光学表面的散射测量方法发展的趋势

 

 

 

 

摘要：光学表面的光散射测量方法为目前测量光学元件表面散射特性的一种主要技术，主要包括角分辨测量法和总积分测量法。本文对上述两种测量方法的基本原理和实验装置进行了系统的阐述，并对两种方法进行了比较分析，最后讨论了散射测量方法发展的趋势。

随机粗糙光学表面的粗糙度是量度光学元件表面特征的一项重要指标，通常为纳米量级甚至更低。随着光学技术的飞速发展及其应用领域的不断扩大，光学元件表面粗糙度及其引起的光散射越来越受到人们的普遍关注，已经成为光学元件散射特性研究中的基础和关键问题之一。利用光散射测量光学粗糙表面是目前发展较为快速和成功的技术，人们对这种技术做了大量的研究工作，使得光散射系统已经成为测量光学元件表面质量的主要手段之一。概括起来，光学表面的散射测量方法主要包括角分辨散射测量法和总积分散射测量法，二者分别以矢量散射理论和标量散射理论为理论基础。

1.角分辨散射测量法

角分辨散射（AngleResolvedScattering，简称ARS）测量法是利用散射光的光强及其分布来测量表面粗糙度参数。一束激光投射到样品表面上后，其镜向方向的反射光和散射光分布在一个半球面内，半球面内各点的光强不同。当表面非常光滑时，光强主要分布在镜向方向。表面越粗糙，镜向方向的反射光强就越弱，其它点的散射光就越强。用光探测器接收这些不同分布的光强，然后经过统计学和光谱分析或者经过光的反射散射计算，就可以得到被测表面的粗糙度值。 在ARS测量装置中，通常以样品为中心，光电探测器围绕样品在入射平面内作接近180°或360°的转动，从而测得非入射平面内的散射光。样品一般能转动和平动，以测量斜入射下的散射特性和扫描样品上各点的散射系数。在测量中，散射信号很小，通常要采用锁相放大器。此外，由于测量数据很多，所以常常采用计算机进行自动采集和分析数据。图1即为一种典型的角分辨散射测量仪器。

图1.ARS测量装置示意图

2.总积分散射测量法在总积分散射（TotalIntegratedScattering，简称TIS）测量法中，入射光以很小的入射角照射到随机粗糙面上，用积分球收集粗糙表面散射的漫反射光或者包含镜向反射在内的总体反射光.标量散射理论在微粗糙度条件下建立起了样品表面最基本的综合统计特征参数-均方根（Root  Mean Square，简称RMS）粗糙度σ与其所有反射方向上的总积分散射TIS之间的关系，从而使TIS法成为一种测量表面均方根粗糙度的便捷方法。

σ的表达式

可见，TIS与反映物体表面不规则起伏程度的RMS粗糙度有关。实际工作中，对于一般研磨和抛光加工所得到的表面，其微观起伏通常具有高斯分布特征，所以根据表面均方根粗糙度就可以了解表面微观形貌的全部统计特征.因此通过测量样品表面的总积分散射就可以很方便地得出表面RMS粗糙度，并且可把它作为平面表面光滑程度的重要质量指标。 TIS测量装置主要有两种类型。一种装有Coblentz半球，即内壁镀有铝、银等金属膜的半球，激光光源垂直照射到置于半球后面的样品上，被粗糙表面散射的光强由Coblentz半球采集；另一种是用积分球，光源以微小的角度照射到样品表面上，被表面散射的偏离镜向反射方向的那部分光强由积分球收集。

图2.具有 Coblentz球的总积分散射测量装置

图2所示的总积分散射测量装置具有Coblentz球，可分别进行背散射或前散射测量，并可分别采用激光器和紫外灯作光源，可测量的波段范围为193nm~10.6μm。此装置还可以在真空环境或以氮气为净化气体的条件下对157nm波长进行测量.在背散射测量过程中，利用He-Ne激光器作为光源，波长为632.8nm在2~85°的空间范围内被散射到后半球的光强被Coblentz球所收集，然后被成像到探测元件上。光线照射到样品上的入射角接近于零度，镜向反射光束通过Cob lentz球的入射光孔反射出去。

图3所示为装有积分球的TIS装置示意图。由He-Ne激光器发出的光束经过斩波器和衰减器后以30°角入射到样品表面上，样品被安置在积分球内的可调节支架上。入射角可以按照不同的测量需求来确定，本装置之所以选择30°的入射角是由于所研究的样品主要是用作激光陀螺镜。积分球内的镜向光束射出积分球后被高效吸收器所吸收，积分球内剩余的光能即为样品的总积分散射，可被探测器采集。为了避免直接探测到样品的散射光，光路中安装了光闸。探测器采集到的信号先被馈入前置放大器，然后被输入锁相放大器。

图3.装有积分球的总积分散射仪 标准散射样品的表面喷涂有氧化镁或硫酸钡，其散射值可由计量部件用漫反射率标定。R0为样品的总反射率，为完全光滑表面的镜向反射率，可以根据样品的光学常数计算得到。由于散射信号较小，在测量中应尽量减小系统噪声。系统噪声包括积分球内空气尘埃的散射，积分球外的杂散光等。为此，在测量时应对杂散光进行屏蔽，并尽可能在无尘的环境中测量。样品的位置也可以移至入射光孔处，这样测量得到的主要是透射散射。 当样品置于出射光孔处，测量得到的主要是反射散射。已经有实验结果证明，具有Coblentz半球和积分球两种装置的散射仪的测量结果符合得较好表1所示为利用两种装置测量同一组光学平面所得到的RMS粗糙度结果，可见两种结果还是非常一致的。

表1.具有Coblentz球和积分球的TIS装置的RM S粗糙度测量结果3.结论上述两种方法均为非接触式的散射测量技术，不会损伤样品的表面。除此以外，二者又各有优缺点：(1) ARS法的主要优点是可正确测量光散射的空间分布，并通过其全空间积分，得到表面的总积分散射值；不足之处在于，仪器结构复杂，成本较高，测量结果受环境和实验条件的影响较大。(2) TIS法具有仪器结构简单、成本低、测量速度快、不易受环境影响等优点;主要缺点是无法获得光学表面形貌的全部特征及散射光的空间分布。 随着高科技的发展，光学表面粗糙度光散射测量技术日益受到各国学者、工业和军事部门的重视。目前国外在这一领域的研究重点已从实验室的一般原理方法研究发展到工业应用的研究，大量的工作已经集中在表面的大面积自动快速检测及半导体工业中亚微米超大规模集成电路基片微缺陷的研究。另一方面，当前的光学表面粗糙度测量仪器通常都很昂贵，多用于实验室作为分析研究之用，而在生产现场上很少使用。因此，设计、研制出一些可实现表面粗糙度的快速、高精度、在线和自动测量，既能满足生产需要又使用方便的表面粗糙度测量工具和仪器，是今后国内外研究的重要方向。

        审核编辑：彭菁