专利名称：基于微分散射的亚埃级超光滑透明表面测试系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种应用于亚埃级超光滑透明表面的高精度测试系统，属光学检测领域。
背景技术：
在激光陀螺的研制生产过程中，超光滑基片是极其重要的，它是制作高质量高反镜的基础。目前，为了满足高精度激光陀螺研制生产的需要，经过超抛的熔石英或微晶玻璃基片的表面均方根粗糙度(RMS)已经做到了小于1A，甚至达到了 0.6 A (原子力显微镜测量数据)，这几乎是目前所有高级表面测试仪器的测试极限，对超光滑基片表面的测试和挑选具有极大的挑战性。鉴于激光陀螺对反射镜表面粗糙度的严苛要求以及反射镜表面粗糙度与散射的直接关系，在激光陀螺反射镜的加工过程中常采用光散射法对超光滑基片表面进行检测。相对于其他的表面测试系统，利用光散射法对超光滑表面的测量具有速度快，测试面积大，费用低廉，简单易操作等特点。但是，由于散射光的强度本身较弱，一方面不容易被精确探测，另一方面也容易受到外界的干扰，导致引入较大的测量误差。所以，最大限度的抑制外界噪声，精确高效地测量基片的表面粗糙度一直都是人们关注的一个难点问题。对于高精度激光陀螺研制生产过程中使用的透明基片来说，当光入射到基片上时，其表面微观起伏会引起光的散射，称为表面散射；同时，其内部折射率的起伏也会产生光的散射，称为基片的体散射。由于需要检测的基片表面非常光滑，表面散射非常微弱，如果伴随有基片的体散射，将导致测量数据不能真实反映基片表面的微观结构信息，甚至可能发生表面散射完全被体散射淹没的情况。所以对于亚埃级超光滑透明基片来说，如何有效抑制体散射的影响，独立有效测量基片的表面散射将是一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是利用光的偏振特性消除透明基片体散射，独立有效的测量基片的表面散射，借此来表征亚埃级超光滑表面的微观结构。为实现本发明目的采用的技术解决方案是
一种基于微分散射的亚埃级超光滑表面测试系统，由光源系统，转台系统，样品台系统，光电检测系统，数据采集及显示系统五个部分组成。利用散射光的偏振特性从原理上完全消除体散射，从系统设计上有效抑制外界噪声，保证测试系统长时间稳定运行，从而保证系统的重复测试精度(1)全刚性联接结构；(2)精确的转动角度控制；(3)高效率的光电探测装置；(4)精确可控且重复性高的偏振方向调节；(5)高效的数据采集系统及数据分析显不系统。本发明的优点是从原理上完全消除基片体散射对表面散射测试的影响，可以最大限度的抑制体散射；采用双小孔光阑作为微分散射的探测前端，抑制杂散光等噪声对探测精度的影响；在增加系统成本较少的前提下，极大的提高了测量系统的精度；采用全刚性联接安装方式，消除了仪器相对位置变动带来的测试误差；系统使用独立控制，协同合作的方式，结构简单、成本低、可靠性高。
图1为系统测量原理示意图。图2为测量系统整体结构示意图。图中1.光源；2，8.小孔光阑；3.起偏器；4.基片；5，6.转台；7.光吸收器；9.检偏器；10.光电探测系统；11.数据分析及显示系统图3为转台系统结构示意图。图中A.光学平台；Bi，B2.转台固定板；Cl，C2.结构参数相同的转台；D.样品支撑柱；E.测量系统延伸板
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。对亚埃级超光滑透明基片表面进行光学检测时，基片的表面散射和体散射的微分散射功率会耦合在一起，从而导致测试的表面散射数据不能完全真实的反映基片表面的微观形貌特征。相关研究表明，对于散射平面位于入射平面内的情况，表面散射和体散射光的
偏振方向在s-p平面内会呈现出一定的夹角，如图1所示，设表面散射光的偏振方向与P轴夹角为α ,体散射光^as的偏振方向与P轴的夹角为於，两者之差。想要消除体散射对表面散射的影响，选择具有高消光比的偏振片的透光方向与馬@垂直，理论上来说，体散射被完全消除，此时在偏振片后接收到的微分散射为^^在偏振片透光方向的投影，测
量到的微分散射功率为P5 =A) Sm2炉，即为表面散射的微分散射功率的大小。所以，此测量
系统在原理上具有非常高的可行性和灵活性。测量系统的结构示意图如图2所示，由光源发出的非偏振光经过起偏器后成为线偏振光，以一定的角度入射到基片上，被基片散射，此时的散射光既包含基片的表面散射也包含体散射，再经过检偏器的选择后被光电探测器接收，最终将基片的表面散射的微分散射功率显示出来。图2中小孔光阑的作用主要式为了消除外界的杂散光；转台可以实现高精度的相互独立运转，保证光的入射角和散射角可以精确且相对独立的变化；偏振片的偏振方向也必须可以独立精确控制，保证其在S-P偏振面内可任意选择偏振方向。为了获得基于微分散射的亚埃级超光滑透明基片表面测试系统，需要完成以下工作
1.全刚性联接结构
在亚埃级超光滑透明基片表面测试系统中，所有部件都采用刚性联接结构，保证各个部分的相对位置保持恒定不变，消除这些可变因素对散射光微分散射功率的影响。做到最大限度消除机械设计带来的测量误差。2.相互独立且高精度的转台系统
如图3所示，C1、C2两个完全相同的高精度转台同轴叠放，且分别用步进电机控制，Cl 通过样品支撑柱D与基片联接，可自由改变入射光的入射角度；C2通过与测量系统的延伸板E的刚性联接，可以独立改变探测器的接受方向，即散射光的散射角方向。3.精确的偏振角度控制系统由于起偏器和检偏器的偏振方向是决定整个系统精度的最重要的部件，所以其偏振角度必须由高精度的角度控制器(电动转台)来固定。通过控制起偏器和检偏器的偏振角度选择，消除基片的体散射，测量其表面散射的大小。4.高消光比的起偏器和检偏器
原理上来说，只有偏振方向与起偏器和检偏器的偏振方向一致的光才能透过起偏器和检偏器，此时的测量系统精度最高，性能最好。实际使用过程中，偏振片对垂直于其偏振方向的光线不可能做到完全消光，所以在系统中选择消光比非常高的起偏器和检偏器，可以减少测试系统的误差。5.高效的杂散光隔离系统
由于亚埃级超光滑表面的表面散射约为IO"8量级，即便只有非常微弱的杂散光进入光电探测器，基片的表面散射会淹没在噪声中，导致无法有效测量出表面散射的大小。图2中的小孔光阑最主要的作用就是消除杂散光，另一方面，整个测量系统需要放置在暗室或者外加光隔离罩的环境内。6.高稳定性的同轴运转
本发明基于微分散射的一阶近似理论，从原理上来说，其同轴性必须达到以下方面 (1)散射平面必须位于入射面内；(2)超光滑表面必须与散射平面垂直；(3)散射光的传播必须在散射面内。基于上述要求，本发明在运转过程中必须具有很高的同轴性，在图2中必须做到(1)整个光路的转播平面与光学平台平行；(2)起偏器和检偏器必须位于s-p平面内；(3)两个同心转台及样品支撑柱必须同轴放置，其转动平面平行于光学平台；(4)透明基片的表面必须与转台的中轴线重合放置；(5)转台在转动过程中必须围绕其中轴线转动。以上5个方面的同轴性在测量系统运行的过程中必须稳定，不能发生大的偏离。
权利要求
1.一种基于微分散射的亚埃级超光滑透明基片表面测量系统，其特征是高精度、稳定的测试超光滑表面的微观结构信息。通过以下步骤实现(1)全刚性联接结构。在亚埃级超光滑透明基片表面测量系统中，所有部件都采用刚性联接结构，保证各个部分的相对位置保持恒定不变，消除这些可变因素对散射光微分散射的影响。(2)相互独立且高精度的转台系统。转台系统做到分别独立控制，可以选在在任意的入射角和散射角方向对超光滑基片表面的微分散射功率进行测量。(3)精确的偏振角度控制系统。通过控制起偏器和检偏器的偏振角度选择，消除基片的体散射，测量其表面散射的大小。偏振角度的选择必须做到高精度、连续变化，能够在任意偏振角度测量其微分散射功率。(4)高稳定性的同轴运转。测量系统在运行过程中要做到(1)整个光路的转播平面与光学平台平行；( 起偏器和检偏器必须位于s-p平面内；(3)两个同心转台及样品支撑柱必须同轴放置，其转动平面平行于光学平台；(4)基片表面必须与转台的中轴线重合；(5)转台在转动过程中必须围绕其中轴线转动。
2.如权利要求1所述的基于微分散射的亚埃级超光滑透明基片表面测量系统，其特征在于运用一阶微分散射理论，从原理上完全消除透明基片体散射对表面散射的影响，独立有效地测试基片表面散射。
3.如权利要求1所述的基于微分散射的亚埃级超光滑透明基片表面测量系统，其特征在于转台、检偏器、光电探测系统相对于转台系统为全刚性联接方式。
4.如权利要求1所述的基于微分散射的亚埃级超光滑透明基片表面测量系统，其特征在于可以在不同的入射角和散射角方向对超光滑表面基片进行微分散射检测。
5.如权利要求1所述的基于微分散射的亚埃级超光滑透明基片表面测量系统，其特征在于两个相同的转台同轴水平叠放，转台采用独立自由运转方式，可以进行多角度，大范围测量。
6.如权利要求1所述的基于微分散射的亚埃级超光滑透明基片表面测量系统，其特征在于测试样品通过样品支撑柱与转台同轴固联，避免了使用样品延伸臂而导致系统易翻倒的问题。
全文摘要
本发明公开了一种基于微分散射的亚埃级超光滑透明基片表面测量系统，由光源系统、转台系统、样品台系统、光电检测系统、数据采集及显示系统五个部分组成。在如图所示的转台系统中，各个部分均采用全刚性联接，采用标准紧固螺钉将精密转台C1、C2固定在光学平台A上，并将检偏器、光电探测器等通过测量系统延伸板E固联在精密转台C2上。利用偏振干涉原理，以一阶微扰微分散射理论为指导，通过选择合适的起偏方向和检偏方向来消除基片的体散射，高效独立测量亚埃级超光滑透明基片表面的微观结构。本发明能为高精度激光陀螺研制和生产中使用的熔石英或微晶玻璃基片进行快速、准确的筛选，同时提供了一种超光滑透明基片表面测试的通用方法。
文档编号G01B11/30GK102253004SQ201110110198
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者杨开勇, 赵云, 龙兴武 申请人:杨开勇, 赵云, 龙兴武