光學(xué)表面的散射測量方法發(fā)展的趨勢

摘要：光學(xué)表面的光散射測量方法為目前測量光學(xué)元件表面散射特性的一種主要技術(shù)，主要包括角分辨測量法和總積分測量法。本文對上述兩種測量方法的基本原理和實驗裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，并對兩種方法進(jìn)行了比較分析，最后討論了散射測量方法發(fā)展的趨勢。

隨機(jī)粗糙光學(xué)表面的粗糙度是量度光學(xué)元件表面特征的一項重要指標(biāo)，通常為納米量級甚至更低。隨著光學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，光學(xué)元件表面粗糙度及其引起的光散射越來越受到人們的普遍關(guān)注，已經(jīng)成為光學(xué)元件散射特性研究中的基礎(chǔ)和關(guān)鍵問題之一。利用光散射測量光學(xué)粗糙表面是目前發(fā)展較為快速和成功的技術(shù)，人們對這種技術(shù)做了大量的研究工作，使得光散射系統(tǒng)已經(jīng)成為測量光學(xué)元件表面質(zhì)量的主要手段之一。概括起來，光學(xué)表面的散射測量方法主要包括角分辨散射測量法和總積分散射測量法，二者分別以矢量散射理論和標(biāo)量散射理論為理論基礎(chǔ)。

1.角分辨散射測量法

角分辨散射（AngleResolvedScattering，簡稱ARS）測量法是利用散射光的光強及其分布來測量表面粗糙度參數(shù)。一束激光投射到樣品表面上后，其鏡向方向的反射光和散射光分布在一個半球面內(nèi)，半球面內(nèi)各點的光強不同。當(dāng)表面非常光滑時，光強主要分布在鏡向方向。表面越粗糙，鏡向方向的反射光強就越弱，其它點的散射光就越強。用光探測器接收這些不同分布的光強，然后經(jīng)過統(tǒng)計學(xué)和光譜分析或者經(jīng)過光的反射散射計算，就可以得到被測表面的粗糙度值。 在ARS測量裝置中，通常以樣品為中心，光電探測器圍繞樣品在入射平面內(nèi)作接近180°或360°的轉(zhuǎn)動，從而測得非入射平面內(nèi)的散射光。樣品一般能轉(zhuǎn)動和平動，以測量斜入射下的散射特性和掃描樣品上各點的散射系數(shù)。在測量中，散射信號很小，通常要采用鎖相放大器。此外，由于測量數(shù)據(jù)很多，所以常常采用計算機(jī)進(jìn)行自動采集和分析數(shù)據(jù)。圖1即為一種典型的角分辨散射測量儀器。

圖1.ARS測量裝置示意圖

2.總積分散射測量法在總積分散射（TotalIntegratedScattering，簡稱TIS）測量法中，入射光以很小的入射角照射到隨機(jī)粗糙面上，用積分球收集粗糙表面散射的漫反射光或者包含鏡向反射在內(nèi)的總體反射光.標(biāo)量散射理論在微粗糙度條件下建立起了樣品表面最基本的綜合統(tǒng)計特征參數(shù)-均方根（Root Mean Square，簡稱RMS）粗糙度σ與其所有反射方向上的總積分散射TIS之間的關(guān)系，從而使TIS法成為一種測量表面均方根粗糙度的便捷方法。

σ的表達(dá)式

可見，TIS與反映物體表面不規(guī)則起伏程度的RMS粗糙度有關(guān)。實際工作中，對于一般研磨和拋光加工所得到的表面，其微觀起伏通常具有高斯分布特征，所以根據(jù)表面均方根粗糙度就可以了解表面微觀形貌的全部統(tǒng)計特征.因此通過測量樣品表面的總積分散射就可以很方便地得出表面RMS粗糙度，并且可把它作為平面表面光滑程度的重要質(zhì)量指標(biāo)。 TIS測量裝置主要有兩種類型。一種裝有Coblentz半球，即內(nèi)壁鍍有鋁、銀等金屬膜的半球，激光光源垂直照射到置于半球后面的樣品上，被粗糙表面散射的光強由Coblentz半球采集；另一種是用積分球，光源以微小的角度照射到樣品表面上，被表面散射的偏離鏡向反射方向的那部分光強由積分球收集。

圖2.具有 Coblentz球的總積分散射測量裝置

圖2所示的總積分散射測量裝置具有Coblentz球，可分別進(jìn)行背散射或前散射測量，并可分別采用激光器和紫外燈作光源，可測量的波段范圍為193nm~10.6μm。此裝置還可以在真空環(huán)境或以氮氣為凈化氣體的條件下對157nm波長進(jìn)行測量.在背散射測量過程中，利用He-Ne激光器作為光源，波長為632.8nm在2~85°的空間范圍內(nèi)被散射到后半球的光強被Coblentz球所收集，然后被成像到探測元件上。光線照射到樣品上的入射角接近于零度，鏡向反射光束通過Cob lentz球的入射光孔反射出去。

圖3所示為裝有積分球的TIS裝置示意圖。由He-Ne激光器發(fā)出的光束經(jīng)過斬波器和衰減器后以30°角入射到樣品表面上，樣品被安置在積分球內(nèi)的可調(diào)節(jié)支架上。入射角可以按照不同的測量需求來確定，本裝置之所以選擇30°的入射角是由于所研究的樣品主要是用作激光陀螺鏡。積分球內(nèi)的鏡向光束射出積分球后被高效吸收器所吸收，積分球內(nèi)剩余的光能即為樣品的總積分散射，可被探測器采集。為了避免直接探測到樣品的散射光，光路中安裝了光閘。探測器采集到的信號先被饋入前置放大器，然后被輸入鎖相放大器。

圖3.裝有積分球的總積分散射儀 標(biāo)準(zhǔn)散射樣品的表面噴涂有氧化鎂或硫酸鋇，其散射值可由計量部件用漫反射率標(biāo)定。R0為樣品的總反射率，為完全光滑表面的鏡向反射率，可以根據(jù)樣品的光學(xué)常數(shù)計算得到。由于散射信號較小，在測量中應(yīng)盡量減小系統(tǒng)噪聲。系統(tǒng)噪聲包括積分球內(nèi)空氣塵埃的散射，積分球外的雜散光等。為此，在測量時應(yīng)對雜散光進(jìn)行屏蔽，并盡可能在無塵的環(huán)境中測量。樣品的位置也可以移至入射光孔處，這樣測量得到的主要是透射散射。 當(dāng)樣品置于出射光孔處，測量得到的主要是反射散射。已經(jīng)有實驗結(jié)果證明，具有Coblentz半球和積分球兩種裝置的散射儀的測量結(jié)果符合得較好表1所示為利用兩種裝置測量同一組光學(xué)平面所得到的RMS粗糙度結(jié)果，可見兩種結(jié)果還是非常一致的。

表1.具有Coblentz球和積分球的TIS裝置的RM S粗糙度測量結(jié)果3.結(jié)論上述兩種方法均為非接觸式的散射測量技術(shù)，不會損傷樣品的表面。除此以外，二者又各有優(yōu)缺點：(1) ARS法的主要優(yōu)點是可正確測量光散射的空間分布，并通過其全空間積分，得到表面的總積分散射值；不足之處在于，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，測量結(jié)果受環(huán)境和實驗條件的影響較大。(2) TIS法具有儀器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、測量速度快、不易受環(huán)境影響等優(yōu)點;主要缺點是無法獲得光學(xué)表面形貌的全部特征及散射光的空間分布。 隨著高科技的發(fā)展，光學(xué)表面粗糙度光散射測量技術(shù)日益受到各國學(xué)者、工業(yè)和軍事部門的重視。目前國外在這一領(lǐng)域的研究重點已從實驗室的一般原理方法研究發(fā)展到工業(yè)應(yīng)用的研究，大量的工作已經(jīng)集中在表面的大面積自動快速檢測及半導(dǎo)體工業(yè)中亞微米超大規(guī)模集成電路基片微缺陷的研究。另一方面，當(dāng)前的光學(xué)表面粗糙度測量儀器通常都很昂貴，多用于實驗室作為分析研究之用，而在生產(chǎn)現(xiàn)場上很少使用。因此，設(shè)計、研制出一些可實現(xiàn)表面粗糙度的快速、高精度、在線和自動測量，既能滿足生產(chǎn)需要又使用方便的表面粗糙度測量工具和儀器，是今后國內(nèi)外研究的重要方向。

審核編輯：彭菁