1 Definicja i przyczyny uszkodzeń podpowierzchniowych
Uszkodzenia podpowierzchniowe elementów optycznych (SSD, uszkodzenia podpowierzchniowe) są zwykle wymieniane w zastosowaniach optycznych o wysokiej precyzji, takich jak intensywne systemy laserowe i maszyny litograficzne, a ich istnienie ogranicza dokładność końcowego przetwarzania elementów optycznych i dodatkowo wpływa na obrazowanie wydajności układów optycznych, dlatego należy poświęcić mu odpowiednią uwagę. Uszkodzenia podpowierzchniowe charakteryzują się zazwyczaj pęknięciami wewnątrz powierzchni elementu i wewnętrznych warstw naprężeniowych, które są spowodowane resztkową fragmentacją i deformacją składu materiału w najbliższej powierzchni. Model uszkodzeń podpowierzchniowych przedstawiono w następujący sposób: górną warstwę stanowi wypolerowana warstwa osadu, następnie warstwę z defektem pęknięć i warstwę odkształceń naprężeniowych stanowią warstwę dolną, a warstwa materiału bez uszkodzeń jest warstwą najbardziej wewnętrzną. Wśród nich warstwa defektów pęknięć i warstwa odkształceń naprężeniowych to uszkodzenia podpowierzchniowe.
Model uszkodzeń podpowierzchniowych materiałów optycznych
Elementy optyczne materiału to na ogół szkło, ceramika i inne twarde i kruche materiały, na wczesnym etapie przetwarzania komponentów muszą przejść przez procesy frezowania, drobnego szlifowania i zgrubnego polerowania, w tych procesach występuje szlifowanie mechaniczne i reakcje chemiczne i odgrywać rolę. Narzędzie ścierne lub ścierne stykające się z powierzchnią elementu charakteryzuje się nierównomierną wielkością cząstek, a siła każdego punktu styku z powierzchnią elementu nie jest jednolita, dlatego warstwa wypukła i wklęsła oraz wewnętrzna warstwa pęknięć będą być produkowane na szklanej powierzchni. Materiał obecny w popękanej warstwie to element, który pękł w procesie szlifowania, ale nie spadł z powierzchni, w związku z czym powstaną uszkodzenia podpowierzchniowe. Niezależnie od tego, czy będzie to szlifowanie ścierne luźnych cząstek, czy szlifowanie CNC, zjawisko to ukształtuje się na powierzchni materiału. Rzeczywisty skutek uszkodzeń podpowierzchniowych przedstawiono na poniższym rysunku:
Renderowanie uszkodzeń podpowierzchniowych
2 Metody pomiaru uszkodzeń podpowierzchniowych
Ponieważ nie można ignorować uszkodzeń podpowierzchniowych, producenci komponentów optycznych muszą je skutecznie kontrolować. Aby skutecznie to kontrolować, konieczne jest dokładne zidentyfikowanie i wykrycie wielkości uszkodzeń podpowierzchniowych na powierzchni elementu, ponieważ od początku ubiegłego wieku ludzie opracowali różnorodne metody pomiaru i oceny wielkości uszkodzeń podpowierzchniowych elementu, zgodnie ze sposobem stopnia oddziaływania na element optyczny, można je podzielić na dwie kategorie: pomiary niszczące i pomiary nieniszczące (badania nieniszczące).
Metoda pomiaru niszczącego, jak sama nazwa wskazuje, polega na konieczności zmiany struktury powierzchni elementu optycznego, tak aby można było ujawnić trudne do zaobserwowania uszkodzenia podpowierzchniowe, a następnie obserwacji za pomocą mikroskopu i innych przyrządów. metoda pomiaru, metoda ta jest zwykle czasochłonna, ale jej wyniki pomiarów są wiarygodne i dokładne. Nieniszczące metody pomiarowe, które nie powodują dodatkowych uszkodzeń powierzchni elementu, wykorzystują światło, dźwięk lub inne fale elektromagnetyczne do wykrycia warstwy uszkodzeń podpowierzchniowych i wykorzystują wielkość zmian właściwości, jakie zachodzą w warstwie, do oceny wielkości SSD, takie metody są stosunkowo wygodne i szybkie, ale zwykle są to obserwacje jakościowe. Zgodnie z tą klasyfikacją, obecne metody wykrywania uszkodzeń podpowierzchniowych przedstawiono na poniższym rysunku:
Klasyfikacja i podsumowanie metod wykrywania uszkodzeń podpowierzchniowych
Poniżej znajduje się krótki opis tych metod pomiaru:
A. Metody destrukcyjne
a) Metoda polerowania
Przed pojawieniem się polerowania magnetoreologicznego pracownicy optyczni zwykle stosowali polerowanie stożkowe do analizy uszkodzeń podpowierzchniowych elementów optycznych, to znaczy przecinania powierzchni optycznej wzdłuż ukośnego kąta w celu utworzenia ukośnej powierzchni wewnętrznej, a następnie polerowania ukośnej powierzchni. Powszechnie uważa się, że polerowanie nie pogłębi pierwotnych uszkodzeń podpowierzchniowych. Pęknięcia warstwy SSD będą bardziej widoczne poprzez korozję zanurzeniową z odczynnikami chemicznymi. Głębokość, długość i inne informacje o podpowierzchniowej warstwie uszkodzeń można zmierzyć poprzez obserwację optyczną nachylonej powierzchni po zanurzeniu. Później naukowcy wymyślili metodę Ball Dimpling (Ball dimpling), która polega na użyciu sferycznego narzędzia polerskiego do wypolerowania powierzchni po szlifowaniu, wyrzuceniu wgłębienia, głębokość wgłębienia musi być jak najgłębsza, aby analiza boku wykopu może uzyskać informacje o uszkodzeniach podpowierzchniowych pierwotnej powierzchni.
Powszechne metody wykrywania uszkodzeń podpowierzchniowych elementów optycznych
Polerowanie magnetoreologiczne (MRF) to technika wykorzystująca pasek płynu magnetycznego do polerowania elementów optycznych, co różni się od tradycyjnego polerowania asfaltu/poliuretanu. W tradycyjnej metodzie polerowania narzędzie polerskie zwykle wywiera dużą siłę normalną na powierzchnię optyczną, podczas gdy Mr Polishing usuwa powierzchnię optyczną w kierunku stycznym, więc Mr Polishing nie zmienia pierwotnej charakterystyki uszkodzeń podpowierzchniowych powierzchni optycznej. Dlatego Mr Polishing można stosować do polerowania rowków na powierzchni optycznej. Następnie analizuje się obszar polerowania w celu oceny wielkości uszkodzeń podpowierzchniowych oryginalnej powierzchni optycznej.
a) Metoda klejenia blokowego
Metodę tę zastosowano również do badania uszkodzeń podpowierzchniowych. W rzeczywistości wybierz kwadratową próbkę o tym samym kształcie i materiale, wypoleruj dwie powierzchnie próbki, a następnie użyj kleju, aby skleić ze sobą dwie wypolerowane powierzchnie próbki, a następnie zeszlifuj boki dwóch próbek w tym samym czas. Po zmieleniu dwie kwadratowe próbki oddziela się odczynnikami chemicznymi. Wielkość uszkodzeń podpowierzchniowych powstałych na skutek szlifowania można ocenić obserwując pod mikroskopem wydzieloną polerowaną powierzchnię. Schemat procesu metody jest następujący:
Schemat ideowy wykrywania uszkodzeń podpowierzchniowych metodą klejenia blokowego
Metoda ta ma pewne ograniczenia. Ze względu na lepką powierzchnię stan lepkiej powierzchni może nie odzwierciedlać w pełni rzeczywistych uszkodzeń podpowierzchniowych materiału po szlifowaniu, dlatego wyniki pomiarów mogą jedynie w pewnym stopniu odzwierciedlać sytuację w przypadku dysku SSD.
a) Trawienie chemiczne
W metodzie tej wykorzystuje się odpowiednie środki chemiczne, które powodują erozję uszkodzonej warstwy powierzchni optycznej. Po zakończeniu procesu erozji ocenia się uszkodzenia podpowierzchniowe na podstawie kształtu i chropowatości powierzchni elementu oraz zmiany wskaźnika szybkości erozji. Powszechnie stosowanymi odczynnikami chemicznymi są kwas fluorowodorowy (HF), fluorowodór amonu (NH4HF) i inne środki żrące.
b) Metoda przekroju
Próbkę rozcina się i za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego bezpośrednio obserwuje się wielkość uszkodzeń podpowierzchniowych.
c) Metoda impregnacji barwnikiem
Ponieważ warstwa powierzchniowa szlifowanego elementu optycznego zawiera dużą liczbę mikropęknięć, w materiał można wcisnąć barwniki, które mogą tworzyć kontrast barwny z podłożem optycznym lub kontrast z podłożem. Jeśli podłoże składa się z ciemnego materiału, można zastosować barwniki fluorescencyjne. Uszkodzenia podpowierzchniowe można następnie łatwo sprawdzić optycznie lub elektronicznie. Ponieważ pęknięcia są zwykle bardzo drobne i znajdują się wewnątrz materiału, gdy głębokość wnikania barwnika nie jest wystarczająca, może nie odzwierciedlać prawdziwej głębokości mikropęknięcia. W celu jak najdokładniejszego uzyskania głębokości pęknięć zaproponowano szereg metod impregnacji barwników: wstępne prasowanie mechaniczne i prasowanie izostatyczne na zimno oraz zastosowanie mikroanalizy z sondą elektronową (EPMA) do wykrywania śladów barwnika w bardzo niskich stężeniach.
B, metody nieniszczące
a) Metoda szacowania
Metoda szacunkowa pozwala głównie na oszacowanie głębokości uszkodzeń podpowierzchniowych w zależności od wielkości cząstek materiału ściernego i wielkości chropowatości powierzchni elementu. Badacze posługują się dużą liczbą testów w celu ustalenia odpowiedniej zależności między wielkością cząstek materiału ściernego a głębokością uszkodzeń podpowierzchniowych, a także tabelą dopasowań pomiędzy wielkością chropowatości powierzchni elementu a podłożem. uszkodzenia powierzchni. Uszkodzenia podpowierzchniowe powierzchni bieżącego elementu można oszacować na podstawie ich odpowiedników.
b) Optyczna tomografia koherentna (OCT)
Optyczna tomografia koherentna, której podstawową zasadą jest interferencja Michelsona, ocenia mierzone informacje poprzez sygnały interferencyjne dwóch wiązek światła. Technika ta jest powszechnie stosowana do obserwacji tkanek biologicznych i tomografii przekrojowej struktury podpowierzchniowej tkanki. W przypadku stosowania techniki OCT do obserwacji podpowierzchniowych uszkodzeń powierzchni optycznej, w celu uzyskania rzeczywistej głębokości pęknięcia należy uwzględnić parametr współczynnika załamania światła mierzonej próbki. Według doniesień metoda umożliwia wykrywanie defektów na głębokości 500 μm z rozdzielczością pionową lepszą niż 20 μm. Jednakże, gdy jest używany do wykrywania materiałów optycznych przez SSD, światło odbite od warstwy SSD jest stosunkowo słabe, więc trudno jest wytworzyć zakłócenia. Ponadto rozproszenie powierzchniowe będzie również miało wpływ na wyniki pomiarów, a dokładność pomiaru wymaga poprawy.
c) Metoda rozpraszania lasera
Szeroko badano również naświetlanie laserem powierzchni fotometrycznej, wykorzystując właściwości rozpraszające lasera do oceny wielkości uszkodzeń podpowierzchniowych. Typowe obejmują mikroskopię całkowitego wewnętrznego odbicia (TIRM), konfokalną laserową mikroskopię skaningową (CLSM) i mikroskopię konfokalną z przecinającą się polaryzacją (CPCM). mikroskopia konfokalna z polaryzacją krzyżową itp.
d) Skaningowy mikroskop akustyczny
Skaningowa mikroskopia akustyczna (SAM), jako metoda wykrywania ultradźwiękowego, jest metodą badań nieniszczących, szeroko stosowaną do wykrywania defektów wewnętrznych. Metodę tę zwykle stosuje się do pomiaru próbek o gładkich powierzchniach. Gdy powierzchnia próbki jest bardzo chropowata, dokładność pomiaru zostanie zmniejszona ze względu na wpływ fal rozproszonych na powierzchni.
3 Metody kontroli uszkodzeń podpowierzchniowych
Naszym ostatecznym celem jest skuteczna kontrola uszkodzeń podpowierzchniowych elementów optycznych i uzyskanie komponentów, które całkowicie usuwają dyski SSD. W normalnych warunkach głębokość uszkodzeń podpowierzchniowych jest proporcjonalna do wielkości cząstek ściernych, im mniejszy jest rozmiar cząstek ścierniwa, tym płytsze są uszkodzenia podpowierzchniowe, dlatego poprzez zmniejszenie ziarnistości szlifowania i w pełni Szlifowanie pozwala skutecznie poprawić stopień uszkodzeń podpowierzchniowych. Schemat przetwarzania etapowej kontroli uszkodzeń podpowierzchniowych przedstawiono na poniższym rysunku:
Uszkodzenia podpowierzchniowe są kontrolowane etapowo
Pierwszy etap szlifowania całkowicie usunie uszkodzenia podpowierzchniowe na pustej powierzchni i wytworzy na tym etapie nowe podłoże, natomiast w drugim etapie szlifowania konieczne jest usunięcie dysku SSD powstałego w pierwszym etapie i wytworzenie nowych uszkodzeń podpowierzchniowych ponownie, przetwarzając po kolei i kontrolując wielkość cząstek i czystość ścierniwa, i ostatecznie uzyskaj oczekiwaną powierzchnię optyczną. Jest to również strategia przetwarzania, którą stosuje się w produkcji elementów optycznych od setek lat.
Ponadto po procesie szlifowania wytrawianie powierzchni elementu może skutecznie usunąć uszkodzenia podpowierzchniowe, poprawiając w ten sposób jakość powierzchni i poprawiając wydajność obróbki.
Kontakt:
Email:jasmine@pliroptics.com ;
Telefon/Whatsapp/Wechat: 86 19013265659
sieć:www.pliroptics.com
Dodaj:Budynek 1, nr 1558, droga wywiadowcza, Qingbaijiang, Chengdu, Syczuan, Chiny
Czas publikacji: 18 kwietnia 2024 r
