一種基于激光散射理論的超凈光學表面檢測系統

摘 要：文章針對超凈光學表面污損較小、檢測評價困難的問題，基于微塵對激光的散射理論，通過對低噪聲光電前放設計、鎖相放大電路設計等研制了超凈光學表面微塵檢測系統，實現了光學表面的高精度、高效率、低成本、無損檢測，為光學表面損傷提供了檢測和標定手段。實驗表明，系統具有很好的穩定性、靈敏度和信噪比，能實現對直徑5微米顆粒的精確測量。

關鍵詞：超凈光學表面；激光散射法；微塵檢測；微弱信號檢測

科學技術的迅速發展，特別是航空航天、國防軍工、信息技術、微電子及光電子等尖端科學技術的不斷發展，對材料提出了新的要求[1]。超凈光學表面的粗糙度和潔凈度是影響激光武器、重大科學裝置、半導體晶片等性能的重要參數，因此，對超凈光學表面的微缺陷和微污染進行檢測和分析有著極其重要的意義。

與傳統的檢測方法相比，基于激光散射理論的檢測手段具有高精度、高效率、非接觸的特點，并能實現實時檢測。文章搭建了檢測系統，實現了對超凈光學表面的檢測和評定。

1 散射理論基礎

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

其中，I0為入射光強，？姿為入射光波長，s1和s2為米氏函數。

2 檢測原理及實驗裝置

基于激光散射理論檢測的原理是，當激光束以一定角度照射到光學表面后，會發生透射、反射、散射，能量主要集中在反射光和透射光，散射光較微弱。激光束照射在光學表面的微小顆粒上，其散射光向360°的空間范圍擴散，利用微光探測器接收微弱散射光，可識別微小顆粒是否存在。當照射區域沒有微小顆粒物時，接收器接收不到散射光信號，當照射區域存在微小顆粒時，接收器會接收到微小顆粒的散射光信號，根據區域內的散射光信號強度統計分析，可判斷光學表面的污染程度。基本原理示意圖如圖1所示。

3 系統設計

由于散射光比較微弱，系統采用低噪聲前置放大電路及鎖相放大電路實現微弱信號的檢測，鎖相放大電路原理示意圖如圖2所示。

圖2中，MCU控制DDS（數字頻率合成器）產生穩定的調制信號，通過激光二極管驅動電路驅動980nm半導體激光器，同時提供同頻同相的參考信號給鎖相放大電路。激光照射到微塵顆粒后的散射光通過光電探測器轉變為電信號，再通過前置放大電路放大，鎖相放大電路得到與散射光強度相對應的信號幅值，該信號通過ADC采集并進行模數轉換后，通過串口發送給上位機。

根據光電二極管特性設計低噪聲前置放大電路，將電流信號轉為電壓信號。前置放大電路圖如圖3所示。

乘法運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計要求。鎖相放大電路中的乘法器電路圖如圖4所示。

4 實驗

根據以上原理及裝置，搭建實驗系統如圖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，調節焦距和放大倍數，使之在顯微相機上成像，并傳送到顯示終端。同時，采用與顯微系統同軸的激光照射到微塵顆粒上，激光經顆粒散射后，有一部分散射光進入信號接收和處理單元，處理后的數據能夠直接在顯示終端輸出。

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

首先對系統進行24小時拷機測試，測試結果如圖7所示。由圖7可知，在測試的24小時內，散射強度讀數變化范圍為22～23，絕對變化范圍為1，相對誤差范圍小于0.5，說明系統在拷機過程中沒有明顯溫飄，具有很好的穩定性。

通過以上系統進行5μm 微塵顆粒掃描實驗，實驗結果如圖8所示。

圖8中右側為顯微圖像，中間為激光光斑，由圖可見，視場中有1個5μm直徑的顆粒。圖8中左側為微塵檢測鎖相放大電路采集并發送給上位機的數據，其數值大小正比于目標散射光強度，通過平移臺移動樣片，使光斑在5μm顆粒上反復掃過，即形成圖中左側散射強度曲線，可見該系統對于單個5μm顆粒物具有良好的靈敏度和信噪比。

進一步對兩組不同潔凈度的樣片進行全方位掃描實驗，樣片如圖8所示，一個為方形樣片，另一個為圓形樣片，掃描測試結果如圖9所示。

由圖11可明顯看出，圓形光學表面上存在更多或更大的顆粒物，潔凈度較差，因此通過檢測和統計分析，可以對光學表面的潔凈度和粗糙度進行評價。

5 結束語

文章研制的超凈光學表面微塵顆粒檢測系統具有很好的穩定性、靈敏度和信噪比，對5微米微塵顆粒的散射光具有足夠響應，通過對數據的統計分析可定性判斷不同光學表面的潔凈度和粗糙度。文章的研究為超凈光學表面的檢測評定提出了高精度、高效率的解決方案，對軍工領域和民用領域的光學表面的無損檢測具有重要意義。

參考文獻

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