基于BRDF的激光散射測量系統研究

王璐璐

摘 要 文章研究了激光散射測量的基本原理和相關技術。以雙向反射分布函數（BRDF）為理論基礎，設計了一種角分辨空間激光散射測量系統。對激光散射自動測量系統總體結構進行設計，在系統中使用高靈敏度的光電倍增管、用鎖相放大器檢測微弱信號，實現了微弱信號自動檢測。采用LabVIEW軟件進行編程，實現了計算機與鎖相放大器之間的數據傳輸和對運動系統的控制，實現了整個系統的自動化測量。

關鍵詞 雙向反射分布函數（BRDF）；角分辨空間激光散射；微弱信號檢測；光電探測器

中圖分類號 TN2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）207-0112-02

光通過具有疵病的光學元件或系統時，會產生散射和能量損失，可能產生衍射條紋，膜層的破壞，有害炫耀和疵病形變等現象，影響光學系統成像質量、測量精度及壽命等。隨著科學技術的飛速發展，光學元件表面疵病及其引起的光散射已成為散射特性研究中的基礎和關鍵問題之一[ 1 - 2 ]。由于雙向反射分布函數（Bidirectional Reflectance Distribution Function，BRDF）不但能夠描述各種表面的方向散射特性，并且能描述光輻射特性，它可以反映除幾何特征以外幾乎所有的光學特性，因此本文以雙向反射分布函數（BRDF）為理論基礎，設計了一種角分辨空間激光散射測量系統，此系統能夠獲得光學元件表面散射光的光強及其空間分布，通過散射光分布來分析光學樣品表面形貌特征。

1 系統測量原理與系統

使用光散射測量技術對光學元件表面散射光是目前發展比較為快速和成功的技術，由于人們對此技術做了大量的研究，使光散射測量系統成為測量光學元件表面質量的主要方法之一[ 3 - 5 ]。根據實驗所需，本系統選擇角分辨（ARS）散射測量法。

角分辨散射（Angle Resolved Scattering，簡稱ARS）測量法是用散射光的光強及分布來測量表面粗糙度參數及其散射光[6-8]。當一束激光投射到樣品表面后，其鏡向反射光和散射光是在一個半球面內，且各點光強不同。當樣品表面非常光滑時，光強主要分布在鏡面方向。樣品表面越粗糙，鏡向的反射光強就越弱，散射光就越強[7-9]。使用光電探測器對反射散射光強進行探測，然后經過分析、計算，就可得到被測表面的散射光分布情況。在角分辨散射（ARS）測量系統中，一般光電探測器以樣品為中心，圍繞樣品作圓周運動，測得散射光強及分布。測量時，由于散射光信號非常微弱，因此采用鎖相放大器對信號進行鎖相放大。并且由于測量數據很多，因此通常采用計算機進行數據采集和分析。以雙向反射函數為理論基礎，參考國內外空間光散射測量裝置，設計出了一種角分辨空間激光散射測量系統，示意圖如圖1所示。

本測量系統所用旋轉臺是高精密電動旋轉臺，具有高運動特性，高定位性能。可以方便地消除機械誤差，保證長期的使用精度。平移臺是小尺寸增強精密型電動位移臺，具有更高的分辨率和定位精度。標配二相步進電機，穩定、可靠。可以控制1-4軸運動。可以實現對多個電動位移臺、旋轉臺進行聯合控制。

系統采用波長為632.8nm的HeNe激光器作為光源，激光器出射的高斯光束具有一定的發散角，首先使用斬波器對光源進行調制，調制頻率作為鎖相放大器的輸入參考頻率，光束通過擴束鏡、聚焦鏡，并轉折后以一定角度入射到光學元件表面發生散射，散射光經導光管入射到探測器光敏面上。探測器安裝在旋轉臺上，通過步進電機控制旋轉臺運動，帶動探測器以待測光學元件為中心做圓周運動，探測器將探測到的散射光信號轉換為電信號之后送入鎖相放大器去噪處理，再經數據采集組件A/D轉換后送入計算機進行處理計算，可得到光學元件表面疵病引起的散射光的光強及其空間分布，來分析疵病與散射光的關系。

如圖2所示，探測器安裝在旋轉臺上，通過步進電機控制旋轉臺運動，帶動探測器以待測光學元件為中心作圓周運動，通過改變平面鏡2的傾角和高度，實現以待測光學元件為中心的不同圓周上的散射光測量，從而實現BRDF測量。

2 實驗

由圖3、4可以看出，無論劃痕與入射光在水平面投影平行還是有一定夾角，散射率都會隨著角度Φ的增大，散射率逐漸減小，且非線性相關。經過多次重復實驗，結果都與圖3、4趨勢相同，具有很好的可重復性。

3 結論

本文以雙向反射分布函數為理論依據，在參考國內外空間光散射測量方法與裝置的基礎上，通過對不同方案的研究，采用相關檢測技術，實現微弱光信號的探測，完成了一種新的空間激光散射測量系統的設計，實現了半球空間光散射的快速準確測量，并進行了重復性實驗。結果準確，且具有好的重復性，以直線型劃痕為例，對光學元件表面疵病與其散射光關系進行了研究。實驗結果表明，角分辨空間激光散射測量系統的設計運行可靠，合理。

參考文獻

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