本發(fā)明屬于光學測試技術領域，涉及一種超高反射鏡的積分散射率/積分透射率高精度測量系統(tǒng)，可用于光學表面粗糙度的度量。

背景技術：

超高反射鏡，即散射、透射、衍射等損耗較小的光學元件。該元件的散射、透射和衍射損耗是影響其性能的關鍵因素，對這些參數(shù)的準確測量在很多技術領域都有著非常重要的價值。如：激光陀螺系統(tǒng)中，超高反射鏡的散射和透射特性是影響其精度最主要的因素之一，精確的測量對激光陀螺的制備具有非常重要的指導意義；超高反射鏡制備過程中，散射特性直接反映了元件表面的微觀信息和薄膜微觀質量，精確的超高反射鏡的散射率的測量對獲取元件表面的微觀特征信息，評定光學元件表面微光質量以及提高薄膜的微觀質量，改進光學薄膜的沉積工藝等方面都具有重要價值。

目前，常見的散射率/透射率測量的方法有角分辨測量法和總積分測量法。其中角分辨散射測量法是利用散射光的光強及其分布來測量散射率/透射率，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半球面內，且半球面內各點的光強不同，通過探測器接收這些不同分布的光強，然后經(jīng)過統(tǒng)計學計算，得到被測表面的散射率；其透射光位于鏡片之后，通過探測器接收些光強，經(jīng)過計算，得到被測表面的透射率。該方法由于在半球面內需要進行大量測量并通過統(tǒng)計學估算散射率，所以操作復雜且精度低。目前普遍采用總積分測量法，總積分測量法中，激光器輸出激光經(jīng)斬波器調制，照射到待測樣片表面，散射光或透射光進入積分球，經(jīng)積分球多次反射，通過探測器接收，經(jīng)過與斬波器的參考信號進行相關計算，得到被測表面散射率或透射率。但總積分測量法仍受到環(huán)境光和激光器不穩(wěn)定性的影響，造成測量精度及穩(wěn)定性低。例如：2008年8月，侯海英在《常熟理工學院學報》第22卷第8期發(fā)表的“光學表面的光散射測量方法”中，詳細闡述了光學表面的光散射積分測量方法。該方法中，激光經(jīng)排布于激光器主光軸上的斬波器、凸透鏡和光闌的調制后，照射到待測樣片表面。透射光或散射光經(jīng)積分球多次反射后，被探測器采集。經(jīng)過鎖相放大器對探測器信號解調，通過計算機計算得到散射率。該方法具有較高的準確度,但仍未能有效的解決光源能量抖動的影響，造成穩(wěn)定性低；同時未能對測量環(huán)境進行有效控制，造成測量精度低；而且需要斬波器調制激光并通過鎖相放大器解調，造成操作復雜。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術的不足，提出了一種超高反射鏡的積分散射率/積分透射率高精度測量系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有測量系統(tǒng)存在的精度和穩(wěn)定性低及操作復雜的技術問題。

本發(fā)明的技術思路是：采用連續(xù)激光器作為激光光源，光路部分通過透鏡、偏振片對激光光斑質量和偏振態(tài)進行調制，經(jīng)分束鏡分光，一路經(jīng)衰減片、窄帶濾波片進入探測器，探測器實現(xiàn)光電轉換，轉換后的電信號進入除法器；另一路經(jīng)待測物、積分球進入探測器，探測器實現(xiàn)光電轉換，并通過前置放大器放大電信號進入除法器，與另一路電信號進行除法運算。通過FPGA電路控制A/D模擬數(shù)字轉換器對除法器的輸出電流信號進行數(shù)據(jù)轉換、采集和處理，并將處理結果傳輸至計算機，進入人機交互界面顯示。與此同時，計算機將相應的控制信息發(fā)送至不同的電機控制臺，通過電機的轉動實現(xiàn)激光光斑大小、激光偏振態(tài)、和樣品測量位置的控制。

根據(jù)上述技術思路，實現(xiàn)本發(fā)明目的采取的技術方案為：

一種超高反射鏡的積分散射率/積分透射率高精度測量系統(tǒng)，包括：光路控制模塊1、參數(shù)測量模塊2、基準測量模塊3和測量控制模塊4；其中：

光路控制模塊1包括激光器11、匯聚凸透鏡12、光闌13和分束鏡18，匯聚透鏡12、光闌13和分束鏡18依次排布在激光器11的輸出光路上，且中心與該激光器11的主光軸重合，其中光闌13位于匯聚透鏡12的焦點處。

參數(shù)測量模塊2包括透射樣品載樣臺21、積分球25、散射樣品載樣臺26和第一探測器23，其中積分球25的入光孔位于激光器11的主光軸上；透射樣品載樣臺21位于積分球25的入射端；散射樣品載樣臺26位于積分球25的內表面；第一探測器23位于積分球25的內表面。

基準測量模塊3包括衰減片31和第二探測器33，該衰減片31和第二探測器33位于分束鏡18的次光路上。

測量控制模塊4包括依此相連的前置放大器44、數(shù)據(jù)采集卡42和計算機41。

光闌13后依此設置有準直凸透鏡15和偏振片組17，且其中心位于激光器11的主光軸上，通過軸向位移臺14和電機旋轉臺16的控制，實現(xiàn)對激光光斑大小的調節(jié)和偏振態(tài)的調制；透射載樣臺21和散射載樣臺26用于安裝待測超高反射鏡，并分別通過透射樣品位移臺22和散射樣品位移臺27控制；第一探測器23的前端設置有第一窄帶濾波片24，第二探測器33的前端設置有第二窄帶濾波片32，用于過濾環(huán)境光；前置放大器44后連接有除法器43，用于對基準測量模塊3的輸出信號與前置放大器44的輸出信號進行除法運算。

上述的超高反射鏡的積分散射率/積分透射率高精度測量系統(tǒng)，激光器11，采用連續(xù)激光器。

上述匯聚凸透鏡12和準直凸透鏡15，采用相同規(guī)格的凸透鏡。

上述偏振片組17，由S偏振片、P偏振片和圓偏振片組成，且呈扇形排布。

上述透射樣品位移臺22和散射樣品位移臺27，均采用二維移動的位移臺。

上述第一窄帶濾波片24和第二窄帶濾波片32，其中心波長與激光器11中心波長相等。

上述待測超高反射鏡位于激光器11的主光軸上。

上述第一探測器23和第二探測器33，均采用相同規(guī)格的光電倍增管。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點：

1本發(fā)明由于在參數(shù)測量模塊的第一探測器和基準測量模塊的第二探測器前分別設置有用于過濾環(huán)境光的窄帶濾波片，在透射樣品載樣臺連接了透射樣品位移臺，在散射樣品載樣臺連接了散射樣品位移臺，實現(xiàn)待測超高反射鏡的高精度移動，測量控制模塊中運用了除法器，通過對基準測量模塊的輸出信號和參數(shù)測量模塊的輸出信號相除，有效去除激光光源的不穩(wěn)定性。與現(xiàn)有技術相比，有效地提高了超高反射鏡的積分散射率/積分透射率的測量精度。

2本發(fā)明由于在透射樣品載樣臺連接了透射樣品位移臺，在散射樣品載樣臺連接了散射樣品位移臺，實現(xiàn)待測超高反射鏡的高精度移動，測量控制模塊中運用了除法器，通過對基準測量模塊的輸出信號和參數(shù)測量模塊的輸出信號相除，有效去除激光光源的不穩(wěn)定性。與現(xiàn)有技術相比，有效地提高了超高反射鏡的積分散射率/積分透射率測量穩(wěn)定性。

3本發(fā)明由于采用由計算機控制的軸向位移臺、電機旋轉臺、透射樣品位移臺和散射樣品位移臺，實現(xiàn)了超高反射鏡的積分散射率/積分透射率的測量的自動化控制，與現(xiàn)有技術相比，簡化了測量操作。

4本發(fā)明由于在光闌后加入由軸向位移臺控制的準直凸透鏡，通過移動控制激光光斑大小，與現(xiàn)有技術相比，實現(xiàn)了超高反射鏡的積分散射率/積分透射率測量面積的實時調節(jié)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步詳細描述。

參照圖1，本發(fā)明包括光路控制模塊1、參數(shù)測量模塊2、基準測量模塊3和測量控制模塊4；其中：

光路控制模塊1，包括激光器11、匯聚凸透鏡12、光闌13、軸向位移臺14、準直凸透鏡15、電機旋轉臺16、偏振片組17和分束鏡18，其中匯聚凸透鏡12、光闌13、準直凸透鏡15、偏振片組17、分束鏡18由依次排布于激光器11的主光軸上，且中心與該激光器11的主光軸重合，其中光闌13位于匯聚透鏡12的焦點處。匯聚透鏡12與準直透鏡15采用相同規(guī)格的凸透鏡。軸向位移臺14與準直凸透鏡15結合安裝，電機旋轉臺16與偏振片組17結合安裝。偏振片組17，由S偏振片、P偏振片和圓偏振片組成，且呈扇形排布。為實現(xiàn)光源單色性與穩(wěn)定性，激光器11選取連續(xù)激光器。激光器11輸出激光經(jīng)匯聚凸透鏡12匯聚于光闌13處，經(jīng)光闌13過濾激光在光路中反折射形成的激光光暈后，照射到準直透鏡15上。由軸向位移臺14控制的準直凸透鏡15可沿光軸方向移動，實現(xiàn)了激光光斑大小的實時調節(jié)。電機旋轉臺16控制的偏振片組沿垂軸方向轉動，選取不同偏振片進入激光光路，調制激光偏振態(tài)。調制后的激光經(jīng)分束鏡18分光，形成主光路的次光路。

參數(shù)測量模塊2，包括透射樣品載樣臺21、透射樣品位移臺22、第一探測器23、第一窄帶濾波片24、積分球25、散射樣品載樣臺26和散射樣品位移臺27。積分球25入光孔位于分束鏡18形成的主光路上，透射樣片載樣臺21位于積分球25入光孔之前，且裝載透射樣片后，要求透射樣片位于主光路上。散射樣片載樣臺26位于積分球內表面，且裝載散射樣片后，要求散射樣片位于主光路上。透射樣品載樣臺21與透射樣品位移臺22結合安裝，實現(xiàn)透射樣品位移臺22控制的透射樣品載樣臺21在垂直于分束鏡18形成的主光路的方向二維移動，實現(xiàn)透射測量點的選取。散射樣品載樣臺26與散射樣品位移臺27結合安裝，散射樣品位移臺27控制的散射樣品載樣臺26在垂直于積分球25內表面法線方向二維移動，實現(xiàn)散射測量點的選取。第一探測器23的光敏面安置于積分球25的內表面上。由于探測光非常微弱，故第一探測器23選取響應波長包含激光器11中心波長的光電倍增管。第一窄帶濾波片24選取中心波長與激光器11中心波長相同的濾波片，且安置于第一探測器23光敏面之前，用于過濾經(jīng)光路或積分球開口處進入積分球的環(huán)境光。測量超高反射鏡的積分透射率時，在透射樣品載樣臺21上安置待測樣片，在散射載樣臺26上不安裝任何裝置。激光透過待測樣片后，進入積分球25內，經(jīng)積分球25內表面多次反射后，經(jīng)過第一窄帶濾波片24過濾被第一探測器23采集，轉化為電信號。通過計算機控制透射樣片位移臺22，移動透射樣片載樣臺21，帶動待測樣片移動，實現(xiàn)待測樣片不同位置的透射率測量。通過計算機控制的軸向位移臺14沿主光軸方向移動，帶動準直凸透鏡15移動，改變激光光斑大小，實現(xiàn)待測樣片上測量面積大小的實時調節(jié)。通過計算機控制的電機旋轉臺16轉動，帶動偏振片組17轉動，將不同偏振片選入主光軸中，調制激光偏振態(tài)，實現(xiàn)不同偏振態(tài)下透射率的測量。測量超高反射鏡的積分散射率時，在散射樣品載樣臺26上安置待測樣片，在透射樣品載樣臺21上不安裝任何裝置，激光直接進入積分球內照射到待測樣片上，散射光經(jīng)積分球25內表面多次反射后，經(jīng)過第一窄帶濾波片24過濾被第一探測器23采集，轉化為電信號。通過計算機控制散射樣片位移臺27，移動散射樣片載樣臺26，帶動待測樣片移動，實現(xiàn)待測樣片不同位置的散射率測量。通過計算機控制的軸向位移臺14沿主光軸方向移動，帶動準直凸透鏡15移動，改變激光光斑大小，實現(xiàn)待測樣片上測量面積大小的實時調節(jié)。通過計算機控制的電機旋轉臺16轉動，帶動偏振片組17轉動，將不同偏振片選入主光軸中，調制激光偏振態(tài)，實現(xiàn)不同偏振態(tài)下散射率的測量。

基準測量模塊3，包括衰減片31、第二窄帶濾波片32和第二探測器33。且其中心依次位于分束鏡18形成的次光路上。第二窄帶濾波片32選取中心波長與激光器11中心波長相同的窄帶濾波片。第二探測器33選響應波長包含激光器11中心波長的光電倍增管。由于分束鏡18形成的次光路上激光光強也比較強，超出第二探測器33測量范圍，故測光路上設置有衰減片31，用來減弱次光路上的激光光強。

測量控制模塊4中，包含前置放大器44、除法器43、數(shù)據(jù)采集卡42、計算機41，且依次相連。同時前置放大器44的輸入端連接著第一探測器23的輸出，前置放大器44的輸出連著除法器43的被除數(shù)輸入端，第二探測器33的輸出連接著除法器43的除數(shù)輸入端，除法器43的結果輸出端連接著數(shù)據(jù)采集卡42的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端連接至計算機41。由于第一探測器23輸出信號非常微弱，故需要前置放大器44對信號進行放大，且前置放大器44的輸入信號類型要與第一探測器23的輸出類型匹配。除法器43對前置放大器44的輸出信號和第二探測器33的信號進行除法運算后，將結果傳輸至數(shù)據(jù)采集卡42，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡42采集轉換為數(shù)字信號后送至計算機41處理計算，得出計算結果。