摘要：光學表面的光散射測量方法為目前測量光學元件表面散射特性的一種主要技術，主要包括角分辨測量法和總積分測量法。本文對上述兩種測量方法的基本原理和實驗裝置進行了系統(tǒng)的闡述，并對兩種方法進行了比較分析，最后討論了散射測量方法發(fā)展的趨勢。

關鍵詞：測量方法；光學表面；粗糙度

隨機粗糙光學表面的粗糙度是量度光學元件表面特征的一項重要指標，通常為納米量級甚至更低。隨著光學技術的飛速發(fā)展及其應用領域的不斷擴大，光學元件表面粗糙度及其引起的光散射越來越受到人們的普遍關注，已經成為光學元件散射特性研究中的基礎和關鍵問題之一。利用光散射測量光學粗糙表面是目前發(fā)展較為快速和成功的技術，人們對這種技術做了大量的研究工作，使得光散射系統(tǒng)已經成為測量光學元件表面質量的主要手段之一。概括起來，光學表面的散射測量方法主要包括角分辨散射測量法和總積分散射測量法，二者分別以矢量散射理論和標量散射理論為理論基礎。

1. 角分辨散射測量法

角分辨散射（AngleResolvedScattering，簡稱ARS）測量法是利用散射光的光強及其分布來測量表面粗糙度參數(shù)。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，半球面內各點的光強不同。當表面非常光滑時，光強主要分布在鏡向方向。表面越粗糙，鏡向方向的反射光強就越弱，其它點的散射光就越強。用光探測器接收這些不同分布的光強，然后經過統(tǒng)計學和光譜分析或者經過光的反射散射計算，就可以得到被測表面的粗糙度值。

在ARS測量裝置中，通常以樣品為中心，光電探測器圍繞樣品在入射平面內作接近180°或360°的轉動，從而測得非入射平面內的散射光。樣品一般能轉動和平動，以測量斜入射下的散射特性和掃描樣品上各點的散射系數(shù)。在測量中，散射信號很小，通常要采用鎖相放大器。此外，由于測量數(shù)據很多，所以常常采用計算機進行自動采集和分析數(shù)據。圖1即為一種典型的角分辨散射測量儀器。

圖1.ARS測量裝置示意圖

2. 總積分散射測量法

在總積分散射（TotalIntegratedScattering，簡稱TIS）測量法中，入射光以很小的入射角照射到隨機粗糙面上，用積分球收集粗糙表面散射的漫反射光或者包含鏡向反射在內的總體反射光.標量散射理論在微粗糙度條件下建立起了樣品表面最基本的綜合統(tǒng)計特征參數(shù)-均方根（Root  Mean Square，簡稱RMS）粗糙度σ與其所有反射方向上的總積分散射TIS之間的關系，從而使TIS法成為一種測量表面均方根粗糙度的便捷方法。

σ的表達式

可見，TIS與反映物體表面不規(guī)則起伏程度的RMS粗糙度有關。實際工作中，對于一般研磨和拋光加工所得到的表面，其微觀起伏通常具有高斯分布特征，所以根據表面均方根粗糙度就可以了解表面微觀形貌的全部統(tǒng)計特征.因此通過測量樣品表面的總積分散射就可以很方便地得出表面RMS粗糙度，并且可把它作為平面表面光滑程度的重要質量指標。

TIS測量裝置主要有兩種類型。一種裝有Coblentz半球，即內壁鍍有鋁、銀等金屬膜的半球，激光光源垂直照射到置于半球后面的樣品上，被粗糙表面散射的光強由Coblentz半球采集；另一種是用積分球，光源以微小的角度照射到樣品表面上，被表面散射的偏離鏡向反射方向的那部分光強由積分球收集。

 全文內容下載：光學表面的光散射測量方法.PDF (311 K)