基於微分散射的亞埃級超光滑透明表面測試系統的製作方法
2023-05-24 08:21:56 1
專利名稱：基於微分散射的亞埃級超光滑透明表面測試系統的製作方法
技術領域：
本發明是一種應用於亞埃級超光滑透明表面的高精度測試系統，屬光學檢測領域。
背景技術：
在雷射陀螺的研製生產過程中，超光滑基片是極其重要的，它是製作高質量高反鏡的基礎。目前，為了滿足高精度雷射陀螺研製生產的需要，經過超拋的熔石英或微晶玻璃基片的表面均方根粗糙度(RMS)已經做到了小於1A，甚至達到了 0.6 A (原子力顯微鏡測量數據)，這幾乎是目前所有高級表面測試儀器的測試極限，對超光滑基片表面的測試和挑選具有極大的挑戰性。鑑於雷射陀螺對反射鏡表面粗糙度的嚴苛要求以及反射鏡表面粗糙度與散射的直接關係，在雷射陀螺反射鏡的加工過程中常採用光散射法對超光滑基片表面進行檢測。相對於其他的表面測試系統，利用光散射法對超光滑表面的測量具有速度快，測試面積大，費用低廉，簡單易操作等特點。但是，由於散射光的強度本身較弱，一方面不容易被精確探測，另一方面也容易受到外界的幹擾，導致引入較大的測量誤差。所以，最大限度的抑制外界噪聲，精確高效地測量基片的表面粗糙度一直都是人們關注的一個難點問題。對於高精度雷射陀螺研製生產過程中使用的透明基片來說，當光入射到基片上時，其表面微觀起伏會引起光的散射，稱為表面散射；同時，其內部折射率的起伏也會產生光的散射，稱為基片的體散射。由於需要檢測的基片表面非常光滑，表面散射非常微弱，如果伴隨有基片的體散射，將導致測量數據不能真實反映基片表面的微觀結構信息，甚至可能發生表面散射完全被體散射淹沒的情況。所以對於亞埃級超光滑透明基片來說，如何有效抑制體散射的影響，獨立有效測量基片的表面散射將是一個亟待解決的問題。
發明內容
本發明的目的是利用光的偏振特性消除透明基片體散射，獨立有效的測量基片的表面散射，藉此來表徵亞埃級超光滑表面的微觀結構。為實現本發明目的採用的技術解決方案是
一種基於微分散射的亞埃級超光滑表面測試系統，由光源系統，轉臺系統，樣品臺系統，光電檢測系統，數據採集及顯示系統五個部分組成。利用散射光的偏振特性從原理上完全消除體散射，從系統設計上有效抑制外界噪聲，保證測試系統長時間穩定運行，從而保證系統的重複測試精度(1)全剛性聯接結構；(2)精確的轉動角度控制；(3)高效率的光電探測裝置；(4)精確可控且重複性高的偏振方向調節；(5)高效的數據採集系統及數據分析顯不系統。本發明的優點是從原理上完全消除基片體散射對表面散射測試的影響，可以最大限度的抑制體散射；採用雙小孔光闌作為微分散射的探測前端，抑制雜散光等噪聲對探測精度的影響；在增加系統成本較少的前提下，極大的提高了測量系統的精度；採用全剛性聯接安裝方式，消除了儀器相對位置變動帶來的測試誤差；系統使用獨立控制，協同合作的方式，結構簡單、成本低、可靠性高。
圖1為系統測量原理示意圖。圖2為測量系統整體結構示意圖。圖中1.光源；2，8.小孔光闌；3.起偏器；4.基片；5，6.轉臺；7.光吸收器；9.檢偏器；10.光電探測系統；11.數據分析及顯示系統圖3為轉臺系統結構示意圖。圖中A.光學平臺；Bi，B2.轉臺固定板；Cl，C2.結構參數相同的轉臺；D.樣品支撐柱；E.測量系統延伸板
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。對亞埃級超光滑透明基片表面進行光學檢測時，基片的表面散射和體散射的微分散射功率會耦合在一起，從而導致測試的表面散射數據不能完全真實的反映基片表面的微觀形貌特徵。相關研究表明，對於散射平面位於入射平面內的情況，表面散射和體散射光的
偏振方向在s-p平面內會呈現出一定的夾角，如圖1所示，設表面散射光的偏振方向與P軸夾角為α ,體散射光^as的偏振方向與P軸的夾角為於，兩者之差。想要消除體散射對表面散射的影響，選擇具有高消光比的偏振片的透光方向與馬@垂直，理論上來說，體散射被完全消除，此時在偏振片後接收到的微分散射為^^在偏振片透光方向的投影，測
量到的微分散射功率為P5 =A) Sm2爐，即為表面散射的微分散射功率的大小。所以，此測量
系統在原理上具有非常高的可行性和靈活性。測量系統的結構示意圖如圖2所示，由光源發出的非偏振光經過起偏器後成為線偏振光，以一定的角度入射到基片上，被基片散射，此時的散射光既包含基片的表面散射也包含體散射，再經過檢偏器的選擇後被光電探測器接收，最終將基片的表面散射的微分散射功率顯示出來。圖2中小孔光闌的作用主要式為了消除外界的雜散光；轉臺可以實現高精度的相互獨立運轉，保證光的入射角和散射角可以精確且相對獨立的變化；偏振片的偏振方向也必須可以獨立精確控制，保證其在S-P偏振面內可任意選擇偏振方向。為了獲得基於微分散射的亞埃級超光滑透明基片表面測試系統，需要完成以下工作
1.全剛性聯接結構
在亞埃級超光滑透明基片表面測試系統中，所有部件都採用剛性聯接結構，保證各個部分的相對位置保持恆定不變，消除這些可變因素對散射光微分散射功率的影響。做到最大限度消除機械設計帶來的測量誤差。2.相互獨立且高精度的轉臺系統
如圖3所示，C1、C2兩個完全相同的高精度轉臺同軸疊放，且分別用步進電機控制，Cl 通過樣品支撐柱D與基片聯接，可自由改變入射光的入射角度；C2通過與測量系統的延伸板E的剛性聯接，可以獨立改變探測器的接受方向，即散射光的散射角方向。3.精確的偏振角度控制系統由於起偏器和檢偏器的偏振方向是決定整個系統精度的最重要的部件，所以其偏振角度必須由高精度的角度控制器(電動轉臺)來固定。通過控制起偏器和檢偏器的偏振角度選擇，消除基片的體散射，測量其表面散射的大小。4.高消光比的起偏器和檢偏器
原理上來說，只有偏振方向與起偏器和檢偏器的偏振方向一致的光才能透過起偏器和檢偏器，此時的測量系統精度最高，性能最好。實際使用過程中，偏振片對垂直於其偏振方向的光線不可能做到完全消光，所以在系統中選擇消光比非常高的起偏器和檢偏器，可以減少測試系統的誤差。5.高效的雜散光隔離系統
由於亞埃級超光滑表面的表面散射約為IO"8量級，即便只有非常微弱的雜散光進入光電探測器，基片的表面散射會淹沒在噪聲中，導致無法有效測量出表面散射的大小。圖2中的小孔光闌最主要的作用就是消除雜散光，另一方面，整個測量系統需要放置在暗室或者外加光隔離罩的環境內。6.高穩定性的同軸運轉
本發明基於微分散射的一階近似理論，從原理上來說，其同軸性必須達到以下方面 (1)散射平面必須位於入射面內；(2)超光滑表面必須與散射平面垂直；(3)散射光的傳播必須在散射面內。基於上述要求，本發明在運轉過程中必須具有很高的同軸性，在圖2中必須做到(1)整個光路的轉播平面與光學平臺平行；(2)起偏器和檢偏器必須位於s-p平面內；(3)兩個同心轉臺及樣品支撐柱必須同軸放置，其轉動平面平行於光學平臺；(4)透明基片的表面必須與轉臺的中軸線重合放置；(5)轉臺在轉動過程中必須圍繞其中軸線轉動。以上5個方面的同軸性在測量系統運行的過程中必須穩定，不能發生大的偏離。
權利要求
1.一種基於微分散射的亞埃級超光滑透明基片表面測量系統，其特徵是高精度、穩定的測試超光滑表面的微觀結構信息。通過以下步驟實現(1)全剛性聯接結構。在亞埃級超光滑透明基片表面測量系統中，所有部件都採用剛性聯接結構，保證各個部分的相對位置保持恆定不變，消除這些可變因素對散射光微分散射的影響。(2)相互獨立且高精度的轉臺系統。轉臺系統做到分別獨立控制，可以選在在任意的入射角和散射角方向對超光滑基片表面的微分散射功率進行測量。(3)精確的偏振角度控制系統。通過控制起偏器和檢偏器的偏振角度選擇，消除基片的體散射，測量其表面散射的大小。偏振角度的選擇必須做到高精度、連續變化，能夠在任意偏振角度測量其微分散射功率。(4)高穩定性的同軸運轉。測量系統在運行過程中要做到(1)整個光路的轉播平面與光學平臺平行；( 起偏器和檢偏器必須位於s-p平面內；(3)兩個同心轉臺及樣品支撐柱必須同軸放置，其轉動平面平行於光學平臺；(4)基片表面必須與轉臺的中軸線重合；(5)轉臺在轉動過程中必須圍繞其中軸線轉動。
2.如權利要求1所述的基於微分散射的亞埃級超光滑透明基片表面測量系統，其特徵在於運用一階微分散射理論，從原理上完全消除透明基片體散射對表面散射的影響，獨立有效地測試基片表面散射。
3.如權利要求1所述的基於微分散射的亞埃級超光滑透明基片表面測量系統，其特徵在於轉臺、檢偏器、光電探測系統相對於轉臺系統為全剛性聯接方式。
4.如權利要求1所述的基於微分散射的亞埃級超光滑透明基片表面測量系統，其特徵在於可以在不同的入射角和散射角方向對超光滑表面基片進行微分散射檢測。
5.如權利要求1所述的基於微分散射的亞埃級超光滑透明基片表面測量系統，其特徵在於兩個相同的轉臺同軸水平疊放，轉臺採用獨立自由運轉方式，可以進行多角度，大範圍測量。
6.如權利要求1所述的基於微分散射的亞埃級超光滑透明基片表面測量系統，其特徵在於測試樣品通過樣品支撐柱與轉臺同軸固聯，避免了使用樣品延伸臂而導致系統易翻倒的問題。
全文摘要
本發明公開了一種基於微分散射的亞埃級超光滑透明基片表面測量系統，由光源系統、轉臺系統、樣品臺系統、光電檢測系統、數據採集及顯示系統五個部分組成。在如圖所示的轉臺系統中，各個部分均採用全剛性聯接，採用標準緊固螺釘將精密轉臺C1、C2固定在光學平臺A上，並將檢偏器、光電探測器等通過測量系統延伸板E固聯在精密轉臺C2上。利用偏振幹涉原理，以一階微擾微分散射理論為指導，通過選擇合適的起偏方向和檢偏方向來消除基片的體散射，高效獨立測量亞埃級超光滑透明基片表面的微觀結構。本發明能為高精度雷射陀螺研製和生產中使用的熔石英或微晶玻璃基片進行快速、準確的篩選，同時提供了一種超光滑透明基片表面測試的通用方法。
文檔編號G01B11/30GK102253004SQ201110110198
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月29日 優先權日2011年4月29日
發明者楊開勇, 趙雲, 龍興武 申請人:楊開勇, 趙雲, 龍興武