CN100343622C - 微透镜结构参数及面形畸变的快速检测方法 - Google Patents

Abstract

微透镜结构参数及面形畸变的快速检测方法，首先采用光束照射微透镜表面，再采集一定距离处光通过微透镜阵列后的衍射光斑，并测量微透镜衍射光斑各个方向的尺寸，由测得的衍射光斑数据和微透镜口径计算微透镜矢高、焦距、数值孔径等其他的结构参数；再根据衍射光斑形变因子χ，查表得出微透镜阵列的填充因子。本发明不仅可用于检测微透镜的矢高、焦距、数值孔径等参数，而且还可用于检测微透镜阵列的填充因子、像散及透镜均匀性，而且检测方便、速度快，检测过程为非接触式检测，不会给元件带来任何损伤。

Description

微透镜结构参数及面形畸变的快速检测方法

技术领域

本发明涉及一种通过衍射光斑对微透镜结构参数及面形畸变进行快速检测的方法。

背景技术

连续浮雕微透镜阵列由于具有体积小、重量轻、集成度高等特点，已经广泛的应用于军事、科研、民用等诸多领域，并取得了良好的应用效果。随着微透镜应用领域的拓展和微透镜制作水平的提高，微透镜的结构参数及面形畸变检测变得越来越重要。现有的检索方法主要采用二维、三维台阶轮廓仪以及扫描电子显微镜等，这些方法不仅检测设备昂贵、检测速度慢，而且还会对微透镜表面造成损伤，影响微透镜使用效果。特别是某些微透镜关键参数，如：微透镜填充因子、光学元件不同区域微透镜的均匀性等，采用现有的设备进行检测非常困难，而这些参数对于微透镜的应用来讲又是非常重要的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够快速、准确地检测出微透镜结构参数及面形畸变的快速检测方法，该方法不仅检测速度快，而且还可以检测微透镜填充因子、光学元件不同区域微透镜的均匀性等微透镜的关键参数。

本发明的技术解决方案是：微透镜结构参数及面形畸变的快速检测方法，其特点在于包括下列步骤：

(1)采用光束照射微透镜表面；

(2)采集一定距离处光通过微透镜阵列后的衍射光斑，并测量微透镜衍射光斑的各个方向尺寸；

(3)由测得的衍射光斑形状、数据和微透镜口径计算微透镜矢高、焦距、数值孔径等其他的结构参数；

(4)将有缺陷微透镜阵列的衍射光斑与无缺陷微透镜衍射光斑进行对比，计算出衍射光斑畸变因子χ；

(5)根据衍射光斑畸变因子χ与微透镜阵列的填充因子的关系，查表得出微透镜阵列的填充因子；

(6)根据上述衍射光斑的形变，对微透镜面形的畸变和缺陷进行分析。

本发明的理论基础是：由光波的标量衍射理论可知，微透镜的远场衍射光斑与微透镜的结构之间存在一定的函数关系。当微透镜的结构参数变化或面形发生畸变时，微透镜的远场衍射光斑必然也随之产生某种对应的形变。所以，在理论上，通过对微透镜衍射光场形变的分析可以获得微透镜完整的结构信息。

本发明与现有技术相比有以下优点：检测装置简单，检测过程快速，检测精度高，不仅可用于微透镜特征结构参数的测量，还可检测填充因子、元件表面透镜均匀性等常规方法很难检测的参数，避免了现有检测方法设备昂贵、检测时间长及大于86％时填充因子不易检测、微透镜阵列的均匀性不易检测等缺点。

附图说明

图1为本发明中微透镜衍射光斑的检测光路示意图，其中①表示入射光束，②表示微透镜阵列，③远场衍射光斑接收屏；

图2为本发明的一个实施例，其口径50μm，焦距400μm的无缺陷微透镜阵列(填充因子100％)示意图，其中纵坐标表示微透镜阵列单元的浮雕深度，每刻度单位：1微米；横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：5微米；

图3为无缺陷微透镜阵列衍射光斑轮廓示意图，图中黑色区域代表衍射亮斑，白色区域代表暗斑，④表示Y方向光斑尺寸，⑤表示X方向光斑尺寸；

图4为存在缺陷的微透镜阵列轮廓，图中纵坐标表示微透镜阵列单元的浮雕深度，每刻度单位：1微米；横坐标表示微透镜阵列单元的口径，每刻度单位：5微米。

图5为存在缺陷的微透镜阵列衍射光斑轮廓示意图，图中黑色区域代表衍射亮斑，白色区域代表暗斑，④表示Y方向光斑尺寸，⑥表示对角线方向光斑尺寸。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的微透镜衍射光斑的检测光路，光通过微透镜阵列后，将在远处的接收屏上形成明暗相间的衍射光斑，由衍射理论可知，微结构的一切信息都反映在衍射光斑当中。对微透镜衍射光斑的尺寸进行测量以后，可以通过简单的几何关系计算出微透镜的焦距等结构参数。函数关系如下：

$\frac{2r}{f}=\frac{R_x}{L}---\left(1\right)$

r微透镜口径，R_x衍射光斑尺寸，L微透镜到衍射光斑接收屏的距离，f微透镜焦距。R_x、L可以在实验中获得，r为已知，所以可算出透镜的焦距f，由微透镜口径r和焦距f可推断出透镜矢高和F数：

微透镜矢高： $h=\frac{r^2}{2(n-1)f}---\left(2\right)$

微透镜数值孔径 $F=\frac{f}{2r}---\left(3\right)$

由(1)式还可以看出，在衍射光斑测量精度不变的情况下，L越长计算得出的透镜结构参数越准确。图2为口径50μm，焦距400μm的无缺陷微透镜阵列示意图。图3为该微结构在距离透镜1m处的衍射光斑的轮廓，经测量衍射光斑边长R_x＝120mm，计算微透镜焦距为f＝416μm，误差小于4％。另外，采用本发明可以通过延长微透镜阵列与衍射屏距离L的办法，来避免衍射光斑发生重合，提高对衍射光斑的测量精度。图5为存在面形缺陷的微透镜阵列的衍射光斑轮廓，根据计算机仿真建立的衍射光斑畸变因子 $\mathrm{\χ}=\frac{R_{\mathrm{xy}}-R_x}{(\sqrt{2}-1)R_x},$ 其中R_xy为对角线方向光斑尺寸，R_x、R_y分别为X、Y方向光斑尺寸，即利用该式可计算出不同方向，如X、Y方向微透镜的焦距，根据不同方向透镜焦距的一致性，即可了解透镜的像散；采用模拟仿真的办法建立了表述微透镜填充因子与光斑畸变因子之间的关系的表格(δ为填充因子)，得出该微透镜填充因子为92.1％，而实际填充因子为90％，误差小于2.5％。

采用将标准衍射光斑与畸变衍射光斑进行对比的方法，还可方便的测得微透镜发生的其他形变以及该元件的均匀性。当光通过元件不同区域后的衍射光斑基本一致时，说明元件的均匀性较好；当元件不同区域的衍射光斑不同时，说明不同区域中微透镜均匀性较差，同时还可简单、快速的了解元件的整体性能。

下面通过实施例对本发明进一步说明：

实施例，对一个口径φ＝50μm、焦距400μm的微透镜阵列进行面形畸变检测，其具体检测步骤如下：

(1)首先将微透镜阵列放置于检测光路中，采用平行光束照射微透镜表面；

(2)测量该微透镜阵列的远场衍射光斑尺寸，包括X、Y方向光斑尺寸和对角线方向光斑尺寸以及微透镜阵列到衍射屏的距离L，并测量微透镜衍射光斑的各个方向尺寸，测得R_x＝120mm，R_xy＝137mm，L＝1m；

(3)由透镜口径和X、Y方向光斑尺寸和微透镜阵列到衍射屏的距离L，由(1)式即可计算出透镜的焦距f；再由(2)式和(3)即可计算出透镜矢高h及数值孔径F。(焦距f＝416μm，矢高h＝1.5μm，数值孔径F＝8.32)

(4)由衍射光斑X、Y方向光斑尺寸和对角线方向光斑尺寸，将有缺陷微透镜阵列的衍射光斑与无缺陷微透镜衍射光斑进行对比，计算出衍射光斑畸变因子χ＝0.34，根据填充因子δ与衍射光斑畸变因子χ的关系找到对应的微透镜阵列填充因子δ约为92％；

表1.简化的衍射光斑畸变因子χ与微透镜阵列填充因子δ的关系表

δ(％)	78.6	83.6	87.5	90.6	93.3	95.4	97.1	98.4	99.3	99.8	100
												χ	0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1

(5)根据微透镜衍射光斑通过仿真，对微透镜面形缺陷进行了检测；

(6)对微透镜阵列不同区域的衍射光斑进行定性检测，根据衍射光斑的一致性分析不同区域透镜的一致性，即可了解透镜的像散。

最后，实验结果如下，透镜参数检测误差小于4％，微透镜阵列填充因子检测误差小于2.5％，分析了微透镜存在的缺陷，而且对元件的一致性也进行了定性的检测，达到了预期的检测效果。

Claims (4)

1、微透镜结构参数及面形畸变的快速检测方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)采用光束照射微透镜表面；

(2)采集一定距离处光通过微透镜阵列后的衍射光斑，并测量微透镜衍射光斑的各个方向尺寸；

(3)由所测得的衍射光斑各个方向尺寸和微透镜口径计算微透镜矢高、焦距、数值孔径结构参数；

(4)将有缺陷微透镜阵列的衍射光斑与无缺陷微透镜衍射光斑进行对比，并根据微透镜衍射光斑的各个方向尺寸计算出衍射光斑畸变因子χ，其中 $\mathrm{\χ}=\frac{R_{\mathrm{xy}}-R_x}{(\sqrt{2}-1)R_x},$ R_xy为对角线方向光斑尺寸，R_x为衍射光斑尺寸；

(5)根据衍射光斑畸变因子χ与微透镜阵列的填充因子的关系，查表得出微透镜阵列的填充因子；微透镜填充因子与光斑畸变因子之间的关系的表格，δ为填充因子，χ为衍射光斑畸变因子：   δ(％)     78.6   83.6   87.5   90.6     93.3     95.4     97.1     98.4     99.3     99.8   100   χ     0   0.1   0.2   0.3     0.4     0.5     0.6     0.7     0.8     0.9   1

(6)根据上述衍射光斑的形变，对微透镜面形的畸变和缺陷进行分析。

2、根据权利要求1所述的微透镜结构参数及面形畸变的快速检测方法，其特征在于：所述的光束为平行激光束。

3、根据权利要求1所述的微透镜结构参数及面形畸变的快速检测方法，其特征在于：所述的步骤(3)中微透镜焦距计算公式为： $f=\frac{2r\×L}{R_x}$

其中，f微透镜焦距，2r微透镜口径，R_x衍射光斑尺寸，L微透镜到衍射光斑接收屏的距离。

4、根据权利要求3所述的微透镜结构参数及面形畸变快速检测方法，其特征在于：所述微透镜焦距的计算公式可根据不同方向衍射光斑的尺寸，计算出不同方向微透镜的焦距，根据不同方向透镜焦距的一致性，即可了解透镜的像散。

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