基于BRDF的激光散射測(cè)量系統(tǒng)研究

王璐璐

摘 要 文章研究了激光散射測(cè)量的基本原理和相關(guān)技術(shù)。以雙向反射分布函數(shù)（BRDF）為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種角分辨空間激光散射測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)激光散射自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)中使用高靈敏度的光電倍增管、用鎖相放大器檢測(cè)微弱信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了微弱信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)。采用LabVIEW軟件進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與鎖相放大器之間的數(shù)據(jù)傳輸和對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化測(cè)量。

關(guān)鍵詞 雙向反射分布函數(shù)（BRDF）；角分辨空間激光散射；微弱信號(hào)檢測(cè)；光電探測(cè)器

中圖分類號(hào) TN2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）207-0112-02

光通過(guò)具有疵病的光學(xué)元件或系統(tǒng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生散射和能量損失，可能產(chǎn)生衍射條紋，膜層的破壞，有害炫耀和疵病形變等現(xiàn)象，影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量、測(cè)量精度及壽命等。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，光學(xué)元件表面疵病及其引起的光散射已成為散射特性研究中的基礎(chǔ)和關(guān)鍵問(wèn)題之一[ 1 - 2 ]。由于雙向反射分布函數(shù)（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）不但能夠描述各種表面的方向散射特性，并且能描述光輻射特性，它可以反映除幾何特征以外幾乎所有的光學(xué)特性，因此本文以雙向反射分布函數(shù)（BRDF）為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種角分辨空間激光散射測(cè)量系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠獲得光學(xué)元件表面散射光的光強(qiáng)及其空間分布，通過(guò)散射光分布來(lái)分析光學(xué)樣品表面形貌特征。

1 系統(tǒng)測(cè)量原理與系統(tǒng)

使用光散射測(cè)量技術(shù)對(duì)光學(xué)元件表面散射光是目前發(fā)展比較為快速和成功的技術(shù)，由于人們對(duì)此技術(shù)做了大量的研究，使光散射測(cè)量系統(tǒng)成為測(cè)量光學(xué)元件表面質(zhì)量的主要方法之一[ 3 - 5 ]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需，本系統(tǒng)選擇角分辨（ARS）散射測(cè)量法。

角分辨散射（Angle Resolved Scattering，簡(jiǎn)稱ARS）測(cè)量法是用散射光的光強(qiáng)及分布來(lái)測(cè)量表面粗糙度參數(shù)及其散射光[6-8]。當(dāng)一束激光投射到樣品表面后，其鏡向反射光和散射光是在一個(gè)半球面內(nèi)，且各點(diǎn)光強(qiáng)不同。當(dāng)樣品表面非常光滑時(shí)，光強(qiáng)主要分布在鏡面方向。樣品表面越粗糙，鏡向的反射光強(qiáng)就越弱，散射光就越強(qiáng)[7-9]。使用光電探測(cè)器對(duì)反射散射光強(qiáng)進(jìn)行探測(cè)，然后經(jīng)過(guò)分析、計(jì)算，就可得到被測(cè)表面的散射光分布情況。在角分辨散射（ARS）測(cè)量系統(tǒng)中，一般光電探測(cè)器以樣品為中心，圍繞樣品作圓周運(yùn)動(dòng)，測(cè)得散射光強(qiáng)及分布。測(cè)量時(shí)，由于散射光信號(hào)非常微弱，因此采用鎖相放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行鎖相放大。并且由于測(cè)量數(shù)據(jù)很多，因此通常采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。以雙向反射函數(shù)為理論基礎(chǔ)，參考國(guó)內(nèi)外空間光散射測(cè)量裝置，設(shè)計(jì)出了一種角分辨空間激光散射測(cè)量系統(tǒng)，示意圖如圖1所示。

本測(cè)量系統(tǒng)所用旋轉(zhuǎn)臺(tái)是高精密電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)，具有高運(yùn)動(dòng)特性，高定位性能?？梢苑奖愕叵龣C(jī)械誤差，保證長(zhǎng)期的使用精度。平移臺(tái)是小尺寸增強(qiáng)精密型電動(dòng)位移臺(tái)，具有更高的分辨率和定位精度。標(biāo)配二相步進(jìn)電機(jī)，穩(wěn)定、可靠?？梢钥刂?-4軸運(yùn)動(dòng)。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電動(dòng)位移臺(tái)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行聯(lián)合控制。

系統(tǒng)采用波長(zhǎng)為632.8nm的HeNe激光器作為光源，激光器出射的高斯光束具有一定的發(fā)散角，首先使用斬波器對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制頻率作為鎖相放大器的輸入?yún)⒖碱l率，光束通過(guò)擴(kuò)束鏡、聚焦鏡，并轉(zhuǎn)折后以一定角度入射到光學(xué)元件表面發(fā)生散射，散射光經(jīng)導(dǎo)光管入射到探測(cè)器光敏面上。探測(cè)器安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)探測(cè)器以待測(cè)光學(xué)元件為中心做圓周運(yùn)動(dòng)，探測(cè)器將探測(cè)到的散射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)之后送入鎖相放大器去噪處理，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集組件A/D轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理計(jì)算，可得到光學(xué)元件表面疵病引起的散射光的光強(qiáng)及其空間分布，來(lái)分析疵病與散射光的關(guān)系。

如圖2所示，探測(cè)器安裝在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)探測(cè)器以待測(cè)光學(xué)元件為中心作圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)改變平面鏡2的傾角和高度，實(shí)現(xiàn)以待測(cè)光學(xué)元件為中心的不同圓周上的散射光測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)BRDF測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)

由圖3、4可以看出，無(wú)論劃痕與入射光在水平面投影平行還是有一定夾角，散射率都會(huì)隨著角度Φ的增大，散射率逐漸減小，且非線性相關(guān)。經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果都與圖3、4趨勢(shì)相同，具有很好的可重復(fù)性。

3 結(jié)論

本文以雙向反射分布函數(shù)為理論依據(jù)，在參考國(guó)內(nèi)外空間光散射測(cè)量方法與裝置的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)不同方案的研究，采用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)的探測(cè)，完成了一種新的空間激光散射測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了半球空間光散射的快速準(zhǔn)確測(cè)量，并進(jìn)行了重復(fù)性實(shí)驗(yàn)。結(jié)果準(zhǔn)確，且具有好的重復(fù)性，以直線型劃痕為例，對(duì)光學(xué)元件表面疵病與其散射光關(guān)系進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，角分辨空間激光散射測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)行可靠，合理。

參考文獻(xiàn)

[1]王亞偉.光散射理論及其應(yīng)用技術(shù)[M]，北京：科學(xué)出版社，2013（9）：19-23.

[2]John C. Stover. Optical Scattering-Measurement and Analysis[M]. 2th ed. Washington：SPIE，1995.

[3]Bloomstein T M， Hardy D E， Gomez L， et al. Angleresolved scattering measurements of polished surfaces and optical coatings at 157 nm[J]. Proceedings of SPIE一The International Society for Optical Engineering， 2003， 5040：742-752.

[4]張深倉(cāng).BRDF測(cè)量系統(tǒng)光源驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性分析[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[5]閏麗榮.低損耗光學(xué)元件散射特性測(cè)試技術(shù)研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2012.

[6] Schroder S， Herffurth T，I3laschke H，et al. Angle-resolved sc<；ttering： an effective method for characterizing thin-film coatings[J]. Applied optics，2011 ，50（9）： C164-C171.

[7]劉強(qiáng).日標(biāo)表面激光雙向反射分布函數(shù)的測(cè)量與優(yōu)化統(tǒng)計(jì)建模[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2010.

[8]吳振森，江榮熙，等.不同表面激光雙向反射分布函數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，1996，16（3）：262-268.

[9]王少剛.角分辨空間激光散射測(cè)量技術(shù)研究[D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2016.