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揭秘光学元件表面缺陷产生危害的根本原因

时间：2019-5-30 10:14作者：update 阅读(2220) 评论: 5

导读：光学元件表面的散射特性是缺陷产生危害的根本原因。当光束照射到有疵病的光学元件表面时, 由于疵病位置的反射面并不是一个光滑面, 这些离散无规则的局部缺陷使部分入射光发生了偏转, 远离了预定方向, 变成了偏离主光 ...

　　光学元件表面的散射特性是缺陷产生危害的根本原因。当光束照射到有疵病的光学元件表面时, 由于疵病位置的反射面并不是一个光滑面, 这些离散无规则的局部缺陷使部分入射光发生了偏转, 远离了预定方向, 变成了偏离主光束的杂质光。并且, 这些杂质光会产生多次反射透射, 所产生不规则的散射光会对不同光学仪器造成不同程度的影响。

　　在光学系统中, 影响其性能的主要原因是由系统内部产生的大量散射光造成的, 而产生这些散射光的根本原因, 又在于光学元件自身的质量, 即使整个光学系统设计得再好, 如果内部光学元件的质量不过关, 那么构成的系统也不能正常工作。

　　因此需要提高光学元件本身的质量来改善散射光所带来的问题。虽然光学系统的窗口或系统内部也可能会产生散射光, 但这种散射光能量较小, 大部分的散射光是由光学元件表面散射造成的。通常表面产生的散射光能量要比内部散射至少大1至2个数量级, 所以光学元件表面质量好坏与否, 将直接影响光学系统的整体性能。

　　导致光学元件表面发生散射现象的原因有很多, 例如表面的麻点、划痕、破边、开口气泡以及粗糙度等表面微结构, 还有可能是表面膜层厚度、薄膜材料折射率不均匀等各种问题。通常对比表面入射光波长与散射源尺寸的大小, 将散射源大致分为三类:

　　(1) 散射源的尺寸远大于入射光波长, 这种散射源就是通常说的疵病, 如划痕、麻点、破边等。

　　(2) 散射源的尺寸和入射光波长处于同一数量级的单一离散不规则颗粒物, 这类散射源称作离散微粒。

　　(3) 入射光波长远大于散射源的尺寸, 这种散射源在空间中精密排列, 对光的散射表现在空间上的相互作用的综合结果, 因此不能当作独立的散射源来处理。这种散射源通常被称作不规则微量散射, 最典型的此类散射源就是表面粗糙度。

　　以上三种散射源具有不同的特性, 所以就需要相对应的散射理论来解释这些散射源所引起的散射现象。

　　对于第一类散射源, 在三种类型中最容易被发现, 通过简单的几何光学就能解释它的散射现象。

　　而几何光学对第二种散射源则不再适用, 这类散射源独立分布且散射中心可以互不干扰, 所以需要利用米氏散射理论来处理, 其中特殊情况还能用瑞利散射解释。

　　第三种散射源随机不规则分布, 它们的平均高度只有纳米级, 这类散射源也被称为粗糙度散射。

　　利用显微散射成像技术来检测光学元件表面, 主要在于检测第一类散射源, 即元件表面疵病, 如划痕、麻点、破边等。对于这类散射源, 之前有提到, 通常利用几何光学来解释分析, 但是这种表面疵病引起的散射现象与入射光的波长无关, 具体模型如下图所示。

　　假设元件疵病处是一个类似“V”字形的凹槽, 当入射光照射到光学元件表面时会发生反射现象。如果表面无疵病, 由几何光学可得入射光A的反射光线为A2, 如果表面存在疵病, 同样的入射光A, 得到散射光线A1。将该光路放入显微成像系统中, 疵病所形成的散射光就是由远离主反射光A2的A1光线构成, 在显微成像系统中就会观察到暗背景下的亮疵病图像。

　　在显微成像系统中有各种散射光的存在, 但我们需要关注的只是疵病散射所对应的图像, 而其他散射光由于能量较小, 在进行图像分析时一般可以忽略。对于其他的散射光, 我们还需要对其的形成加以进一步的研究, 这样才能找到一种最合适的方法来测量光学元件的表面质量, 提高疵病检测的能力。

　　利用光学元件的散射特性, 我们可以构造出一种基于散射法的光学元件表面疵病检测方法。下图为散射法检测原理, 由光源发出平行光照射到检测对象表面, 当无疵病时, 反射光为平行光, 由图 (a)知无光线进入照相系统, 当有疵病时, 反射光将变为散射光, 由图知有光线进入照相系统, 从而形成亮疵病图像, 由此检测出光学元件表面的缺陷。

　　如何做好光学元件表面缺陷检测

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