基于斜入射光反射差技術檢測微傾角

楊義勤，秦凡凱，孟昭暉，楊 頎，李 超，苗昕揚，趙 昆，詹洪磊

(中國石油大學(北京) 新能源與材料學院中國石油和化工聯合會油氣太赫茲波譜與光電檢測重點實驗室，北京 102249)

角度測量是精密制造、航天發射、天文觀測等領域中的重要環節之一[1]. 其中，微小傾角的測量主要應用于測量和調整精密光學平臺的水平度、數控機床與儀器的直線度等方面，在科研與工業計量中占有重要地位. 目前對微小傾角的檢測主要是利用傾角傳感器感知被測對象偏離平衡位置的程度，分辨率達到0.003°[2]. 但由于傾角傳感器長期在露天等復雜環境下工作，環境溫度變化較大，而傳感器中半導體元件參量會隨溫度變化發生溫度漂移，所以在溫度變化較大的環境下測量誤差較大[3]. 傾角傳感器按照不同的檢測方式分為“液體擺”式、“固體擺”式和“氣體擺”式3種，均基于牛頓第二定律利用重力加速度進行測量[4]. 所以，這類傳感器多采用接觸式測量，需要固定在一定平面上使用，這在某些特定情況下可能會受到限制.

斜入射光反射差(Oblique-incidence reflectivity difference, OIRD)技術作為近年發展起來的光學測試手段，對材料表面性質非常敏感，可通過檢測入射光s和p偏振分量反射系數的差異獲取表面信息[5]. OIRD的裝置簡單，信噪比高，可實現非接觸、無損傷檢測，具有突破衍射極限的探測靈敏度和空間分辨率. 目前，OIRD技術可用于高通量微陣列中生物分子的識別與反應過程的檢測[6]、薄膜生長的實時原位監測[7]以及油氣儲層潛能的表征與分析，如研究液體分子的吸附動力學[8]，表征儲層中的孔隙裂縫，研究頁巖的電容率的各向異性特征，表征礦物晶體的表面形貌[9-12]，等等. 鑒于OIRD技術在表面性質表征與評價的優勢，該技術在石油、材料、生物等領域具有良好的應用前景.

本文介紹了OIRD技術檢測小傾角表面的機理，利用OIRD測試系統對20號鋼的微傾表面進行掃描成像. 不同位置的信號強度差異明顯，這表明OIRD倍頻信號對小傾角敏感，因此OIRD技術可直觀表征柱狀材料的小角度傾斜現象.

1 實驗原理

OIRD技術通過對偏振光反射率的相對變化進行檢測，從而獲取樣品表面信息. 激光斜入射的條件下，根據菲涅耳公式，樣品表面對s和p偏振光的反射率不同. 當入射角度一定時，反射率隨樣品表面層的電容率或厚度發生變化，而物質表面成分、結構和密度等都會引起電容率的變化，且在變化過程中，s與p偏振分量的反射率變化不一致. 因此，可以通過檢測s和p偏振光反射率的相對變化檢測樣品的表面特征.

被測面與下表面呈一定傾斜角度的樣本，在傾斜方向上存在最高點與最低點，而在垂直于傾斜方向，同一水平線上各點的高度相同，傾斜面上不同位置存在高度差. 使用OIRD技術檢測傾斜樣品表面的高度變化，當測試光束照射到傾斜面上時，由于高度差的存在，不同位置的反射系數不同，探測到的反射光存在相位差. 樣品傾斜表面對s和p偏振光的反射率將隨位置的不同發生變化，在此過程中s和p偏振光的反射率變化并不一致，根據OIRD技術原理，通過檢測2束偏振光反射率差值的變化，能夠獲取傾斜樣品被測面的表面信息，達到傾角檢測的目的.

2 實驗儀器與樣品

OIRD檢測系統示意圖如圖1所示，由He-Ne激光器發出波長為632.8 nm的線偏振光，先經起偏器轉變為p偏振光，之后由光彈調制器對其進行調制，使p偏振光在s與p偏振態之間呈周期性變化，調制頻率為50 kHz. 調制后的2束偏振光由相移器引入固定相位差，再經透鏡聚焦斜入射到樣品表面，入射角接近布儒斯特角. 反射光經過透鏡與檢偏器后被光電探測器接收并轉化為電信號，最后由鎖相放大器將電信號放大并提取出基頻信號I(Ω)與倍頻信號I(2Ω).

圖1 OIRD檢測示意圖

由于OIRD掃描測試對樣品表面光潔度要求較高，而鋼鐵材料兼具強度與塑性，易獲得測試所需的光滑表面，因此，選用含碳質量分數為0.2%的20號鋼作為實驗樣品. 實驗樣品如圖2所示，其直徑為15 mm，高度為18 mm，待測表面傾斜角為0.23°. 實驗前需要對20號鋼表面預處理：使用400#，800#，1200#，1500#的砂紙對樣品待測面進行逐級打磨，再將待測面用絨布拋光機拋至光亮無痕. 實驗過程中，利用高精密位移平移臺實時改變樣品的測試點，對樣品二維掃描，相鄰2點的掃描步長為5 μm，掃描速率為0.01 mm/s. 將測試點的空間坐標及其對應的OIRD信號強度相結合可得到樣品的OIRD成像圖.

圖2 實驗樣品

3 結果與討論

隨機選取樣品表面為0.3 mm×0.3 mm的區域，利用OIRD系統進行二維掃描，倍頻信號的成像結果如圖3所示. 圖3中OIRD信號的絕對值代表倍頻信號的大小，顏色代表信號幅值. 掃描起始位置信號強度最小，顏色呈深紅色，掃描終止位置信號強度最大，顏色呈紫色. 從起始到終止，信號強度由1.526×10-5V向3.624×10-5V逐漸增大. 在另一對角線上，各測試點的信號差異較小，顏色較為均一. 不同位置的信號強度不同，反映了樣品表面信息的位置變化. 總體上，對于傾斜表面樣品，倍頻信號成像圖呈現傾斜狀態，且傾斜方向與樣品表面保持一致.

圖3 掃描區域倍頻信號成像圖

為進一步探究20號鋼表面倍頻信號的分布特征，選取測試區域內2條對角線上的信號進行深入分析，如圖4所示.

從掃描數據中分別選出2條對角線上的倍頻信號值，并計算其信號變化率為

(1)

式中，smax為信號最大值，smin為信號最小值.

圖4顯示了不同對角線上倍頻信號的分析結果. 正對角線上信號呈類似線性的變化趨勢，各測試點的信號強度隨測試長度的增加而增大，信號變化率達到81.5%. 在另一對角線上，倍頻信號出現一定程度的波動，但變化范圍較小，信號變化率為33.3%，明顯小于另一對角線上的信號變化率，說明在掃描的正方形區域內，2條對角線分別接近但不完全重合于樣品的傾斜方向及其垂直方向. 成像結果表明OIRD倍頻信號對材料表面的小角度傾斜十分敏感，OIRD技術可用于小角度傾斜表面檢測.

圖4 沿不同對角線的倍頻信號分布

基于倍頻信號與反射光相位的關系，研究了小角度傾斜表面的OIRD檢測原理. 根據OIRD技術原理，OIRD的倍頻信號強度是反射系數差值δrp與δrs的函數，I(2Ω)隨δrp與δrs變化.

(2)

式中，α為檢偏器的透振方向與p偏振方向的夾角，rs0和rp0分別表示樣品起始測試位置對s和p偏振光的反射系數，rs與rp分別表示后續測試位置對s和p偏振光的反射系數，r=|r|eiφ，δr為r與r0的差值.

如圖5所示，對于傾斜表面，1與2設定為高、低位置點的入射光，1′與2′分別為高、低位置點的反射光，11′與22′之間的光程差為

Δ=|2lcosφincsinθ|,

即在傾角測量過程中，不同位置存在光程差. 由光程差與相位差的關系可知，當波長一定時，反射光相位差δ隨光程差Δ的增大而增大，

(3)

因此，當波長λ、入射角φinc與表面傾角θ一定時，δrp與δrs將隨位置發生變化；當波長λ、入射角φinc與測試長度一定時，δrp與δrs將隨表面傾角θ發生改變. 但δrp與δrs的變化不一致，從而影響倍頻信號的強度.

圖5 傾斜樣品表面不同位置的光路圖

當樣品表面傾斜時，經過最高點與最低點的光程相差最大，I(2Ω)隨光程差變化. 因此，圖3中在正對角線上，從起始位置到終止位置δrp與δrs隨光程逐漸變化，I(2Ω)增大，顏色逐漸變為紫色. 圖4中正對角線上的信號變化率達到了81.5%. 由于垂直于傾斜方向的表面厚度差最小，各測試點幾乎位于同一水平面上，光程沒有明顯差異. 圖4中另一對角線上的信號變化率為33.3%，說明掃描的正方形區域不絕對平行或垂直于斜面傾斜方向. 2條對角線上倍頻信號變化的分析結果表明，對傾斜角度為0.23°，0.3 mm×0.3 mm的區域，OIRD技術能夠清晰地表征樣品上下表面的傾斜現象.

4 結 論

利用OIRD技術對20號鋼微傾表面掃描成像，探究了不同位置對OIRD的響應特征. 結果表明：倍頻信號的成像圖直觀地展現出樣品表面的傾斜特征，且不同位置的信號差異反映出表面變化. 不同位置存在光程差，使反射光的相位發生改變，從而導致倍頻信號發生明顯變化. 這表明利用OIRD技術進行微傾角檢測是可行的.