CC BY
50
Физика твёрдого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, № 5 (1), с. 61-65
УДК 681.3: 681.7.023.72
ПРИМЕНЕНИЕ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ И МЕТОДИКИ КОМПЬЮТЕРНОГО ЗРЕНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ СЕЛЕНИДА И СУЛЬФИДА ЦИНКА
© 2013 г. О.В. Тимофеев
Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых РАН, Н. Новгород
timofeev@ihps.nnov.ru
Поступила в редакцию 19.06.2013
Разработаны методики оценки качества поверхности оптических элементов на основе селенида и сульфида цинка с использованием оптической и атомно-силовой микроскопии.
Ключевые слова: оптическая микроскопия, атомно-силовая микроскопия, селенид цинка, сульфид цинка, качество поверхности, шероховатость поверхности.
Введение
Несмотря на значительный прогресс в области создания оптических элементов, механизмы и эффекты воздействия полировальных материалов, химических реагентов и условий их применения на поверхность оптического материала изучены слабо. Существующие в настоящий момент теоретические представления о механизмах полирования [1-3] относятся в большинстве своём к стеклообразным материалам и не могут дать полного представления о механизмах образования нарушенного слоя в процессе механохимического воздействия на кристаллы селенида и сульфида цинка [4, 5]. Применяемые для обработки материалы и условия проведения процессов механохимической модификации поверхностей поликристалличе-ских халькогенидов цинка являются предметом ноу-хау, и информация по данному вопросу в литературе практически отсутствует.
Для выявления механизмов механохимиче-ского воздействия на поверхность и механизмов дефектообразования в результате такого воздействия необходимы надёжные методы контроля чистоты поверхности обрабатываемого материала. Однако оценка качества поверхности сводится к субъективному суждению исследователя, в значительной мере зависит от опыта и квалификации последнего и является довольно приблизительной [6]. Новые возможности в решении этих проблем предоставляют современные цифровые технологии и программные методы распознавания образов. Существующие разработки дают общие принципы и некоторые приёмы этой технологии. Наличие современных методик позволит не только облегчить и уско-
рить работу, но и повысить единообразие критериев, используемых для оценки качества поверхности, как на стадии изготовления, так и на стадии выходного контроля оптических элементов.
Поэтому целью настоящей работы являлась разработка методик оценки качества поверхностей оптических элементов на основе поликри-сталлических селенида и сульфида цинка. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
• разработать методику оценки чистоты поверхности оптических элементов с применением действующих в настоящее время ГОСТов;
• разработать методику оценки шероховатости поверхности оптических элементов.
Экспериментальная часть
С использованием метода оптической микроскопии были проведены эксперименты по исследованию влияния размера зерна суспензии на шероховатость поверхности селенида цинка в процессе механической обработки. Фотографии поверхностей были получены на оптическом микроскопе Ахюр1ап 2. В результате была разработана методика оценки чистоты поверхности оптических элементов [7] с применением действующего в настоящее время ГОСТ 1114184. Предложенная компьютерная методика основана на распознавании дефектов поверхности, образующихся в процессе механического и механохимического воздействия, по микрофотографиям (рис. 1). Набор из нескольких десятков фотографий одного образца программа объединяет с соответствующей весовой функцией в единый набор данных, и по ним строятся функ-
Рис. 1. Фотографии полированной поверхности селенида цинка
Количество точек на 1 мм^ как функция их диаметра (мкм )по образцу
2 3
диаметр, мкм
Длина царапин (мм) на 1 мм^ как функция их ширины (мкм) по образцу
-Ф— АШ05 ЖОЗ 1 мкм -Ь- АШ1Л
12
ішрина, мкм
Рис. 2. Функции распределения царапин и точек на поверхности образцов селенида цинка в зависимости от размера зерна абразива
ции распределения дефектов по размерам (рис. 2). В результате оператор получает функции распределения дефектов поверхности (царапин и точек) по размерам, на основании которых программа классифицирует контролируемую поверхность по чистоте в соответствии с ГОСТ 11141-84 сразу по нескольким параметрам.
В процессе исследований разработана методика оценки шероховатости поверхности оптических элементов на основе селенида и сульфида цинка в соответствии с ГОСТ Р 8.700-2010. Оценка шероховатости поверхности проводилась на атомно-силовом микроскопе НТ-206. В таблице приведены значения среднеарифметической (Ra) и среднеквадратичной ^д) шерохо-
ватости поверхности селенида цинка в зависимости от величины зерна абразива в процессе механической обработки, как для процесса шлифования, так и для процесса полирования. Видно, что уменьшение размера зерна абразива приводит к уменьшению шероховатости поверхности в обоих случаях. Однако различие между величинами шероховатости поверхностей после шлифования и полирования микропорошками с одинаковой величиной зерна (5 мкм) достигает 20 раз. Кроме того, уменьшение среднеквадратичной и среднеарифметической шероховатости при уменьшении размера зерна абразива в процессе шлифования происходит намного медленнее, чем в процессе полирова-
Таблица
Изменение шероховатости поверхности селенида цинка в зависимости от величины зерна абразива _____________в процессе механической обработки___________
Размер зерна абразива, мкм Ra (среднее), нм Rq (среднее), нм
Шлифовальные порошки
20 299.8 376.6
10 222.8 284.8
5 167.0 211.9
3 186.5 234.6
Полировальные порошки
5 7.7 9.9
3 4.7 6.1
2 2.7 4.0
1 2.0 2.9
26.3umx26.3umx2.7um [256 x 256] Z.um 26 .3um x 26 .3um х 1 9um [256 X 256] г, um
26.3um ж 26 3um x 1543 2nm іль x 256] Z, nm 26.3um x 26.3um x 1,7i*n [Äb x 256) Z, um
X, um X, um
в Г
Рис. 3. Изображения рельефа шлифованных поверхностей селенида цинка, обработанных на микропорошках электрокорунда с различной величиной зерна, полученные методом СЗМ: а - 20 мкм; б - 10 мкм; в - 5 мкм; г - 3 мкм
ния. Это объясняется различием в механизмах образования шлифованной и полированной поверхностей.
Изображения рельефа шлифованной и полированной поверхности халькогенидов цинка, полученные методом СЗМ (сканирующей зон-довой микроскопии), приведены на рисунках 3 и 4. Сравнивая изображения шлифованной и полированной поверхностей (рис. 3 и 4), можно видеть, что в первом случае поверхность состоит из бугров и ям, которые образуются в про-
цессе обработки под действием зерен абразива. Согласно классическим теориям [1—3], в процессе шлифования обработка идет за счет скалывания материала с обрабатываемой поверхности, резания поверхности в данном случае не происходит. На изображениях отсутствуют протяженные дефекты, которые можно было бы отнести к царапинам. Таким образом, как для стекла, так и для кристаллических материалов (селе-нид и сульфид цинка) механизм шлифования подобен, однако есть и различие. В нашем случае
263unx2e.3unx182.4fwn [256 х 256] 2, пт 26-3umx 263ил х 71 .Згт [2S6 х 256] 2, пт
х.“" Ж, um
в г
Рис. 4. Изображения рельефа полированных поверхностей селенида цинка, обработанных на микропорошках с различной величиной зерна, полученные методом СЗМ: а - 5 мкм; б - 3 мкм; в - 2 мкм; г - 1 мкм
это отсутствие на обрабатываемой поверхности пластически деформированных участков.
Из рисунка 4 видно, что уменьшение размера зерна абразива с 5 до 1 мкм приводит к изменению морфологии обрабатываемой поверхности селенида цинка. Если морфология поверхности, обработанной микропорошком с величиной зерна 5 мкм, определяется рельефом, созданным в процессе резания поверхности, то по мере уменьшения величины зерна наблюдается изменение рельефа и появление ровных участков.
Показано, что среднеарифметическое и среднеквадратичное отклонение профиля поверхности нелинейно убывает с уменьшением размера зерна абразива. Это говорит о том, что уменьшение эффективного размера зерна в процессе полирования описывается нелинейной функцией. Минимальное значение среднеарифметического отклонения и среднеквадратичного отклонения достигнуто в процессе механического полирования с использованием микропорошка с величиной зерна 1 мкм и составило 1.9 нм и 2.9 нм, соответственно.
Заключение
1. Разработана методика использования компьютерной программы для оценки качества полированных поверхностей в соответствии с
ГОСТ 11141-84. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для получения детальных количественных характеристик дефектов поверхности, в том числе их функций распределения по размерам.
2. С использованием метода атомно-силовой микроскопии и ГОСТ Р 8.700-2010 разработана методика оценки шероховатости поверхности оптических элементов на основе селенида и сульфида цинка.
Автор выражает благодарность А.Н. Колесникову, сотруднику лаборатории ХВБС ИХВВ РАН им. Г.Г. Девятых, за помощь в разработке методики компьютерного зрения и плодотворное обсуждение полученных результатов; С.А. Носову, сотруднику НИИ КС им. А.А. Максимова, за помощь в проведении измерений на атомносиловом микроскопе.
Работа проводилась в рамках программы Союзного государства «Разработка нанотехнологий создания материалов, устройств и систем космической техники и их адаптация к другим отраслям, техники и массовому производству». ОКР «Нанокерамика».
Список литературы
1. Винокуров В.М. Исследование процесса полировки стекла. М.: Машиностроение, 1967. 196 с.
2. Ходаков Г.С., Кудрявцева Н.Л. Физикохимические процессы полирования оптического стекла. М., 1985. 224 с.
3. Ребиндер П.А. Физико-химическая механика. М.: Знание, 1967. Сер. IV. № 39, 40. 64 с.
4. Гаврищук Е.М. Поликристаллический селенид цинка для ИК-оптики // Неорганические материалы. 2004. Т. 39. № 9. С. 1031- 1049.
5. Гаврищук Е.М., Яшина Э.В. Оптические элементы из сульфида цинка и селенида цинка для ин-
фракрасной техники // Оптический журн. 2004. Т. 71. № 12. С. 24-31.
6. Окатов М.А., Байгожин А., Антонов Э.А. и др. Справочник технолога-оптика / Под ред. М.А. Ока-това. 2-е изд., перераб. и доп. СПб.: Политехника, 2004. 679 с.
7. Тимофеев О.В., Гаврищук Е.М., Вилкова Е.Ю., Колесников А.Н. Исследование полированных поверхностей халькогенидов цинка путём компьютерного распознавания дефектов на микрофотографиях // Оптический журн. 2010. Т. 77. № 1. С. 87-94.
QUALITY ESTIMATION OF ZNS/ZNSE OPTICAL SURFACES USING ATOMIC FORCE MICROSCOPY AND COMPUTER VISION TECHNIQUES
O. V. Timofeev
AFM- and CVT- based techniques have been developed to estimate the quality of optical element surfaces made of zinc selenide and zinc sulfide.
Keywords: optical microscopy, computer vision techniques (CVT), atomic-force microscopy (AFM), zinc selenide (ZnSe), zinc sulfide (ZnS), surface quality, surface roughness.
