光学表面的光散射测量方法

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。

关键词：测量方法；光学表面；粗糙度

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。

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