一種基于激光散射理論的超凈光學(xué)表面檢測(cè)系統(tǒng)

摘 要：文章針對(duì)超凈光學(xué)表面污損較小、檢測(cè)評(píng)價(jià)困難的問(wèn)題，基于微塵對(duì)激光的散射理論，通過(guò)對(duì)低噪聲光電前放設(shè)計(jì)、鎖相放大電路設(shè)計(jì)等研制了超凈光學(xué)表面微塵檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)表面的高精度、高效率、低成本、無(wú)損檢測(cè)，為光學(xué)表面損傷提供了檢測(cè)和標(biāo)定手段。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性、靈敏度和信噪比，能實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑5微米顆粒的精確測(cè)量。

關(guān)鍵詞：超凈光學(xué)表面；激光散射法；微塵檢測(cè)；微弱信號(hào)檢測(cè)

科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，特別是航空航天、國(guó)防軍工、信息技術(shù)、微電子及光電子等尖端科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)材料提出了新的要求[1]。超凈光學(xué)表面的粗糙度和潔凈度是影響激光武器、重大科學(xué)裝置、半導(dǎo)體晶片等性能的重要參數(shù)，因此，對(duì)超凈光學(xué)表面的微缺陷和微污染進(jìn)行檢測(cè)和分析有著極其重要的意義。

與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比，基于激光散射理論的檢測(cè)手段具有高精度、高效率、非接觸的特點(diǎn)，并能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。文章搭建了檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超凈光學(xué)表面的檢測(cè)和評(píng)定。

1 散射理論基礎(chǔ)

假定表面污染物為各向同性、均勻的球型粒子，根據(jù)Mie理論的嚴(yán)格推導(dǎo)，有[2-6]：

其中，I0為入射光強(qiáng)，？姿為入射光波長(zhǎng)，s1和s2為米氏函數(shù)。

2 檢測(cè)原理及實(shí)驗(yàn)裝置

基于激光散射理論檢測(cè)的原理是，當(dāng)激光束以一定角度照射到光學(xué)表面后，會(huì)發(fā)生透射、反射、散射，能量主要集中在反射光和透射光，散射光較微弱。激光束照射在光學(xué)表面的微小顆粒上，其散射光向360°的空間范圍擴(kuò)散，利用微光探測(cè)器接收微弱散射光，可識(shí)別微小顆粒是否存在。當(dāng)照射區(qū)域沒有微小顆粒物時(shí)，接收器接收不到散射光信號(hào)，當(dāng)照射區(qū)域存在微小顆粒時(shí)，接收器會(huì)接收到微小顆粒的散射光信號(hào)，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的散射光信號(hào)強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)分析，可判斷光學(xué)表面的污染程度。基本原理示意圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于散射光比較微弱，系統(tǒng)采用低噪聲前置放大電路及鎖相放大電路實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測(cè)，鎖相放大電路原理示意圖如圖2所示。

圖2中，MCU控制DDS（數(shù)字頻率合成器）產(chǎn)生穩(wěn)定的調(diào)制信號(hào)，通過(guò)激光二極管驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)980nm半導(dǎo)體激光器，同時(shí)提供同頻同相的參考信號(hào)給鎖相放大電路。激光照射到微塵顆粒后的散射光通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過(guò)前置放大電路放大，鎖相放大電路得到與散射光強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值，該信號(hào)通過(guò)ADC采集并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。

根據(jù)光電二極管特性設(shè)計(jì)低噪聲前置放大電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)。前置放大電路圖如圖3所示。

乘法運(yùn)算是鎖相放大的核心部分，選用AD633低成本高精度乘法器，其在滿幅輸出精度誤差只有2%，能夠滿足鎖相放大器電路設(shè)計(jì)要求。鎖相放大電路中的乘法器電路圖如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上原理及裝置，搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。把5μm的微塵顆粒樣品鋪放在樣片上，在照明光源的照射下，調(diào)節(jié)焦距和放大倍數(shù)，使之在顯微相機(jī)上成像，并傳送到顯示終端。同時(shí)，采用與顯微系統(tǒng)同軸的激光照射到微塵顆粒上，激光經(jīng)顆粒散射后，有一部分散射光進(jìn)入信號(hào)接收和處理單元，處理后的數(shù)據(jù)能夠直接在顯示終端輸出。

圖5中的樣片采用光學(xué)加工精度1級(jí)的定制玻片，隨機(jī)涂抹直徑5微米的二氧化硅顆粒，其粒徑分布均勻，如圖6所示。

首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行24小時(shí)拷機(jī)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，在測(cè)試的24小時(shí)內(nèi)，散射強(qiáng)度讀數(shù)變化范圍為22～23，絕對(duì)變化范圍為1，相對(duì)誤差范圍小于0.5，說(shuō)明系統(tǒng)在拷機(jī)過(guò)程中沒有明顯溫飄，具有很好的穩(wěn)定性。

通過(guò)以上系統(tǒng)進(jìn)行5μm 微塵顆粒掃描實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8中右側(cè)為顯微圖像，中間為激光光斑，由圖可見，視場(chǎng)中有1個(gè)5μm直徑的顆粒。圖8中左側(cè)為微塵檢測(cè)鎖相放大電路采集并發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)，其數(shù)值大小正比于目標(biāo)散射光強(qiáng)度，通過(guò)平移臺(tái)移動(dòng)樣片，使光斑在5μm顆粒上反復(fù)掃過(guò)，即形成圖中左側(cè)散射強(qiáng)度曲線，可見該系統(tǒng)對(duì)于單個(gè)5μm顆粒物具有良好的靈敏度和信噪比。

進(jìn)一步對(duì)兩組不同潔凈度的樣片進(jìn)行全方位掃描實(shí)驗(yàn)，樣片如圖8所示，一個(gè)為方形樣片，另一個(gè)為圓形樣片，掃描測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

由圖11可明顯看出，圓形光學(xué)表面上存在更多或更大的顆粒物，潔凈度較差，因此通過(guò)檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，可以對(duì)光學(xué)表面的潔凈度和粗糙度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章研制的超凈光學(xué)表面微塵顆粒檢測(cè)系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性、靈敏度和信噪比，對(duì)5微米微塵顆粒的散射光具有足夠響應(yīng)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可定性判斷不同光學(xué)表面的潔凈度和粗糙度。文章的研究為超凈光學(xué)表面的檢測(cè)評(píng)定提出了高精度、高效率的解決方案，對(duì)軍工領(lǐng)域和民用領(lǐng)域的光學(xué)表面的無(wú)損檢測(cè)具有重要意義。

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