光學(xué)表面的光散射測(cè)量方法為目前測(cè)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(cè)量法和總積分測(cè)量法。本文對(duì)上述兩種測(cè)量方法的基本原理和實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，并對(duì)兩種方法進(jìn)行了比較分析。最后討論了散射測(cè)量方法發(fā)展的趨勢(shì)。

　　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(xiàng)重要指標(biāo)，通常為納米量級(jí)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(cè)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(duì)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(cè)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(cè)量方法主要包括角分辨散射測(cè)量法和總積分散射測(cè)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(cè)量法

　　角分辨散射(AngleResolvedScattering，簡(jiǎn)稱ARS)測(cè)量法是利用散射光的光強(qiáng)及其分布來測(cè)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(gè)半球面內(nèi)，半球面內(nèi)各點(diǎn)的光強(qiáng)不同。當(dāng)表面非常光滑時(shí)，光強(qiáng)主要分布在鏡向方向。表面越粗糙，鏡向方向的反射光強(qiáng)就越弱，其它點(diǎn)的散射光就越強(qiáng)。用光探測(cè)器接收這些不同分布的光強(qiáng)，然后經(jīng)過統(tǒng)計(jì)學(xué)和光譜分析或者經(jīng)過光的反射散射計(jì)算，就可以得到被測(cè)表面的粗糙度值。

　　在ARS測(cè)量裝置中，通常以樣品為中心，光電探測(cè)器圍繞樣品在入射平面內(nèi)作接近180°或360°的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而測(cè)得非入射平面內(nèi)的散射光。樣品一般能轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)，以測(cè)量斜入射下的散射特性和掃描樣品上各點(diǎn)的散射系數(shù)。在測(cè)量中，散射信號(hào)很小，通常要采用鎖相放大器。此外，由于測(cè)量數(shù)據(jù)很多，所以常常采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)采集和分析數(shù)據(jù)。圖1即為一種典型的角分辨散射測(cè)量?jī)x器。

2 總積分散射測(cè)量法

　　在總積分散射(TotalIntegratedScattering，簡(jiǎn)稱TIS)測(cè)量法中，入射光以很小的入射角照射到隨機(jī)粗糙表面上，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(jì)特征參數(shù)-均方根(RootMeanSquare，簡(jiǎn)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(cè)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(shí)際工作中，對(duì)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(jì)特征。因此通過測(cè)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(cè)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(qiáng)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(qiáng)由積分球收集。

　　圖2所示的總積分散射測(cè)量裝置具有Coblentz球，可分別進(jìn)行背散射或前散射測(cè)量，并可分別采用激光器和紫外燈作光源，可測(cè)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?dú)鉃閮艋瘹怏w的條件下對(duì)157nm波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量。在背散射測(cè)量過程中，利用He-Ne激光器作為光源，波長(zhǎng)為632·8nm。在2—85°的空間范圍內(nèi)被散射到后半球的光強(qiáng)被Coblentz球所收集，然后被成像到探測(cè)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Coblentz球的入射光孔反射出去。