannungsverformungsschicht die untere Schicht, und die Materialschicht ohne Beschädigung ist die innerste Schicht.Darunter sind die Rissdefektschicht und die Spannungsverformungsschicht unterirdische Schäden.
Modell der Untergrundschädigung optischer Materialien
Optische Komponenten des Materials sind im Allgemeinen Glas, Keramik und andere harte und spröde Materialien. In der frühen Verarbeitungsphase der Komponenten müssen Fräsform-, Feinschleif- und Grobpolierprozesse durchlaufen werden. Bei diesen Prozessen gibt es mechanisches Schleifen und chemische Reaktionen und eine Rolle spielen.Das Schleifmittel oder Schleifwerkzeug, das mit der Oberfläche des Elements in Kontakt kommt, weist die Eigenschaften einer ungleichmäßigen Partikelgröße auf, und die Kraft jedes Kontaktpunkts auf der Oberfläche des Elements ist nicht gleichmäßig, so dass die konvexe und konkave Schicht sowie die innere Rissschicht entstehen auf der Glasoberfläche erzeugt werden.Das in der Rissschicht vorhandene Material ist das Bauteil, das während des Schleifvorgangs zerbrochen ist, aber nicht von der Oberfläche abgefallen ist, so dass sich Schäden unter der Oberfläche bilden.Unabhängig davon, ob es sich um das Schleifschleifen loser Partikel oder um das CNC-Schleifen handelt, bildet sich dieses Phänomen auf der Oberfläche des Materials.Die tatsächliche Auswirkung von Schäden unter der Oberfläche ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Darstellung von Schäden unter der Oberfläche
2 Methoden zur Messung von Schäden unter der Oberfläche
Da Schäden unter der Oberfläche nicht ignoriert werden können, müssen sie von den Herstellern optischer Komponenten wirksam kontrolliert werden.Für eine wirksame Kontrolle ist es notwendig, die Größe des Untergrundschadens auf der Oberfläche des Bauteils genau zu identifizieren und zu erkennen. Seit Anfang des letzten Jahrhunderts wurden verschiedene Methoden zur Messung und Bewertung der Größe entwickelt Der Untergrundschaden des Bauteils lässt sich je nach Art des Einflussgrades auf das optische Bauteil in zwei Kategorien einteilen: zerstörende Messung und zerstörungsfreie Messung (zerstörungsfreie Prüfung).
Bei der destruktiven Messmethode besteht, wie der Name schon sagt, darin, die Oberflächenstruktur des optischen Elements zu ändern, damit der nicht leicht zu beobachtende Schaden unter der Oberfläche aufgedeckt werden kann, und dann ein Mikroskop und andere Instrumente zur Beobachtung zu verwenden Diese Methode ist in der Regel zeitaufwändig, liefert aber zuverlässige und genaue Messergebnisse.Bei zerstörungsfreien Messverfahren, die keinen zusätzlichen Schaden an der Bauteiloberfläche verursachen, wird die Schadensschicht unter der Oberfläche mithilfe von Licht, Schall oder anderen elektromagnetischen Wellen erfasst und anhand des Ausmaßes der in der Schicht auftretenden Eigenschaftsänderungen deren Größe beurteilt Bei der SSD sind solche Methoden relativ bequem und schnell, aber in der Regel eine qualitative Beobachtung.Gemäß dieser Klassifizierung sind die aktuellen Erkennungsmethoden für unterirdische Schäden in der folgenden Abbildung dargestellt:
Klassifizierung und Zusammenfassung der Methoden zur Erkennung von Schäden unter der Oberfläche
Es folgt eine kurze Beschreibung dieser Messmethoden:
A. Destruktive Methoden
a) Poliermethode
Vor dem Aufkommen des magnetorheologischen Polierens verwendeten Optiker üblicherweise das Kegelpolieren, um die Beschädigung optischer Komponenten unter der Oberfläche zu analysieren, d.Es wird allgemein davon ausgegangen, dass das Polieren den ursprünglichen Schaden unter der Oberfläche nicht verschlimmert.Die Risse der SSD-Schicht werden durch die Tauchkorrosion mit chemischen Reagenzien deutlicher sichtbar.Die Tiefe, Länge und andere Informationen der unterirdischen Schadensschicht können durch optische Beobachtung der geneigten Oberfläche nach dem Eintauchen gemessen werden.Später erfanden Wissenschaftler die Ball-Dimple-Methode (Ball-Dimple-Methode), bei der ein sphärisches Polierwerkzeug verwendet wird, um die Oberfläche nach dem Schleifen zu polieren und eine Grube herauszuwerfen. Die Tiefe der Grube muss so tief wie möglich sein, damit die Analyse durchgeführt werden kann B. der Seite der Grube, können Informationen über Schäden unter der Oberfläche der ursprünglichen Oberfläche erhalten.
Gängige Methoden zur Erkennung von Schäden unter der Oberfläche optischer Elemente
Magnetorheologisches Polieren (MRF) ist eine Technik, bei der ein magnetischer Flüssigkeitsstreifen zum Polieren optischer Komponenten verwendet wird, was sich vom herkömmlichen Polieren von Asphalt/Polyurethan unterscheidet.Bei der herkömmlichen Poliermethode übt das Polierwerkzeug normalerweise eine große Normalkraft auf die optische Oberfläche aus, während Mr Polishing die optische Oberfläche in tangentialer Richtung abträgt, sodass Mr Polishing die ursprünglichen Schadenseigenschaften der optischen Oberfläche unter der Oberfläche nicht verändert.Daher kann Mr Polishing zum Polieren einer Rille auf der optischen Oberfläche verwendet werden.Anschließend wird der Polierbereich analysiert, um die Größe des Schadens unter der Oberfläche der ursprünglichen optischen Oberfläche zu ermitteln.
a) Blockklebemethode
Diese Methode wurde auch verwendet, um Schäden unter der Oberfläche zu testen.Wählen Sie tatsächlich eine quadratische Probe mit derselben Form und demselben Material aus, polieren Sie die beiden Oberflächen der Probe, kleben Sie dann die beiden polierten Oberflächen der Probe mit Klebstoff zusammen und schleifen Sie dann gleichzeitig die Seiten der beiden Proben zusammen Zeit.Nach dem Mahlen werden chemische Reagenzien verwendet, um die beiden quadratischen Proben zu trennen.Die Größe des durch den Schleifvorgang verursachten Schadens unter der Oberfläche kann durch Beobachtung der abgetrennten polierten Oberfläche mit einem Mikroskop beurteilt werden.Das schematische Prozessdiagramm der Methode sieht wie folgt aus:
Schematische Darstellung der Erkennung von Schäden unter der Oberfläche mittels der Blockklebemethode
Diese Methode weist bestimmte Einschränkungen auf.Da es sich um eine klebrige Oberfläche handelt, spiegelt die Situation der klebrigen Oberfläche möglicherweise nicht vollständig den tatsächlichen Schaden unter der Oberfläche im Material nach dem Schleifen wider, sodass die Messergebnisse die SSD-Situation nur bis zu einem gewissen Grad widerspiegeln können.
a) Chemisches Ätzen
Das Verfahren nutzt geeignete chemische Mittel, um die beschädigte Schicht der optischen Oberfläche zu erodieren.Nach Abschluss des Erosionsprozesses wird der Untergrundschaden anhand der Oberflächenform und Rauheit der Bauteiloberfläche sowie der Indexänderung der Erosionsrate bewertet.Häufig verwendete chemische Reagenzien sind Flusssäure (HF), Ammoniumhydrogenfluorid (NH4HF) und andere korrosive Stoffe.
b) Querschnittsmethode
Die Probe wird zerlegt und mit einem Rasterelektronenmikroskop wird die Größe des Schadens unter der Oberfläche direkt beobachtet.
c) Farbstoffimprägnierungsmethode
Da die Oberflächenschicht des geschliffenen optischen Elements eine große Anzahl von Mikrorissen enthält, können Farbstoffe, die einen Farbkontrast zum optischen Substrat bilden oder einen Kontrast zum Substrat bilden können, in das Material eingepresst werden.Besteht der Untergrund aus einem dunklen Material, können fluoreszierende Farbstoffe verwendet werden.Untergrundschäden können dann einfach optisch oder elektronisch überprüft werden.Da die Risse in der Regel sehr fein sind und sich innerhalb des Materials befinden, kann es sein, dass die Eindringtiefe der Farbstoffeindringung nicht die wahre Tiefe des Mikrorisses darstellt, wenn sie nicht ausreicht.Um die Risstiefe möglichst genau zu ermitteln, wurden verschiedene Methoden zum Imprägnieren von Farbstoffen vorgeschlagen: mechanisches Vorpressen und kaltisostatisches Pressen sowie die Verwendung der Elektronenstrahlmikroanalyse (EPMA) zum Nachweis von Farbstoffspuren in sehr geringen Konzentrationen.
B, zerstörungsfreie Methoden
a) Schätzmethode
Die Schätzmethode schätzt hauptsächlich die Tiefe der Beschädigung unter der Oberfläche anhand der Größe der Partikelgröße des Schleifmaterials und der Größe der Oberflächenrauheit des Bauteils.Mithilfe einer Vielzahl von Tests ermitteln Forscher den entsprechenden Zusammenhang zwischen der Partikelgröße des Schleifmittels und der Tiefe des Schadens unter der Oberfläche sowie die entsprechende Tabelle zwischen der Größe der Oberflächenrauheit des Bauteils und des Untergrunds. Oberflächenschäden.Anhand ihrer Korrespondenz lässt sich die Untergrundschädigung der aktuellen Bauteiloberfläche abschätzen.
b) Optische Kohärenztomographie (OCT)
Die optische Kohärenztomographie, deren Grundprinzip die Michelson-Interferenz ist, wertet die gemessenen Informationen durch die Interferenzsignale zweier Lichtstrahlen aus.Diese Technik wird üblicherweise zur Beobachtung biologischer Gewebe und zur Erstellung einer Querschnittstomographie der Untergrundstruktur des Gewebes verwendet.Wenn die OCT-Technik zur Beobachtung der Beschädigung einer optischen Oberfläche unter der Oberfläche verwendet wird, muss der Brechungsindexparameter der gemessenen Probe berücksichtigt werden, um die tatsächliche Risstiefe zu ermitteln.Berichten zufolge kann die Methode Defekte in einer Tiefe von 500 μm mit einer vertikalen Auflösung von besser als 20 μm erkennen.Wenn es jedoch zur SSD-Erkennung optischer Materialien verwendet wird, ist das von der SSD-Schicht reflektierte Licht relativ schwach, sodass es schwierig ist, Interferenzen zu bilden.Darüber hinaus wirkt sich auch die Oberflächenstreuung auf die Messergebnisse aus und die Messgenauigkeit muss verbessert werden.
c) Laserstreumethode
Auch die Laserbestrahlung der photometrischen Oberfläche, bei der die Streueigenschaften des Lasers zur Beurteilung der Größe des Schadens unter der Oberfläche genutzt werden, wurde eingehend untersucht.Zu den gebräuchlichsten gehören die Total Internal Refection Microscopy (TIRM), die konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) und die intersecting polarization confocal microscopy (CPCM).Konfokale Kreuzpolarisationsmikroskopie usw.
d) Rasterakustisches Mikroskop
Die akustische Rastermikroskopie (SAM) ist als Ultraschallerkennungsmethode eine zerstörungsfreie Prüfmethode, die häufig zur Erkennung interner Defekte eingesetzt wird.Diese Methode wird üblicherweise zur Messung von Proben mit glatten Oberflächen verwendet.Wenn die Oberfläche der Probe sehr rau ist, verringert sich die Messgenauigkeit aufgrund des Einflusses von Oberflächenstreuwellen.
3 Methoden zur Schadensbegrenzung unter der Oberfläche
Unser oberstes Ziel ist es, die Beschädigung optischer Komponenten unter der Oberfläche wirksam zu kontrollieren und Komponenten zu erhalten, die SSDS vollständig entfernen.Unter normalen Umständen ist die Tiefe der Beschädigung unter der Oberfläche proportional zur Größe der Schleifpartikelgröße. Je kleiner die Partikelgröße des Schleifmittels ist, desto flacher ist die Beschädigung unter der Oberfläche, wodurch die Körnigkeit des Schleifens verringert wird, und zwar vollständig Durch Schleifen können Sie den Grad der Schädigung unterhalb der Oberfläche effektiv verbessern.Das Verarbeitungsdiagramm zur stufenweisen Schadensbegrenzung unter der Oberfläche ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
Untergrundschäden werden stufenweise kontrolliert
In der ersten Schleifstufe wird der Untergrundschaden auf der Rohlingsoberfläche vollständig entfernt und in dieser Stufe ein neuer Untergrund erzeugt. In der zweiten Schleifstufe ist es dann erforderlich, die in der ersten Stufe entstandene SSD zu entfernen und neue Untergrundschäden zu erzeugen Wiederum verarbeiten und kontrollieren Sie die Partikelgröße und Reinheit des Schleifmittels und erhalten Sie schließlich die erwartete optische Oberfläche.Dies ist auch die Verarbeitungsstrategie, die die optische Fertigung seit Hunderten von Jahren verfolgt.
Darüber hinaus kann nach dem Schleifprozess durch Beizen der Oberfläche des Bauteils der Schaden unter der Oberfläche effektiv entfernt werden, wodurch die Oberflächenqualität verbessert und die Bearbeitungseffizienz verbessert wird.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 18. April 2024
