自动测量超光滑光学表面积分散射的积分散射仪

　　1　引　言

　　积分散射仪是利用积分散射法测量超光滑光学表面积分散射的仪器。它是激光陀螺研制的重要课题之一。所研制的积分散射测量系统不仅能测量高反射率镜片的积分散射,而且对于基片来说,由于它能有效地消除后表面散射的影响,因而对基片的测量也取得了较为满意的效果。一般的积分散射测量都是针对高反射率镜面设计的[1,2],难以用来测量基片的积分散射。由于高反射片的透射率极低,后表面散射的影响可以忽略,而基片的透射率远大于反射率,且后表面远比工作面粗糙,散射更强,其影响甚至超过了待测信号,故不能忽略,而能有效地测量基片表面的积分散射的文章尚未见报道。本文所介绍的整个系统由计算机自动控制,能实现二维平面内的自动实时扫描测量。

　　2　表面的结构特征和积分散射理论

　　经过精密加工的表面,表面质量误差分为形状误差、波纹度和表面粗糙度。表面积分散射反映的就是表面粗糙度。在此只介绍均方根粗糙度、自相关函数和功率谱密度三个评定参数。

　　2.1　均方根粗糙度δ

　　均方根粗糙度属于纵向评定参数。假定在表面的某一方向将表面剖开,则被剖表面的边沿线称为轮廓线。若以轮廓中心线为零点的轮廓线的坐标函数为f(x),则

　　式中,f(x)为以轮廓中心线为零点的轮廓线坐标函数;l为取样长度。

　　2.2　自相关函数G(τ)

　　自相关函数及相关长度属于综合评定参数。一维自相关函数G(τ)的定义为

　　2.3　功率谱密度g(k)

　　G(τ)和功率谱密度g(k)互为傅里叶变换。

　　类似的二维均方根粗糙度、自相关函数和功率谱密度分别为

　　式中,θr、θs和s分别为入射角、散射角和散射方位角;b、λ分别为入射光的偏振态和波长;P0、dP分别为入射光功率和散射光功率;Q为光学因子;g(k)为表面结构因子;dΩ为探测立体角;k = ks-kr,其中kr= (ω/c)sinθr,ks= (ω/c)sinθs。

　　积分散射率的定义为

　　可通过散射的角分布函数fr对整个反射空间的2π立体角积分来得到反射散射率。

　　3　仪器结构及原理

　　积分散射仪的结构如图1所示。从氦氖激光器出射的激光束经过分束镜后,反射光作为参考信号直接被光电池接收,然后转变成电压信号后送入数字电压表,再由数字电压表传送至计算机。透射光被斩波器斩成方波信号,经聚焦系统聚焦后穿过积分球入射至镜片的待测面上(入射点在焦点上)。反射光通过小孔射出后进入反射光吸收筒。透射光进入透射光吸收筒。反射散射光由涂有漫反射材料的积分球内表面收集,最后由光电倍增管PMT接收。