一种用于元件表面的散射特性测量装置及方法

1.本发明涉及元件特性参数的测量，尤其涉及一种用于元件表面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其表面粗糙度均方根值(rms)小于1纳米的元件，其物理结构和表面的损伤程度也具有严格的要求，超光滑表面元件的表面残余应力极小,具有完整的晶格结构。
3.超光滑表面元件，由于其优异的表面特性被广泛应用在激光陀螺、航空航天、纳米薄膜以及超精密加工制造等领域。元件表面的散射特性是影响元件质量的关键因素。例如在高功率激光领域，光学元件的散射特性会在相当程度上影响系统的整体水平。因此，散射特性作为光学领域中的一个关键性指标，精确测量超光滑表面元件上的分布，对杂散光的测量与抑制、高端光学仪器的研制与装调等都具有重要意义。对于超光滑的表面，其散射光水平极其微弱。传统的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，但该检测方法主要是针对元件面形观测，对检测元件散光特性效率较低，需要专业的技术人员进行操作，且检测成本高昂，同时在检测过程中，工作距离一般都比较短，极易造成元件表面损伤。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种用于元件表面的散射特性测量装置及方法，目的是解决现有的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，但该检测方法主要是针对元件面形观测，对检测元件散光特性效率较低，需要专业的技术人员进行操作，且检测成本高昂，同时在检测过程中，工作距离一般比较短，极易造成元件表面损伤的技术问题。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种用于元件表面的散射特性测量装置，其特殊之处在于：包括积分球a、积分球b、衰减模块、光源组件、第一探测器、第二探测器以及数据处理单元；
7.所述积分球a上设有入射口、第一出射口、采样口以及第二出射口；所述光源组件对应设置在所述积分球a的入射口外，所述第一探测器对应设置在所述积分球a的第一出射口外；所述采样口与积分球a的入射口及积分球a的第一出射口对应，所述采样口用于设置待测元件；
8.所述积分球b上设有入射口和出射口；所述第二探测器设置对应在所述积分球b的出射口处；
9.所述衰减模块设置在所述积分球a的第二出射口与所述积分球b的入射口之间；
10.所述数据处理单元分别与所述第一探测器和所述第二探测器电连接。
11.以上结构设计基于散射光检测的原理，该测量装置无需进行复杂的调校过程，操作简单、方便快捷。
12.进一步地，所述光源组件包括光源和移频调制器；
13.所述光源设置在所述移频调制器的入射端；
14.所述移频调制器的出射端与所述积分球a的入射口相对。
15.进一步地，还包括第三探测器；
16.所述光源组件还包括分光镜；
17.所述分光镜设置在所述移频调制器与所述积分球a之间；
18.所述积分球a的入射口位于所述分光镜的透射光线所在的光路上；
19.所述第三探测器设置在所述分光镜的反射光线所在的光路上，并与所述数据处理单元电连接。
20.进一步地，所述光源组件还包括光阑；
21.所述光阑设置在所述移频调制器和所述分光镜之间，用于滤除光学噪声。
22.进一步地，还包括具有编码器的转台；
23.所述光源组件设置在所述转台上；
24.所述编码器与所述数据处理单元电连接，用于实时输出所述转台的旋转角度。
25.进一步地，所述光源为激光器。
26.本发明还提供了一种用于元件表面的散射特性测量方法，上述的用于元件表面的散射特性测量装置，其特殊之处在于：
27.步骤1、通过光源组件发射检测光线；
28.步骤2、所述检测光线经所述积分球a的入射口进入积分球a，直至积分球a采样口处的待测元件(8)表面，经待测元件表面散射后，再在所述积分球a)内经反射收集得到第一反射光线，第一反射光线进入位于积分球a第二出射口与积分球b入射口之间的衰减模块，之后执行步骤3至步骤5；所述检测光线还经所述待测元件反射得到第二反射光线，第二反射光线通过所述积分球a的第一出射口直接导出，之后执行步骤6；
29.步骤3、通过衰减模块对所述第一反射光线进行衰减，得衰减光线；
30.步骤4、通过积分球b对所述衰减光线进行积分收集，得到收集光线；
31.步骤5、位于所述积分球b出射口处的第二探测器采集所述收集光线，得到第一光信号，并将所述第一光信号发送至数据处理单元，然后执行步骤7；
32.步骤6、通过第一探测器采集所述第二反射光线，得到第二光信号，并将所述第二光信号发送至所述数据处理单元；
33.步骤7、所述数据处理单元接收所述第一光信号和所述第二光信号，并根据所述第一光信号和所述第二光信号计算待测元件的散射特性。
34.进一步地，所述步骤1具体包括：
35.步骤1.1、通过光源发射初始光线；
36.步骤1.2、通过移频调制器根据预设条件对所述初始光线进行调制，得到检测光线。
37.进一步地，步骤7还包括噪声处理的过程，步骤7具体为：
38.所述数据处理单元接收所述第一光信号和所述第二光信号；
39.将所述移频调制器调制后的光线通过分光镜进行分光，将所述分光镜的透射光线作为检测光线，将所述分光镜的反射光线作为参考光线；
40.通过第三探测器采集所述参考光线，得到参考光信号，并将所述参考光信号发送至所述数据处理单元；
41.所述数据处理单元接收所述参考光信号，并根据所述参考光信号对所述第一光信号和所述第二光信号进行噪声处理；
42.所述数据处理单元根据噪声处理后的第一光信号和所述第二光信号计算待测元件的散射特性。
43.进一步地，在所述分光镜进行分光之前还包括滤光的步骤：
44.将所述移频调制器调制后的光线通过光阑进行滤光处理后入射至所述分光镜。
45.本发明的有益效果：
46.1.本发明提供的用于元件表面的散射特性测量装置及方法，是基于散射光检测的原理建立，无需进行复杂的调校过程，操作简单，检测效率高，待测元件设置在积分球a的采样口处，检测过程为非接触式检测，不会对待测元件表面造成损伤，且无需专业的技术人员进行操作，降低了检测成本。
47.2.本发明在光源后设置了移频调制器，移频调制器能够滤除外界光学噪声，使有效光信号通过，提高了光电信号的信噪比，进而提高了检测结果的准确性。
48.3.本发明在移频调制器后设置了分光镜，通过分光镜能够将移频调制器调制后的光线分出一束反射光线作为参考光线，并通过第三探测器采集得到参考光信号，根据参考光信号对第一光信号和第二光信号进行降噪处理，进一步提高检测结果的准确性。
49.4.本发明的光源组件设置在转台上，能够通过转台改变检测光线的入射角度，实现多角度连续测量，使得检测结构更全面、更精准。
附图说明
50.图1是本发明实施例提供的一种用于元件表面的散射特性测量装置的结构示意图。
51.附图标号：
52.1-积分球a，2-积分球b，3-衰减模块，4-光源组件，41-光源，42-移频调制器，43-分光镜，5-第一探测器，6-第二探测器，7-数据处理单元，8-待测元件，9-第三探测器，10-转台。
具体实施方式
53.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。
54.图1是本发明实施例提供的一种用于元件表面的散射特性测量装置的结构示意图，如图1所示，该测量装置可以包括积分球a1、积分球b2、衰减模块3、光源组件4、第一探测器5、第二探测器6、数据处理单元7以及第三探测器9；光源组件4具体包括光源41、移频调制器42、分光镜43以及光阑。
55.积分球a1上设有入射口、第一出射口、采样口以及第二出射口；采样口分别与积分
球a1的入射口及积分球a1的第一出射口对应，采样口用于设置待测元件8。光源41用于发射初始光线，光源41设置在移频调制器42的入射端，本实施例中，光源41具体可以为激光器，一种可能实现的方式中，光源41也可以是其他器件，本发明在此不做限制。移频调制器42的出射端与积分球a1的入射口相对，移频调制器42为高精度移频调制器，用于对光线按预设条件进行调制，同时滤除激光器的低频噪声干扰、环境噪声光干扰以及宽带噪声；光阑设置在移频调制器42的出射端，用于滤除外界的光学噪声，使有效光信号通过；分光镜43设置在光阑与积分球a1之间；分光镜43用于将过滤后的光线进行分光，积分球a1的入射口位于分光镜43的透射光线所在的光路上；第三探测器9对应设置在分光镜43的反射光线所在的光路上。经分光镜43分光后的透射光线为检测光线，经分光镜43分光后的反射光线为参考光线。第一探测器5对应设置在积分球a1的第一出射口外，用于采集经积分球a1采样口处的待测元件8表面反射后通过第一出射口直接导出的光线。光源41、移频调制器42、分光镜43以及光阑全部设置在具有编码器的转台10上，转台10用于带动光源41、移频调制器42、分光镜43以及光阑转动；编码器与数据处理单元7电连接，用于实时输出转台10的旋转角度，以得到检测光线的入射角度。积分球b2上设有入射口和出射口；第二探测器6设置在积分球b2的出射口处；衰减模块3设置在积分球a1的第二出射口与积分球b2的入射口之间；积分球a1用于对待测元件8的各个方向的散射光进行反射积分；衰减模块3用于对积分球a1内部光强过大的光线进行衰减，并给出详细的衰减参数；积分球b2用于对经过衰减模块3整理过的光线进行积分收集；数据处理单元7分别与第一探测器5、第二探测器6以及第三探测器9电连接，数据处理单元7用于对第一探测器5、第二探测器6以及第三探测器9向其发送的光信号进行解调计算等后续处理，生成相应数据，以测量出待测元件8表面的散射特性分布。
56.本发明实施例还提供了一种用于元件表面的散射特性测量方法，包括以下步骤：
57.步骤1、通过光源组件4发射检测光线：
58.步骤1.1、通过光源41发射初始光线，具体的，可以通过激光器发射激光；
59.步骤1.2、通过移频调制器42根据预设条件对初始光线进行调制，将光信号调制到高频区域，从而有效滤除系统以及环境中低频噪声的干扰；
60.步骤1.3、将移频调制器42调制后的光线通过分光镜43进行分光，将分光镜43的透射光线作为检测光线执行步骤2至步骤6，将分光镜43的反射光线作为参考光线执行步骤7至步骤8；
61.步骤2、检测光线经积分球a1的入射口进入积分球a1，直至积分球a1采样口处的待测元件8表面，经待测元件8表面散射后，再在积分球a1内经反射收集得到第一反射光线，第一反射光线进入位于积分球a1第二出射口与积分球b2入射口之间的衰减模块3，之后执行步骤3至步骤5；检测光线还经待测元件8反射得到第二反射光线，第二反射光线通过积分球a1的第一出射口直接导出，之后执行步骤6；
62.也就是说，检测光线进入积分球a1后在待测元件8表面会发生散射和反射，散射的光线通过积分球a1进行反射积分，得到第一反射光线，反射的光线通过积分球a1的第一出射口直接导出。
63.步骤3、通过衰减模块3对第一反射光线进行精确衰减，得衰减光线，即将第一反射光线控制在第二探测器6的最佳响应阈值范围内，以提高第二探测器6的采集精度，值得注意的是，衰减模块3能够精确的给出衰减参数；
64.步骤4、通过积分球b2对衰减光线进行积分收集，得到收集光线，此时就接收到了各级散射光积分的结果；
65.步骤5、位于所述积分球b2出射口处的第二探测器6采集收集光线的光线强度，得到第一光信号，并将第一光信号发送至数据处理单元7；也就是说，此时就采集到了各级散射光积分的结果，然后执行步骤8；
66.步骤6、通过第一探测器5采集第二反射光线的光线强度，得到第二光信号，并将第二光信号发送至数据处理单元7，然后执行步骤8；
67.步骤7、通过第三探测器9采集参考光线的光线强度，得到参考光信号，并将参考光信号发送至数据处理单元7；
68.步骤8、数据处理单元7接收参考光信号、第一光信号和第二光信号，并根据参考光信号对第一光信号和第二光信号进行噪声处理；
69.步骤9、数据处理单元7根据噪声处理后的第一光信号和第二光信号解调，并计算待测元件8的散射特性分布。
70.此外，还可以通过转台10旋转光源41，以改变检测光线的入射角度。实现多角度连续测量。
71.本发明实施例提供的测量方法有效规避了环境噪声光干扰、宽带噪声、激光器的低频噪声干扰等多种噪声干扰，提高了光电信号的信噪比。且可多角度连续测量，实现了全面、高精度测量元件表面散射特性分布。系统操作简单、方便快捷、非接触式测量、对元件表面无损害。可以行之有效的解决超微弱光信号高精度测量的技术问题。
72.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。
73.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。