基于斜入射光反射差技术检测微倾角

杨义勤，秦凡凯，孟昭晖，杨 颀，李 超，苗昕扬，赵 昆，詹洪磊

(中国石油大学(北京) 新能源与材料学院中国石油和化工联合会油气太赫兹波谱与光电检测重点实验室，北京 102249)

角度测量是精密制造、航天发射、天文观测等领域中的重要环节之一[1]. 其中，微小倾角的测量主要应用于测量和调整精密光学平台的水平度、数控机床与仪器的直线度等方面，在科研与工业计量中占有重要地位. 目前对微小倾角的检测主要是利用倾角传感器感知被测对象偏离平衡位置的程度，分辨率达到0.003°[2]. 但由于倾角传感器长期在露天等复杂环境下工作，环境温度变化较大，而传感器中半导体元件参量会随温度变化发生温度漂移，所以在温度变化较大的环境下测量误差较大[3]. 倾角传感器按照不同的检测方式分为“液体摆”式、“固体摆”式和“气体摆”式3种，均基于牛顿第二定律利用重力加速度进行测量[4]. 所以，这类传感器多采用接触式测量，需要固定在一定平面上使用，这在某些特定情况下可能会受到限制.

斜入射光反射差(Oblique-incidence reflectivity difference, OIRD)技术作为近年发展起来的光学测试手段，对材料表面性质非常敏感，可通过检测入射光s和p偏振分量反射系数的差异获取表面信息[5]. OIRD的装置简单，信噪比高，可实现非接触、无损伤检测，具有突破衍射极限的探测灵敏度和空间分辨率. 目前，OIRD技术可用于高通量微阵列中生物分子的识别与反应过程的检测[6]、薄膜生长的实时原位监测[7]以及油气储层潜能的表征与分析，如研究液体分子的吸附动力学[8]，表征储层中的孔隙裂缝，研究页岩的电容率的各向异性特征，表征矿物晶体的表面形貌[9-12]，等等. 鉴于OIRD技术在表面性质表征与评价的优势，该技术在石油、材料、生物等领域具有良好的应用前景.

本文介绍了OIRD技术检测小倾角表面的机理，利用OIRD测试系统对20号钢的微倾表面进行扫描成像. 不同位置的信号强度差异明显，这表明OIRD倍频信号对小倾角敏感，因此OIRD技术可直观表征柱状材料的小角度倾斜现象.

1 实验原理

OIRD技术通过对偏振光反射率的相对变化进行检测，从而获取样品表面信息. 激光斜入射的条件下，根据菲涅耳公式，样品表面对s和p偏振光的反射率不同. 当入射角度一定时，反射率随样品表面层的电容率或厚度发生变化，而物质表面成分、结构和密度等都会引起电容率的变化，且在变化过程中，s与p偏振分量的反射率变化不一致. 因此，可以通过检测s和p偏振光反射率的相对变化检测样品的表面特征.

被测面与下表面呈一定倾斜角度的样本，在倾斜方向上存在最高点与最低点，而在垂直于倾斜方向，同一水平线上各点的高度相同，倾斜面上不同位置存在高度差. 使用OIRD技术检测倾斜样品表面的高度变化，当测试光束照射到倾斜面上时，由于高度差的存在，不同位置的反射系数不同，探测到的反射光存在相位差. 样品倾斜表面对s和p偏振光的反射率将随位置的不同发生变化，在此过程中s和p偏振光的反射率变化并不一致，根据OIRD技术原理，通过检测2束偏振光反射率差值的变化，能够获取倾斜样品被测面的表面信息，达到倾角检测的目的.

2 实验仪器与样品

OIRD检测系统示意图如图1所示，由He-Ne激光器发出波长为632.8 nm的线偏振光，先经起偏器转变为p偏振光，之后由光弹调制器对其进行调制，使p偏振光在s与p偏振态之间呈周期性变化，调制频率为50 kHz. 调制后的2束偏振光由相移器引入固定相位差，再经透镜聚焦斜入射到样品表面，入射角接近布儒斯特角. 反射光经过透镜与检偏器后被光电探测器接收并转化为电信号，最后由锁相放大器将电信号放大并提取出基频信号I(Ω)与倍频信号I(2Ω).

图1 OIRD检测示意图

由于OIRD扫描测试对样品表面光洁度要求较高，而钢铁材料兼具强度与塑性，易获得测试所需的光滑表面，因此，选用含碳质量分数为0.2%的20号钢作为实验样品. 实验样品如图2所示，其直径为15 mm，高度为18 mm，待测表面倾斜角为0.23°. 实验前需要对20号钢表面预处理：使用400#，800#，1200#，1500#的砂纸对样品待测面进行逐级打磨，再将待测面用绒布抛光机抛至光亮无痕. 实验过程中，利用高精密位移平移台实时改变样品的测试点，对样品二维扫描，相邻2点的扫描步长为5 μm，扫描速率为0.01 mm/s. 将测试点的空间坐标及其对应的OIRD信号强度相结合可得到样品的OIRD成像图.

图2 实验样品

3 结果与讨论

随机选取样品表面为0.3 mm×0.3 mm的区域，利用OIRD系统进行二维扫描，倍频信号的成像结果如图3所示. 图3中OIRD信号的绝对值代表倍频信号的大小，颜色代表信号幅值. 扫描起始位置信号强度最小，颜色呈深红色，扫描终止位置信号强度最大，颜色呈紫色. 从起始到终止，信号强度由1.526×10-5V向3.624×10-5V逐渐增大. 在另一对角线上，各测试点的信号差异较小，颜色较为均一. 不同位置的信号强度不同，反映了样品表面信息的位置变化. 总体上，对于倾斜表面样品，倍频信号成像图呈现倾斜状态，且倾斜方向与样品表面保持一致.

图3 扫描区域倍频信号成像图

为进一步探究20号钢表面倍频信号的分布特征，选取测试区域内2条对角线上的信号进行深入分析，如图4所示.

从扫描数据中分别选出2条对角线上的倍频信号值，并计算其信号变化率为

(1)

式中，smax为信号最大值，smin为信号最小值.

图4显示了不同对角线上倍频信号的分析结果. 正对角线上信号呈类似线性的变化趋势，各测试点的信号强度随测试长度的增加而增大，信号变化率达到81.5%. 在另一对角线上，倍频信号出现一定程度的波动，但变化范围较小，信号变化率为33.3%，明显小于另一对角线上的信号变化率，说明在扫描的正方形区域内，2条对角线分别接近但不完全重合于样品的倾斜方向及其垂直方向. 成像结果表明OIRD倍频信号对材料表面的小角度倾斜十分敏感，OIRD技术可用于小角度倾斜表面检测.

图4 沿不同对角线的倍频信号分布

基于倍频信号与反射光相位的关系，研究了小角度倾斜表面的OIRD检测原理. 根据OIRD技术原理，OIRD的倍频信号强度是反射系数差值δrp与δrs的函数，I(2Ω)随δrp与δrs变化.

(2)

式中，α为检偏器的透振方向与p偏振方向的夹角，rs0和rp0分别表示样品起始测试位置对s和p偏振光的反射系数，rs与rp分别表示后续测试位置对s和p偏振光的反射系数，r=|r|eiφ，δr为r与r0的差值.

如图5所示，对于倾斜表面，1与2设定为高、低位置点的入射光，1′与2′分别为高、低位置点的反射光，11′与22′之间的光程差为

Δ=|2lcosφincsinθ|,

即在倾角测量过程中，不同位置存在光程差. 由光程差与相位差的关系可知，当波长一定时，反射光相位差δ随光程差Δ的增大而增大，

(3)

因此，当波长λ、入射角φinc与表面倾角θ一定时，δrp与δrs将随位置发生变化；当波长λ、入射角φinc与测试长度一定时，δrp与δrs将随表面倾角θ发生改变. 但δrp与δrs的变化不一致，从而影响倍频信号的强度.

图5 倾斜样品表面不同位置的光路图

当样品表面倾斜时，经过最高点与最低点的光程相差最大，I(2Ω)随光程差变化. 因此，图3中在正对角线上，从起始位置到终止位置δrp与δrs随光程逐渐变化，I(2Ω)增大，颜色逐渐变为紫色. 图4中正对角线上的信号变化率达到了81.5%. 由于垂直于倾斜方向的表面厚度差最小，各测试点几乎位于同一水平面上，光程没有明显差异. 图4中另一对角线上的信号变化率为33.3%，说明扫描的正方形区域不绝对平行或垂直于斜面倾斜方向. 2条对角线上倍频信号变化的分析结果表明，对倾斜角度为0.23°，0.3 mm×0.3 mm的区域，OIRD技术能够清晰地表征样品上下表面的倾斜现象.

4 结 论

利用OIRD技术对20号钢微倾表面扫描成像，探究了不同位置对OIRD的响应特征. 结果表明：倍频信号的成像图直观地展现出样品表面的倾斜特征，且不同位置的信号差异反映出表面变化. 不同位置存在光程差，使反射光的相位发生改变，从而导致倍频信号发生明显变化. 这表明利用OIRD技术进行微倾角检测是可行的.