一种大口径材料表面散射的高速测量装置和方法与流程

本发明涉及材料表面散射的测量领域，特别是一种大口径材料表面散射的高速测量装置和方法。

背景技术：

在精密光学工程、半导体制造、精密机械制造以及国防军工等高科技领域，对所用材料的表面缺陷都有严格的要求，材料的表面缺陷是指在材料加工和搬运等各种环节中产生的形状尺寸各异的划痕和麻点等微小缺陷。材料的表面缺陷会严重影响元器件的工作性能，如高功率激光系统中材料的表面缺陷会极大的降低其激光损伤阈值，同时表面缺陷对入射的强激光束会造成不同程度的热吸收，随着材料上高能量激光辐射次数的增多，材料的表面缺陷会造成光学元器件的损伤甚至破坏，另外材料的表面缺陷会引起激光束的散射，从而降低激光束的能量利用率，极大的影响了强激光系统的工作性能。因而材料表面缺陷的准确测量对于评价材料的性能、改进材料的加工工艺有着重要的意义。

目前国内外对超光滑材料表面微小缺陷的检测方法主要包括目视法、显微成像法、激光散射测量法。目视法主要是通过人工肉眼观察来完成缺陷检测的，具有主观性强、无法量化、分辨率低、检测结果可靠性低等缺点。显微成像法(参考文献CN1563957A)是通过暗场光源照明和显微光学CCD成像系统相结合的方式，对被测光学表面进行成像和拼接，从而实现了对材料表面微小缺陷的量化检测，但是其缺点是检测速度慢，同时后续数字化图像处理时间较长。

激光散射测量法由于具有高灵敏度的优点而被广泛用于材料缺陷检测中，目前普遍采用的大口径样品表面散射的测量技术是采用样品固定、二维扫描光源和探测器的方式来测量大口径样品表面散射的，首先光源和探测系统移动到样品的起始位置，待探测器完成散射光的收集后，光源和探测系统接着移动到样品的下一个测量位置，探测器继续完成散射光的收集，然后测量系统重复以上扫描运动和散射光的采集动作，直到在整个样品表面完成散射光的收集，进而实现大口径样品表面散射的测量。该测量方法的主要缺点是测量时间非常缓慢，如对于尺寸大小为500mm×500mm的样品，表面散射的测量工作需要长达几天的时间，在长时间的测量过程中，测量环境会发生很多未知的变化，进而会带来不可忽略的测量误差，同时测量时间较长也严重降低了测量系统的工作效率。

技术实现要素：

为了解决现有大口径材料表面散射测量技术中存在的问题，本发明提供一种高速实现大口径材料表面散射测量的装置及方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种大口径材料表面散射的高速测量装置，包括激光器、激光扩束系统、第一高反射镜、起偏器、偏振分光棱镜、1/4波片、第二高反射镜、旋转棱镜、振镜、远心场镜、散射光探测器、反射光探测器和行触发探测器；

所述的激光器发射的激光光束经所述的激光扩束系统准直扩束后，通过所述的第一高反射镜入射到起偏器产生S偏振光束，该S偏振光束通过偏振分光棱镜的反射后入射到1/4波片中产生圆偏振光，该圆偏振光通过第二高反射镜后入射到旋转棱镜上，旋转棱镜将入射激光束沿水平方向在一定角度范围内连续扫描，同时反射到振镜上，该振镜将入射激光束沿垂直方向在一定角度范围内连续扫描，同时反射到远心场镜上，该远心场镜将入射激光束垂直聚焦到被测样品的表面上，所述的散射光探测器收集被测样品表面的散射光，所述的反射光探测器收集被测样品表面的反射光，行触发探测器用于大口径元件测量过程中精确控制旋转棱镜和振镜的运动，各部件均通过计算机实现远程控制。

一种大口径材料表面散射的高速测量方法，包括以下步骤：

①通过调整旋转棱镜和振镜，使测试激光束照射在大口径样品的初始采样位置；

②组合旋转棱镜和振镜，使入射激光束在待测样品的表面从初始采样位置匀速运动到下一位置，同时，散射光探测器保持连续的光强信号采集，光强信号的积分时间等于激光光束从初始采样位置匀速运动到下一位置所需要的时间，记录散射光探测器采集到的光强信号值，记为χ₁；

③重复步骤②，直到完成待测样品表面上第一行的扫描，得到散射光强信号χ₂，χ₃，……；

④组合旋转棱镜8和振镜9，使激光光束在垂直方向移动到待测样品表面上第二行的起始位置处，重复步骤②和③，直到完成待测样品表面上第二行的扫描测量；

⑤重复步骤④，直到激光光束在待测样品整个表面内完成扫描；

⑥基于散射光探测器测得的信号χ₁，χ₂，χ₃……χ_n-1和χ_n，得到待测样品大口径表面的散射信号分布。

激光器发射的激光光束经所述的激光扩束系统准直扩束后，通过所述的第一高反射镜入射到起偏器产生S偏振光束，该S偏振光束通过偏振分光棱镜的反射后入射到1/4波片中产生圆偏振光，该圆偏振光通过第二高反射镜后入射到旋转棱镜上，旋转棱镜将入射激光束沿水平方向在一定角度范围内连续扫描，同时反射到振镜上，该振镜将入射激光束沿垂直方向在一定角度范围内连续扫描，同时反射到远心场镜上，该远心场镜将入射激光束垂直聚焦到被测样品的表面上，所述的散射光探测器收集被测样品表面的散射光，所述的反射光探测器收集被测样品表面的反射光，行触发探测器用于大口径元件测量过程中精确控制旋转棱镜和振镜的运动，各部件均通过计算机实现远程控制。

与传统大口径材料表面散射的测量技术相比，本发明专利提出的大口径材料表面散射的测量装置和方法主要具有以下优点：

(1)可实现大口径样品表面散射的高速测量。由于系统是采用连续运动棱镜和步进振镜(尺寸小、重量轻)的方式来实现大口径样品表面扫描的，并且散射光探测器一直保持在持续不断的信号采集过程中，与传统测量技术中采用的运动光源和探测器(尺寸大、重量高)的测量方案(散射光探测器首先完成一个位置处的光信号测量，然后光源和探测器移动到下一个测量位置，接着散射光探测器再开始下一次信号采集)相比，本发明专利可以实现大口径材料表面散射的高速测量，面对同样尺寸大小的样品，在选取同样采样点数的情况下，大口径样品表面散射测量所需的时间可以降低到传统方法的百分之一以下。

(2)测量系统结构紧凑，构建成本低。由于系统是采用连续运动棱镜和振镜(尺寸小、重量轻)的方式来实现大口径样品表面扫描的，与传统测量技术中采用的移动光源和探测器(尺寸大、重量高)的测量方案相比，本发明专利所采用的测量系统的结构紧凑，构建开发成本较低。

附图说明

图1是本发明的大口径材料表面散射测量装置的结构图

图2是本发明在大口径材料表面散射测量时所激光束的扫描路线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例：

图1是本实施例的结构示意图，该装置主要包括激光器1，激光扩束系统2，第一高反射镜3，起偏器4，偏振分光棱镜5，1/4波片6，第二高反射镜7，旋转棱镜8，振镜9，远心场镜10，被测样品11，散射光探测器12，反射光探测器13和行触发探测器14。

激光器1采用Thorlabs公司的稳定型He-Ne激光器，其发出中心波长为632.99nm的单色激光，激光器出射功率的稳定性为±0.2％，2为Thorlabs公司的伽利略激光扩束系统，可提供2倍到5倍或者5倍到10倍连续可变的扩束比，3为Thorlabs公司的宽带介质膜高反射镜，在0到45°入射角下，S和P分量偏振光的反射率均大于99％，其波长工作范围为400nm—7500nm，偏振片4采用Thorlabs公司的LPVIS050-MP2形线偏振片，消光比可达到10000以上，偏振分光棱镜5采用Thorlabs公司的宽带偏振分束立方棱镜，6为1/4波片，第二高反镜7采用Thorlabs公司的宽带介质膜高反射镜，在0到45°入射角下，S和P分量偏振光的反射率均大于99％，其波长工作范围为400nm—7500nm，8为旋转棱镜，9为振镜，10为远心场镜，11为被测样品(石英玻璃)，尺寸大小为500mm×500mm，12为散射光探测器，13为反射光探测器，14为行触发探测器。

激光器1用于为测试系统提供激光光束，激光扩束系统2起到对激光光束进行准直和扩束的作用，准直扩束后的激光光束通过第一高反射镜3后入射到起偏器4中，然后产生S偏振光束，S偏振光束接着通过偏振分光棱镜5的反射后入射到1/4波片6中，从而产生圆偏振光，圆偏振光通过第二高反射镜7后入射到旋转棱镜8上(旋转棱镜8可以将入射激光束沿水平方向在一定角度范围内连续扫描)，激光光束经过旋转棱镜8的反射后，入射到振镜9上(振镜9可以将入射激光束沿垂直方向在一定角度范围内连续扫描)，然后振镜9将入射激光束反射进入到远心场镜10上，远心场镜10将激光束垂直聚焦到被测样品11的表面上，散射光探测器12安装在样品测量位置的附近，用于收集被测样品11表面的散射光，反射光探测器13用于收集被测样品11表面的反射光。

本实施例中旋转棱镜8是用于将入射激光束在一定角度范围内进行连续角度扫描的装置，实现该功能的装置还包括但不限于振镜、声光调制器、电光调制器、旋转电机。

本实施例中散射光探测器12和反射光探测器13为实现光电转换的器件，实现该功能的装置包括但不限于光电二极管、电荷耦合元件、光电倍增管。

在如图1所示的大口径材料表面散射的测量系统中，激光器1发出的激光束，经过一系列光学元器件的传输后，照射在被测样品11的表面上，若被测样品11的表面没有缺陷，则入射激光束沿原路返回至1/4波片6后，激光束变为P偏振光，P偏振光经过偏振分光棱镜5透射后入射到反射光探测器13上，反射光探测器13反映被测样品11表面的反射率，若被测样品11的表面有缺陷，则入射激光束发生散射，散射光被散射光探测器12接收，散射光探测器收集到的信号作为待测样品表面缺陷的散射信号。

在大口径材料表面散射的测量过程中，旋转棱镜8一直保持持续的旋转运动，从而使入射激光束沿水平方向在一定角度范围内连续扫描，同时振镜9一直保持步进运动，从而可以使入射激光束沿垂直方向在一定角度范围内完成步进，经过远心场镜10的作用后，旋转棱镜8和振镜9组合运动的效果就是在被测样品11的表面上，垂直入射的激光光束实现了连续的二维扫描运动，激光光束在被测样品11表面上的扫描轨迹如图2所示，激光光束从位置P₁匀速运动到位置P₂，中间不做停留，继续匀速运动到下一个点，直到完成整个待测表面的扫描。

在测试激光光束的匀速运动过程中，散射光探测器12一直处于持续不断的数据采集过程中，散射光探测器12数据采集的积分时间与激光光束在两个取样位置间的运动时间保持高度一致，如激光光束从位置P₁匀速运动到位置P₂所需的时间和散射探测器12数据采集的积分时间一样，在该积分时间内，散射光探测器12收集的光强信号(公式表述如下)即作为待测样品11在P₁P₂区域位置处的散射信号。

当激光光束在待测样品11的整个表面完成扫描后，散射光探测器12也收集完成了待测表面各个位置处的散射光强，通过计算机处理即可获得大口径样品表面散射的强度分布。

基于如图1所示的大口径材料表面散射的高速测量装置，本发明专利同时提出了一种大口径材料表面散射的高速测量方法，主要包括以下步骤：

①通过旋转棱镜8使激光光束在待测样品11表面上，从位置P₁匀速运动到位置P₂，同时使散射光探测器12保持连续的光强信号采集，光强信号的积分时间等于激光光束从位置P₁匀速运动到位置P₂所需要的时间，记录散射光探测器采集到的光强信号值，记为χ₁；

②分别在待测样品11表面上的位置P₂和位置P₃之间，位置P₃和位置P₄之间，……重复步骤①，直到完成待测样品(11)表面上第一行的扫描，得到散射光强信号χ₂，χ₃，……；

③旋转振镜9，使激光光束在垂直方向移动到待测样品11表面上第二行的起始位置处，重复步骤①和②，直到完成待测样品11表面上第二行的扫描测量；

④重复步骤③，直到激光光束在待测样品11整个表面内完成扫描。

⑤基于散射光探测器测得的信号χ₁，χ₂，χ₃……χ_n-1和χ_n，得到待测样品11大口径表面的散射信号分布。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。