王璐璐

摘 要 文章研究了激光散射测量的基本原理和相关技术。以双向反射分布函数（BRDF）为理论基础，设计了一种角分辨空间激光散射测量系统。对激光散射自动测量系统总体结构进行设计，在系统中使用高灵敏度的光电倍增管、用锁相放大器检测微弱信号，实现了微弱信号自动检测。采用LabVIEW软件进行编程，实现了计算机与锁相放大器之间的数据传输和对运动系统的控制，实现了整个系统的自动化测量。

关键词 双向反射分布函数（BRDF）；角分辨空间激光散射；微弱信号检测；光电探测器

中图分类号 TN2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）207-0112-02

光通过具有疵病的光学元件或系统时，会产生散射和能量损失，可能产生衍射条纹，膜层的破坏，有害炫耀和疵病形变等现象，影响光学系统成像质量、测量精度及寿命等。随着科学技术的飞速发展，光学元件表面疵病及其引起的光散射已成为散射特性研究中的基础和关键问题之一[ 1 - 2 ]。由于双向反射分布函数（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）不但能够描述各种表面的方向散射特性，并且能描述光辐射特性，它可以反映除几何特征以外几乎所有的光学特性，因此本文以双向反射分布函数（BRDF）为理论基础，设计了一种角分辨空间激光散射测量系统，此系统能够获得光学元件表面散射光的光强及其空间分布，通过散射光分布来分析光学样品表面形貌特征。

1 系统测量原理与系统

使用光散射测量技术对光学元件表面散射光是目前发展比较为快速和成功的技术，由于人们对此技术做了大量的研究，使光散射测量系统成为测量光学元件表面质量的主要方法之一[ 3 - 5 ]。根据实验所需，本系统选择角分辨（ARS）散射测量法。

角分辨散射（Angle Resolved Scattering，简称ARS）测量法是用散射光的光强及分布来测量表面粗糙度参数及其散射光[6-8]。当一束激光投射到样品表面后，其镜向反射光和散射光是在一个半球面内，且各点光强不同。当样品表面非常光滑时，光强主要分布在镜面方向。样品表面越粗糙，镜向的反射光强就越弱，散射光就越强[7-9]。使用光电探测器对反射散射光强进行探测，然后经过分析、计算，就可得到被测表面的散射光分布情况。在角分辨散射（ARS）测量系统中，一般光电探测器以样品为中心，围绕样品作圆周运动，测得散射光强及分布。测量时，由于散射光信号非常微弱，因此采用锁相放大器对信号进行锁相放大。并且由于测量数据很多，因此通常采用计算机进行数据采集和分析。以双向反射函数为理论基础，参考国内外空间光散射测量装置，设计出了一种角分辨空间激光散射测量系统，示意图如图1所示。

本测量系统所用旋转台是高精密电动旋转台，具有高运动特性，高定位性能。可以方便地消除机械误差，保证长期的使用精度。平移台是小尺寸增强精密型电动位移台，具有更高的分辨率和定位精度。标配二相步进电机，稳定、可靠。可以控制1-4轴运动。可以实现对多个电动位移台、旋转台进行联合控制。

系统采用波长为632.8nm的HeNe激光器作为光源，激光器出射的高斯光束具有一定的发散角，首先使用斩波器对光源进行调制，调制频率作为锁相放大器的输入参考频率，光束通过扩束镜、聚焦镜，并转折后以一定角度入射到光学元件表面发生散射，散射光经导光管入射到探测器光敏面上。探测器安装在旋转台上，通过步进电机控制旋转台运动，带动探测器以待测光学元件为中心做圆周运动，探测器将探测到的散射光信号转换为电信号之后送入锁相放大器去噪处理，再经数据采集组件A/D转换后送入计算机进行处理计算，可得到光学元件表面疵病引起的散射光的光强及其空间分布，来分析疵病与散射光的关系。

如图2所示，探测器安装在旋转台上，通过步进电机控制旋转台运动，带动探测器以待测光学元件为中心作圆周运动，通过改变平面镜2的倾角和高度，实现以待测光学元件为中心的不同圆周上的散射光测量，从而实现BRDF测量。

2 实验

由图3、4可以看出，无论划痕与入射光在水平面投影平行还是有一定夹角，散射率都会随着角度Φ的增大，散射率逐渐减小，且非线性相关。经过多次重复实验，结果都与图3、4趋势相同，具有很好的可重复性。

3 结论

本文以双向反射分布函数为理论依据，在参考国内外空间光散射测量方法与装置的基础上，通过对不同方案的研究，采用相关检测技术，实现微弱光信号的探测，完成了一种新的空间激光散射测量系统的设计，实现了半球空间光散射的快速准确测量，并进行了重复性实验。结果准确，且具有好的重复性，以直线型划痕为例，对光学元件表面疵病与其散射光关系进行了研究。实验结果表明，角分辨空间激光散射测量系统的设计运行可靠，合理。

参考文献

[1]王亚伟.光散射理论及其应用技术[M]，北京：科学出版社，2013（9）：19-23.

[2]John C. Stover. Optical Scattering-Measurement and Analysis[M]. 2th ed. Washington：SPIE，1995.

[3]Bloomstein T M， Hardy D E， Gomez L， et al. Angleresolved scattering measurements of polished surfaces and optical coatings at 157 nm[J]. Proceedings of SPIE一The International Society for Optical Engineering， 2003， 5040：742-752.

[4]張深仓.BRDF测量系统光源驱动的稳定性分析[D].西安：西安电子科技大学，2014.

[5]闰丽荣.低损耗光学元件散射特性测试技术研究[D].西安：西安工业大学，2012.

[6] Schroder S， Herffurth T，I3laschke H，et al. Angle-resolved sc<；ttering： an effective method for characterizing thin-film coatings[J]. Applied optics，2011 ，50（9）： C164-C171.

[7]刘强.日标表面激光双向反射分布函数的测量与优化统计建模[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[8]吴振森，江荣熙，等.不同表面激光双向反射分布函数的实验研究[J].光学学报，1996，16（3）：262-268.

[9]王少刚.角分辨空间激光散射测量技术研究[D].西安：西安工业大学，2016.