研磨石英玻璃亞表面損傷三維重構(gòu)方法

馬 浩，呂啟鑫，白 倩

（大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室，遼寧大連 116024）

0 引言

石英玻璃憑借著透光性好、耐高溫、化學性能穩(wěn)定等特點，在光通訊、航空航天、半導體等領(lǐng)域得到了廣泛應用[1]。隨著科技的發(fā)展，對于其亞表面質(zhì)量也提出了更高的要求。石英玻璃在研磨加工過程中引入亞表面損傷，而這些損傷的存在影響石英玻璃的成像質(zhì)量、鍍膜質(zhì)量、使用壽命等，也直接決定了下一步工序的去除量和加工效率[2]?？焖贉蚀_地檢測研磨加工過程中引入的亞表面損傷，能夠指導優(yōu)化加工工藝，提高石英玻璃的加工質(zhì)量和加工效率。

目前硬脆材料的亞表面損傷檢測方法主要分為有損檢測方法和無損檢測方法。有損檢測方法是對試樣表面進行部分或全部破壞，直接暴露出亞表面損傷，常用的方法有角度拋光法[3]、橫截面顯微法[4]、磁流變拋光觀測法[5]，恒定化學蝕刻速率法[6]等。無損檢測方法是在不破壞樣品的前提下檢測亞表面損傷，常用方法有偏振激光散射法[7]、光學相干層析法[8]、全內(nèi)反射顯微技術(shù)[9]、掃描超聲檢測法SAM[10]等。以上無損檢測方法僅能定性檢測亞表面損傷，無法給出亞表面損傷的量化細節(jié)信息。采用激光掃描共聚焦顯微鏡直接觀測亞表面損傷是近年發(fā)展起來的一種新的非破壞性檢測手段，檢測精度可達亞微米量級，操作簡單快速，可以定量獲得損傷的細節(jié)信息。田愛玲等[11]利用共聚焦顯微鏡檢測了拋光元件的亞表面損傷，得到了損傷的二維橫截面圖像。王景賀等[12]采用共聚焦顯微鏡檢測了熒光量子點，并分析了熔融石英亞表面層的損傷規(guī)律。目前，對于亞表面損傷的研究主要是針對損傷的二維截面圖，僅能獲得面內(nèi)的損傷形貌等二維信息，缺少對于亞表面損傷三維信息的研究。本文首先研究偏振激光共聚焦方法檢測研磨石英玻璃亞表面損傷的原理，并對研磨石英玻璃的亞表面損傷進行檢測，分析亞表面損傷信號特點，并據(jù)此提出了一種適用于研磨石英玻璃亞表面損傷信號的插值處理算法?；诠簿劢瓜到y(tǒng)特點對亞表面信號進行圖像處理獲取到亞表面損傷分布，利用MIMICS軟件對其進行三維重構(gòu)，定量獲得研磨石英玻璃亞表面損傷的完整三維信息。該方法可為后續(xù)石英玻璃的加工工藝優(yōu)化提供有效檢測手段。

1 檢測原理

偏振激光共聚焦檢測原理如圖1所示，激光器發(fā)射的線偏振光（P光）經(jīng)過偏振分光棱鏡（PBS）照射到材料表面，一部分P光在表面發(fā)生反射以及單次散射，其偏振狀態(tài)不發(fā)生變化，按原光路返回后直接經(jīng)過PBS，不被探測器所接收；而另外一部分P光穿透表面，經(jīng)過亞表面損傷多次散射之后，偏振狀態(tài)發(fā)生改變，變成部分偏振光[13]。亞表面散射光（除P偏振光外）被偏振分光棱鏡（PBS）反射，被系統(tǒng)探測器接收。因此該試驗方法排除了表面反射光及表面散射光的影響，探測器接收的信號反映了亞表面損傷的信息。系統(tǒng)中成像透鏡和顯微物鏡的焦點形成共軛，利用針孔實現(xiàn)點對點檢測，提高了檢測的分辨率。通過精密移動工作臺帶動試樣移動，改變顯微物鏡焦點在試樣中的不同位置，由此可以獲得試樣的亞表面損傷三維信息。

圖1 偏振激光共聚焦系統(tǒng)Fig.1 Schematic diagram of polarization laser confocal system

2 實驗及圖像處理

2.1 實驗準備

根據(jù)本文所述原理，建立了基于偏振激光共聚焦檢測研磨石英玻璃亞表面損傷的裝置，本文激光選取914 nm的偏振激光。顯微物鏡的數(shù)值孔徑為0.7、針孔孔徑為10μm。精密移動平臺選擇高精度三維壓電位移平臺,型號XYZPPS-20，分辨率2 nm。根據(jù)共聚焦理論可知[14]，該系統(tǒng)的徑向分辨率為0.57μm，軸向分辨率為0.70μm。試樣為雙面光學級拋光的JGS1石英玻璃，采用HD-380X研磨機進行研磨，研磨液為金剛石研磨液，磨料粒度為60μm，研磨盤為鑄鐵盤，研磨盤的轉(zhuǎn)速為50 r/min，研磨液流量為20 mL/min，研磨壓力為15 kPa，研磨10 min，研磨結(jié)束后清洗，吹干。

將研磨石英玻璃試樣置于精密移動平臺上，通過LabVIEW控制精密移動平臺移動，在截面內(nèi)進行掃描。而亞表面損傷在深度上的分布影響著石英玻璃的加工工藝，因此如圖2（a）所示，在掃描截面內(nèi)先在z軸方向進行掃描，再在y軸方向進行掃描，獲取到截面上各點的亞表面損傷信號，再對多個截面進行掃描，如圖2（b）所示，得到其亞表面損傷信號在三維空間上的分布。對亞表面損傷信號進行圖像處理及三維重構(gòu)，從而得到亞表面損傷的三維分布。本文中行程I＝100μm，z軸方向掃描步長i＝0.1μm。系統(tǒng)聚焦物鏡的衍射光斑為0.8μm，因此文中y軸掃描步長h＝0.8μm，且圖中H＝0.8μm，截面與截面間距離d＝0.8μm。

圖2 掃描方式Fig.2 Scanningmode

2.2 圖像處理

利用偏振激光共聚焦系統(tǒng)對研磨石英玻璃亞表面損傷進行檢測，獲取到單個截面的亞表面損傷信號分布，如圖3（a）所示，其信號邊緣模糊，為臺階狀，圖像分辨率低。由于在檢測過程中，步長間隔h比較大，缺失采樣信息，造成采樣信息不充分，降低了掃描圖像的分辨率，需要進行圖像處理，來提高掃描圖像的分辨率。內(nèi)插是用已知數(shù)據(jù)來估計未知位置的數(shù)值處理方法，能夠很好地解決掃描圖像分辨率低的問題[15]。利用最近鄰內(nèi)插的算法對圖3（a）進行插值處理，計算出步長間缺失的信息。最近鄰內(nèi)插算法為：

式中：h( 2 m,n)為圖像處理后的像素值；f(m,n)為原圖像的像素值。

在z軸方向掃描時，0.1μm長度采集1個數(shù)據(jù)點，而y軸方向上，0.8μm長度采集1個數(shù)據(jù)點，因此在y軸方向采用最近鄰插值算法插值3次，得到如圖3（b）所示的信號分布圖，可以看出信號分布清晰，邊緣連續(xù)。

圖3 研磨石英玻璃的亞表面損傷信號分布Fig.3 Subsurfacedamagesignal distribution of lapped quartzglass

截面與截面之間距離d=0.8μm，截面間的采樣信息缺失，在三維重構(gòu)時也會造成圖像分辨率低的問題，需要對截面與截面間進行圖像的插值，計算出截面之間缺失的信息。采用最近鄰內(nèi)插進行插值處理，其算法為：

式中：h( m,n)為插值處理后圖像的像素值；f( m,n)，g( m,n)為兩個相鄰截面圖像的像素值。

圖4（a）和圖4（i）為檢測得到的兩個相鄰截面的亞表面損傷分布，圖4（b）～（h）為插值獲得的亞表面損傷信號分布。從圖中可以獲得，亞表面損傷在截面間的分布比較連續(xù)，關(guān)聯(lián)性較強，能夠描述亞表面損傷在空間上的變化趨勢。

圖4 研磨石英玻璃不同截面的亞表面損傷信號分布圖Fig.4 Subsurface damage signal distribution of different sections of ground quartz glass

共聚焦系統(tǒng)檢測到亞表面損傷時，信號的分布為高斯分布[15]，在亞表面損傷處的信號值最大，遠離亞表面損傷時信號值逐漸減少，因此信號波峰所在的位置即為亞表面損傷所在的位置。對圖3（b）進行圖像處理，獲取信號波峰的位置，即可得到亞表面損傷分布，圖像處理算法為：

式中：g( m,n)為圖像處理后的像素值；f( m,n)為原圖像的像素值。

對圖3（b）做圖像處理，設置信號波峰的位置像素為1，其余位置像素為0，獲得亞表面損傷分布，如圖5所示，從圖像中可以獲得亞表面裂紋的構(gòu)型、分布及損傷深度。

圖5 研磨石英玻璃的亞表面損傷分布Fig.5 Subsurfacedamage distribution of ground quartzglass

2.3 亞表面損傷三維重構(gòu)

使用偏振激光共聚焦系統(tǒng)對60μm磨料粒度研磨的石英玻璃進行檢測，獲得4個相鄰截面的亞表面損傷信號，并根據(jù)以上步驟進行圖像處理，獲得33張亞表面損傷分布圖，利用MIMICS軟件建立亞表面損傷三維模型，如圖6所示，檢測區(qū)域的長寬高為25μm×3.2μm×25μm。從圖中可以獲得亞表面損傷在三維空間上的分布，進而獲得損傷最深的位置，得到60μm磨料研磨石英玻璃的亞表面損傷深度為13.6μm。在三維重構(gòu)模型上進行亞表面損傷深度的測量，其結(jié)果更加準確。圖中距離表面較近位置處的亞表面損傷多為橫向裂紋，距表面較遠位置處的損傷多為斜線狀的中位裂紋。從圖中可以獲得裂紋的構(gòu)型以及裂紋的擴展情況，能夠指導優(yōu)化加工工藝。

圖6 60μm磨料研磨石英玻璃亞表面損傷三維分布Fig.6 The three-dimensional distribution of subsurface damage of quartzglasslappd by 60μm abrasive

3 結(jié)束語

本文基于偏振激光共聚焦系統(tǒng)對60μm磨料研磨的石英玻璃進行了亞表面損傷檢測實驗，提出了提高圖像分辨率的插值算法，基于共聚焦系統(tǒng)檢測特點，對亞表面損傷信號進行圖像處理，獲取了亞表面損傷分布。對圖像處理過的亞表面損傷圖進行三維重構(gòu)，得到了研磨石英玻璃亞表面損傷的完整三維信息，其亞表面損傷深度為13.6μm，距表面的較近位置處的亞表面損傷為橫向裂紋，較遠位置處的亞表面損傷為斜線狀的中位裂紋。該方法對研磨石英玻璃的工藝優(yōu)化提供了有效檢測手段。