一种超光滑表面元件的散射特性测量装置及方法

1.本发明涉及超光滑表面元件的测量，涉及一种超光滑表面元件的散射特性测量装置及方法。


背景技术：

2.超光滑表面元件是指表面粗糙度均方根值(rms)小于1纳米的光学元件，并且对该光学元件的物理结构和表面损伤程度也有严格的要求，即其表面残余应力极小，且具有完整晶格结构、高表面精度、低表面瑕疵和亚表面损伤。
3.进入21世纪以来，科学技术高速发展，电子学领域、纳米薄膜技术、光学及其相关技术也迎来了飞速发展，超光滑表面加工技术的地位日益突出，航空航天、高能激光反射镜、激光陀螺、纳米薄膜制备等都对超光滑表面加工技术提出了极高的要求。除了加工技术外，超光滑表面的检测技术同样也是制约该领域发展的重要一环。针对超光滑表面，散射光检测是一种行之有效的方法，但是超光滑表面都是超精密表面，其散射光水平极其微弱。一般传统检测方法是通过高精度显微镜，例如原子力显微镜等进行观测，该方法主要针对元件面形观测，检测效率低、系统结构复杂、成本高昂，而且需要专业的技术人员进行操作，同时检测过程中，工作距离一般比较短，极易造成元器件表面损伤。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种超光滑表面元件的散射特性测量装置及方法，以解决现有超光滑表面元件散射特性的检测效率低、系统结构复杂、成本高昂，而且需要专业的技术人员进行操作，同时检测过程中，工作距离较短，极易造成元件表面损伤的技术问题。
5.为了达到上述目的，本发明提供了一种超光滑表面元件的散射特性测量装置，其特殊之处在于：包括光源组件、移频调制单元、积分球、平移台、图像采集单元以及数据处理单元；
6.所述光源组件发射入射光线；
7.所述移频调制单元位于入射光线所在光路上，将入射光线分成具有固定频率差的第一光束和第二光束；
8.所述积分球上设有与第一光束对应的第一入射口、与第二光束对应的第二入射口、用于设置待测元件的采样口，以及第一出射口和第二出射口；所述采样口位于从第一入射口进入积分球的第一光束所在光路上，所述第一出射口位于所述第一光束经待测元件反射后的光线所在光路上；
9.所述平移台设置在积分球的采样口处，用于对采样口处的待测元件进行匀速平移；
10.所述图像采集单元对应设置在积分球的第二出射口外；
11.所述数据处理单元与图像采集单元电连接。
12.以上结构设计简单易操作，成本低，采用以上测量装置能够进行无接触式测量，不
会对待测元件表面造成损伤。
13.进一步地，为了提高检测结果的准确性，本发明做了以下改进：
14.还包括聚焦透镜组；
15.所述聚焦透镜组设置在积分球的第二出射口与图像采集单元之间，用于对光线进行汇聚收集。
16.进一步地，所述移频调制单元包括并行设置在入射光线所在光路上的第一移频调制器和第二移频调制器；所述第一移频调制器用于将一部分入射光线调制成第一光束，所述第二移频调制器用于将另一部分入射光线调制成第二光束。
17.进一步地，还包括光阑；
18.所述光阑设置在移频调制单元与积分球之间，用于对所述第一光束及第二光束进行滤光处理。
19.进一步地，所述光源组件包括光源和准直透镜组；
20.所述光源用于发射入射光线；
21.所述准直透镜组设置在光源和移频调制单元之间，用于对入射光线进行准直。
22.进一步地，所述图像采集单元为ccd相机；
23.所述光源为激光器。
24.本发明还提供了一种超光滑表面元件的散射特性测量方法，基于上述的超光滑表面元件的散射特性测量装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：
25.步骤1、通过光源组件发射入射光线
26.步骤2、使所述入射光线经移频调制单元调制为具有固定频率差的第一光束和第二光束；所述第一光束经积分球的第一入射口进入积分球，至积分球采样口处的待测元件表面，同时经待测元件反射形成反射光线，经待测元件散射形成散射光线；所述第二光束经积分球的第二入射口进入积分球；所述反射光线经积分球的第一出射口直接射出；所述散射光线与进入积分球的第二光束相互干涉形成干涉光线，并经积分球的第二出射口射出；
27.步骤3、通过图像采集单元接收所述干涉光线，得到光信号图像，并将所述光信号图像发送至数据处理单元；
28.步骤4、通过位于所述积分球的采样口处的平移台匀速移动待测元件，并重复执行步骤2和步骤3，对待测元件表面进行推扫，直至完成待测元件全部表面的光信号图像采集；
29.步骤5、所述数据处理单元接收推扫过程中得到的全部光信号图像，并根据全部光信号图像计算待测元件的表面散射特性。
30.进一步地，步骤3具体为：
31.通过聚焦透镜组对所述积分球的第二出射口处出射的干涉光线进行收集汇聚；
32.再通过图像采集单元接收收集汇聚后的干涉光线，得到光信号图像，并将所述光信号图像发送至数据处理单元。
33.进一步地，步骤1具体包括：
34.步骤1.1、通过光源发射入射光线；
35.步骤1.2、通过准直透镜组对所述入射光线进行准直，得到准直后的入射光线。
36.进一步地，步骤2具体包括：
37.步骤2.1、使准直后的所述入射光线经移频调制单元调制为具有固定频率差的第
一光束和第二光束；
38.步骤2.2、通过光阑对所述第一光束和第二光束分别进行滤光处理；
39.步骤2.3、使所述第一光束经积分球的第一入射口进入积分球，至积分球采样口处的待测元件表面，经待测元件反射形成反射光线，同时经待测元件散射形成散射光线；使所述第二光束经积分球的第二入射口进入积分球；所述反射光线经积分球的第一出射口直接射出；所述散射光线与进入积分球的第二光束相互干涉形成干涉光线，并经积分球的第二出射口射出。
40.本发明的有益效果：
41.1、本发明的超光滑表面元件的散射特性测量装置和方法是基于散射光检测和激光干涉的原理，将超光滑表面元件表面特性极其微弱的散射光信号通过干涉进行光信号增强，使得图像采集单元采集到的光信号图像中的特征更为明显，以便于数据处理单元更为准确的提取超光滑表面元件的散射特性，提高了测量结果的准确性，该装置效果显著、检测效率高，不需要专业的技术人员。
42.2、本发明在积分球采样口处还设置了平移台，能够对待测元件进行平移推扫，以实现待测元件全部表面的测量，无需人工接触待测元件，能够避免测量过程中对待测元件表面造成损伤。
43.3、本发明的超光滑表面元件的散射特性测量装置设置了移频调制单元将同一入射光线调制成具有固定频率差的两束光，具体的频率差能够根据测量精度要求进行设置，提高了该测量装置的适用范围，使其应用更为广泛。
44.4、本发明的超光滑表面元件的散射特性测量装置采用积分球为第一光束和待测元件表面的散射光线相互干涉提供了优质的干涉环境，能够有效规避激光器的低频噪声干扰、环境噪声光干扰、宽带噪声等多种噪声干扰，提高光电信号的信噪比，使得测量结果更准确。
45.5、本发明在积分球与移频调制单元之间设置了光阑，能够对第一光束和第二光束进行滤光处理，进一步提高了光信号的信噪比，提高测量结果的准确性。
46.6、本发明在积分球与图像采集单元之间设置了聚焦透镜组，一方面能够提高图像采集单元采集图像的全面性，另一方面也能够提高散射特性测量效率。
47.7、本发明的超光滑表面元件的散射特性测量装置整体结构简单，且成本低，适于大范围推广。
附图说明
48.图1是本发明一种超光滑表面元件的散射特性测量装置实施例的结构示意图。
49.附图标号：
50.1-光源组件，11-光源，12-准直透镜组，2-移频调制单元，21-第一移频调制器，22-第二移频调制器，3-积分球，31-第一入射口，32-第二入射口，33-采样口，34-第一出射口，35-第二出射口，4-平移台，5-图像采集单元；6-数据处理单元，7-待测元件，8-聚焦透镜组，9-光阑。
具体实施方式
51.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.图1是本发明一种超光滑表面元件的散射特性测量装置实施例的结构示意图，如图1所示，该散射特性测量装置可以包括光源组件1、移频调制单元2、光阑9、积分球3、平移台4、聚焦透镜组8、图像采集单元5以及数据处理单元6；其中，光源组件1具体包括光源11和准直透镜组12；移频调制单元2包括第一移频调制器21和第二移频调制器22。
53.具体的，光源11用于发射入射光线；本实施例中光源11可以为激光器，则入射光线为激光束；准直透镜组12设置在该激光束所在光路上，用于对激光器发射的激光束进行准直。第一移频调制器21和第二移频调制器22并行设置在激光束所在光路上，第一移频调制器21将一部分准直后的激光束调制为第一光束，第二移频调制器22将另一部分准直后的激光束调制为第二光束，第一光束和第二光束为具有固定频率差的两束光线，频率差范围由具体的测量精度要求确定；光阑9设置在移频调制单元2之后，也就是说，光阑9的一部分位于第一移频调制器21之后，用于对第一光束进行滤光处理，光阑9的另一部分位于第二移频调制器22之后，用于对第二光束进行滤光处理，该光阑9可以是矩形光阑，在另一种可能的实现方式中，还可以是其他形状的光阑，其原则是能够同时对第一光束和第二光束进行滤光处理，对于光阑的具体形状，本发明在此不做限定。光阑9能够滤除第一光束和第二光束中的环境散射光等光学噪声，仅允许有效光信号通过；积分球3设置在光阑9之后，积分球3上设有与第一光束对应的第一入射口31、与第二光束对应的第二入射口32、用于设置待测元件7的采样口33，以及第一出射口34和第二出射口35；经滤光处理后的第一光束通过第一入射口31进入积分球3，并照射在采样口33处的待测元件7表面，在待测元件7表面发生反射形成反射光线，该反射光线直接从积分球3的第一出射口34射出，同时进入积分球3的第一光束还在待测元件7的表面发生散射形成散射光线；经滤光处理后的第二光束通过积分球3的第二入射口32进入积分球3，在积分球3的内壁进行反射，并与待测元件7表面形成的散射光线相互干涉，使得微弱的散射光信号增强，形成干涉光线，该干涉光线从积分球3的第二出射口35射出，积分球3能够在消除背景噪声和外界噪声光干扰的情况下，使两路光信号在积分球内进行干涉，为两路光信号提供优质的干涉环境，发生干涉后的光信号信噪比能够得到很大程度的提高，使得最终的测量精度显著提高；平移台4设置在积分球3的采样口33处，待测元件7可以安装在平移台4表面，使得待测元件7在积分球3的采样口33处匀速移动；具体地，当第一光束照射在待测元件7表面时，通过平移台4匀速移动待测元件7，使得第一光束能够对待测元件7的表面进行高精度推扫，其检测结果更为全面；聚焦透镜组8对应设置在积分球3的第二出射口35外，用于对出射的干涉光线进行收集汇聚；图像采集单元5设置在聚焦透镜组8之后，本实施例中图像采集单元5可以是ccd相机，该ccd相机主要用于接收收集汇聚后的干涉光线，并将其转为光信号图像发送给数据处理单元6；数据处理单元6与ccd相机电连接，数据处理单元6接收到ccd相机发送的光信号图像后，对光信号图像进行解调分析处理，计算得到待测元件7表面的散射特性。
54.本发明提供的超光滑表面元件的散射特性测量装置基于散射光检测和激光干涉
的原理，将超光滑元件表面微弱的散射光线通过激光干涉原理进行光信号增强，使得问题表面光信号凸显，以便于更准确的分析处理，提高超光滑表面元件散射特性测量的准确性。此外，本发明采用积分球为激光干涉提供优质的干涉环境，能够有效规避激光器的低频噪声干扰、环境噪声光干扰、宽带噪声等多种噪声干扰，提高了光电信号的信噪比，实现了非接触式检测，能够高效且准确的探测超光滑表面元件的极微弱散射光信号，其结构简单，操作简便。
55.本发明还提供了一种超光滑表面元件的散射特性测量方法，包括以下步骤：
56.步骤1、通过光源11发射入射光线；该光源11可以是激光器；
57.步骤2、通过准直透镜组12对入射光线进行准直，得到准直后的入射光线；
58.步骤3、使准直后的入射光线经移频调制单元2调制为具有固定频率差的第一光束和第二光束；通过光阑9对第一光束和第二光束分别进行滤光处理；然后，第一光束经积分球3的第一入射口31进入积分球3，直至积分球3采样口33处的待测元件7表面，经待测元件7反射形成反射光线，经待测元件7散射形成散射光线；第二光束经积分球3的第二入射口32进入积分球3；反射光线经积分球3的第一出射口34直接射出；散射光线与进入积分球3的第二光束相互干涉形成干涉光线，并经积分球3的第二出射口35射出；
59.该移频调制单元2具体包括并行设置在入射光线所在光路上的第一移频调制器21和第二移频调制器22，第一移频调制器21用于将一部分入射光线调制成第一光束，第二移频调制器22用于将另一部分入射光线调制成第二光束；第一光束和第二光束的频率差具体根据待测元件以及测量精度要求而定；
60.步骤4、通过聚焦透镜组8对积分球3的第二出射口35处出射的干涉光线进行收集汇聚；
61.步骤5、通过图像采集单元5接收收集汇聚后的干涉光线，得到光信号图像，并将光信号图像发送至数据处理单元6；该图像采集单元5可以是ccd相机；
62.步骤6、通过位于积分球3的采样口33处的平移台4匀速移动待测元件7，重复执行步骤2至步骤5，对待测元件7表面进行推扫，直至完成待测元件7全部表面的光信号图像采集；
63.步骤7、数据处理单元6接收推扫过程中得到的全部光信号图像，并根据全部光信号图像中各个像素的灰度排布特点绘制散射特性曲线，得到待测元件7的表面散射特性。
64.该方法简单易操作，无需专业技术人员，节省成本。
65.通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
66.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。