CN111397861A - 微型透镜检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型透镜检测系统及其检测方法，包括：单色光源；第一分束器，第一分束器将单色光源的光束分为第一光束和第二光束；对应第一光束依次设置的第一反射镜、第一物镜、第一透镜、第二分束器、第一实像面和第一探测器；以及依次沿第二光束设置的第二物镜、第二透镜和第二反射镜，第二光束经第二反射镜反射入第二分束器中与第一光束合成一束；通过放置样品于第一反射镜与第一物镜之间，使得第一光束经样品后与第二光束发生干涉，且第一探测器获取第一光束与第二光束的干涉条纹。本发明有效地解决了微型透镜尺寸小而造成的检测困难的问题，通过测量样品对入射光的相位调制能力，以评价样品的成像质量和品质，使得检测结果更加真实可靠。

Description

微型透镜检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特指一种微型透镜检测系统及其检测方法。

背景技术

随着集成化时代的到来，人们对透镜的需求越来越大，透镜的尺寸也越做越小，人们已经研发出三种类型的微型透镜：传统通过折射率聚焦的微透镜，直径大约150μm；于菲涅尔波带片衍射原理制作的菲涅尔微型透镜，可以小到几十微米的直径；以及通过微米和纳米微结构调控相位从而聚焦的超透镜(metalens)，可以小到直径10μm，由于透镜尺寸太小，传统的检测透镜的方法已经无法适用。

透镜的本质是对光波波前进行调控，也就是使相位分布发生改变，因此通过测量透镜引起的相位变化就可以评价一个透镜的光学性能和成像品质，目前采用的方法主要有扫描光场强度分布波前拟合法和光学相位测量轮廓术。

扫描光场强度分布波前拟合法是通过一束平行光经过透镜，测量透镜后不同截面的强度分布，然后通过算法拟合出透镜对波前的调制，但是对于微型透镜和超透镜就行不通，因为透镜尺寸太小，面阵光电探测器分辨率不够，要想提高分辨率的话，就需要通过成像系统放大后再用光电探测器接收，这样做的弊端就是无法排除成像系统的成像性能的影响，因此这种方法获得的波前不是真实的，具有一定的局限性。

光学相位测量轮廓术是基于光栅投影和相位测量，根据观察物体上条纹的变形情况来测量物体三维形貌，通过多幅相移条纹图来计算得到截断的相位，再通过相位展开算法将截断相位展开为连续相位，最后从相位分布中恢复物体的实际三维面形，该方法又根据重构相位的方式不同而衍生出几种干涉测量术，同样面临微型透镜尺寸小的问题，所以需要显微成像，已有的相位重构算法会受到成像系统的影响，也具有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种微型透镜检测系统及其检测方法，解决了微型透镜尺寸小而造成的检测困难的问题，通过测量样品对入射光的相位调制能力，以评价样品的成像质量和品质，使得检测结果更加真实可靠。

实现上述目的的技术方案是：

本发明提供了一种微型透镜检测系统，包括：

单色光源；

设置于单色光源的出光口处的第一分束器，该第一分束器将单色光源的光束分为第一光束和第二光束；

对应第一光束依次设置的第一反射镜、第一物镜、第一透镜、第二分束器、第一实像面和第一探测器；以及

依次沿第二光束设置的第二物镜、第二透镜和第二反射镜，且该第二反射镜对应第二分束器设置，使得第二光束经第二反射镜反射入第二分束器中与第一光束合成一束并发生干涉；

通过放置样品于第一反射镜与第一物镜之间，使得第一光束经样品后与第二光束发生干涉，且第一探测器获取第一光束与第二光束的干涉条纹。

本发明采用微型透镜检测系统，通过获得经样品的第一光束与第二光束的干涉条纹和不经样品的第一光束与第二光束的干涉条纹进行比对，计算得出相位的变化，从而得出样品对入射光的相位调制能力，用以评价样品的成像质量和品质，不需要重构或放大成像，解决了微型透镜尺寸小而造成的检测困难的问题，通过测量样品对入射光的相位调制能力，以评价样品的成像质量和品质，使得检测结果更加真实可靠。

本发明微型透镜检测系统的进一步改进在于，第二物镜与第二透镜之间的间距d₁满足以下条件：

0<d₁<2(f₁+f₂)

其中，f₁为第二物镜的后焦距，f₂为第二透镜的前焦距；

第一物镜与第一透镜之间的间距d₂满足以下条件：

0<d₂<2(f₃+f₄)

其中，f₃为第一物镜的后焦距，f₄为第一透镜的前焦距；

第一透镜与第一探测器之间的间距d₃满足以下条件：

其中，f₅为第一透镜的后焦距，Δx为第一透镜的景深。

本发明微型透镜检测系统的进一步改进在于，该第二物镜可沿垂直于第二透镜所在的光轴的方向来回移动，以改变经第二物镜射出的第二光束的传播方向，进而改变第二光束与第一光束的干涉条纹的密度至满足第一探测器设定的分辨率的要求。

本发明微型透镜检测系统的进一步改进在于，还包括设置于第一反射镜和样品之间的第三透镜以及设置于第三透镜与样品之间的第三物镜，该第三透镜可沿垂直于第三物镜所在的光轴的方向来回移动，以改变经第三透镜射出的第一光束的传播方向，使得第一光束以不同的入射角度射入样品，从而获取不同角度入射样品的第一光束与第二光束的干涉条纹。

本发明微型透镜检测系统的进一步改进在于，该第三透镜与第三物镜之间的间距d₄满足以下条件：

0<d₄<2(f₆+f₇)

其中，f₆为第三透镜的后焦距，f₇为第三物镜的后焦距。

本发明微型透镜检测系统的进一步改进在于，该第二分束器远离第二反射镜的一侧依次设置的第四透镜以及第二探测器，该第四透镜与第二探测器之间的间距d₅满足以下条件：

其中，f₈为第四透镜的后焦距，Δx₂为第四透镜的景深。

本发明还提供了一种微型透镜检测系统的检测方法，包括如下步骤：

提供该检测系统，打开单色光源，将样品置于第一反射镜与第一物镜之间，通过第一探测器获取经过样品的第一光束与第二光束干涉形成的第一干涉条纹；

将样品取出，通过第一探测器获取不经样品的第一光束与第二光束干涉形成的第二干涉条纹；

将第一干涉条纹和第二干涉条纹输出。

本发明微型透镜检测系统的检测方法的进一步改进在于，该第二物镜可沿垂直于第二透镜所在的光轴的方向来回移动，且该第二物镜与第二透镜之间的间距等于第二物镜的后焦距与第二透镜的前焦距的和；

放置样品后，来回移动第二物镜以改变第二光束的传播方向，从而改变第一干涉条纹的密度，直至第一干涉条纹的密度满足设定的分辨率的要求。

本发明微型透镜检测系统的检测方法的进一步改进在于，还包括依次设置于样品与第一反光镜之间的第三透镜和第三物镜，且第三透镜可沿垂直于第三物镜所在的光轴的方向来回移动，该第三透镜与第三物镜之间的间距等于第三透镜的后焦距与第三物镜的后焦距的和；

调节第三透镜的位置以改变第一光束的传播方向，通过第一探测器获取不同角度的第一光束经样品和与第二光束形成的第一干涉条纹；

取出样品后，通过第一探测器获取对应角度的第一光束与第二光束形成的第二干涉条纹。

本发明微型透镜检测系统的检测方法的进一步改进在于，第二分束器远离第二反射镜的一侧设置有第四透镜以及第二探测器；

调节第三透镜的位置后，该第一光束与第二光束经第四透镜于第二探测器形成两个汇聚点；

通过第二探测器探测两个汇聚点的位置和距离以计算出第一光束与第二光束之间的夹角，从而得出第一光束射入样品时的角度。

附图说明

图1为本发明微型透镜检测系统的整体结构示意图。

图2为本发明微型透镜检测系统的另一实施方式的整体结构示意图。

图3为本发明微型透镜检测系统的光栅的相位分布图。

图4为本发明微型透镜检测系统的微透镜阵列单元的相位分布图。

图5为本发明微型透镜检测系统的超透镜的相位分布图。

图6为本发明微型透镜检测系统中超透镜10°入射相位分布减去0°入射相位分布示意图。

图7为本发明微型透镜检测系统中超透镜5°入射相位分布减去0°入射相位分布示意图。

图8为本发明微型透镜检测系统中超透镜-5°入射相位分布减去0°入射相位分布示意图。

图9为本发明微型透镜检测系统中超透镜0°入射波像差泽尼克展开示意图。

图10为本发明微型透镜检测系统中超透镜不同入射角度下主要像差比较示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明采用微型透镜检测系统，通过获得经样品的第一光束与第二光束的干涉条纹和不经样品的第一光束与第二光束的干涉条纹进行比对，计算得出相位的变化，从而得出样品对入射光的相位调制能力，用以评价样品的成像质量和品质，不需要重构或放大成像，解决了微型透镜尺寸小而造成的检测困难的问题，通过测量样品对入射光的相位调制能力，以评价样品的成像质量和品质，使得检测结果更加真实可靠。下面结合附图对本发明微型透镜检测系统进行说明。

参阅图1，图1为本发明微型透镜检测系统的整体结构示意图。下面结合图1，对本发明微型透镜检测系统进行说明。

如图1所示，本发明微型透镜检测系统，包括：

单色光源41；

设置于单色光源41的出光口处的第一分束器42，该第一分束器42将单色光源41的光束分为第一光束和第二光束；

对应第一光束依次设置的第一反射镜11、第一物镜12、第一透镜13、第二分束器14和第一探测器15；以及

依次沿第二光束设置的第二物镜21、第二透镜22和第二反射镜23，且该第二反射镜23对应第二分束器14设置，使得第二光束经第二反射镜23反射入第二分束器14中与第一光束合成一束并发生干涉；

通过放置样品51于第一反射镜11与第一物镜12之间，使得第一光束经样品后51与第二光束发生干涉，且该第一探测器15获取第一光束与第二光束的干涉条纹。

具体的，第二物镜21与第二透镜22之间的间距d₁满足以下条件：

0<d₁<2(f₁+f₂)

可以是：

d₁＝f₁+f₂

其中，f₁为第二物镜的后焦距，f₂为第二透镜的前焦距，使得经第二透镜的出射光为平行光；

第一物镜12与第一透镜13之间的间距d₂满足以下条件：

0<d₂<2(f₃+f₄)

可以是：

d₂＝f₃+f₄

其中，f₃为第一物镜的后焦距，f₄为第一透镜的前焦距，使得经第一透镜的出射光为平行光；

第一透镜13与第一探测器15之间的间距d₃满足以下条件：

其中，f₅为第一透镜的后焦距，Δx为第一透镜的景深。

进一步的，该第二物镜21可沿垂直于第二透镜22所在的光轴的方向来回移动，以改变经第二物镜21射出的第二光束的传播方向，起到调节干涉条纹密度的作用，使得干涉条纹的密度满足分辨率的要求。

作为本发明的一较佳实施方式，结合图2所示，还包括设置于第一反射镜11和样品51之间的第三透镜17以及设置于第三透镜17与样品51之间的第三物镜18，该第三透镜17可沿垂直于第三物镜18所在的光轴的方向来回移动，以改变经第三透镜17射出的第一光束的传播方向，使得第一光束以不同的入射角度射入样品51，从而获取不同角度入射样品51的第一光束与第二光束的干涉条纹。

具体的，该第三透镜17与第三物镜18之间的间距d₄满足以下条件：

0<d₄<2(f₆+f₇)

可以是：

d₄＝f₆+f₇

其中，f₆为第三透镜的后焦距，f₇为第三物镜的后焦距，使得经第三物镜的出射光为平行光。

具体的，该第二分束器14远离第二反射镜23的一侧依次设置的第四透镜31以及第二探测器32，该第四透镜31与第二探测器32之间的间距d₅满足以下条件：

其中，f₈为第四透镜的后焦距，Δx₂为第四透镜的景深。

本发明的具体实施方式如下：

将样品置于第三物镜18和第一物镜12之间，打开单色光源41，该单色光源41经第一分束器42分为第一光束和第二光束；

第一光束经第一反射镜11反射依次穿过第三透镜17、第三物镜18、样品51、第一物镜12、第一透镜13和第二分束器14，第一光束经由第二分束器14分为两束，一束发生转向并经所述第四透镜31后于第二探测器32成像呈一汇聚点，另一束未发生转向继续向第一探测器15传播；

第二光束依次经第二物镜21、第二透镜22和第二反射镜23反射后射入第二分束器14，经第二分束器14也分为两束，一束未发生转向继续穿过第四透镜31并于第二探测器32上成像呈一汇聚点，另一束发生转向第一探测器15传播，此时向第一探测器15传播的部分第一光束与部分第二光束对应发生干涉后于第一探测器15处形成第一干涉条纹并被记录；

通过调节第二物镜21，以改变经第二物镜21的第二光束的方向，以调节第一探测器15获取的第一干涉条纹的密度，从而满足分辨率的要求，并通过第一探测器15对应获得第一干涉条纹；

通过沿垂直于经第一反射镜11反射的第一光束传播的方向调节第三透镜17，以改变经第三透镜17的第一光束的方向，使得射入样品51的第一光束具有不同的入射角，以检测样品对不同入射角度的光线的相位调制能力，由于第一光束和第二光束会在第二探测器32处形成两个汇聚点，并通过第二探测器32记录两个汇聚点之间的距离和位置可计算得到第一光束和第二光束的夹角，能够确定第一光束射入样品时的具体角度；

将样品取出，进而通过第一探测器15获取第二干涉条纹，将第二干涉条纹与第一干涉条纹比对，从而计算出相位的变化量，得出样品51对光的相位调制能力，从而评价样品51的品质。

本发明还提供了一种微型透镜检测系统的检测方法，包括如下步骤：

提供该检测系统，打开单色光源41，将样品51置于第一反射镜11与第一物镜12之间，通过第一探测器15获取经过样品51的第一光束与第二光束干涉形成的第一干涉条纹；

将样品取出，通过第一探测器15获取不经样品51的第一光束与第二光束干涉形成的第二干涉条纹；

将第一干涉条纹和第二干涉条纹输出。

进一步的，该第二物镜21可沿垂直于第二透镜所在的光轴的方向来回移动，且该第二物镜21与第二透镜22之间的间距等于第二物镜21的后焦距与第二透镜22的前焦距的和；

放置样品后，来回移动第二物镜21以改变第二光束的传播方向，从而改变第一干涉条纹的密度，直至第一干涉条纹的密度满足设定的分辨率的要求。

进一步的，还包括依次设置于样品51与第一反光镜11之间的第三透镜17第三物镜18，且第三透镜17可沿垂直于第三物镜所在的光轴的方向来回移动，该第三透镜17与第三物镜18之间的间距等于第三透镜17的后焦距与第三物镜18的后焦距的和；

调节第三透镜17的位置以改变第一光束的传播方向，通过第一探测器15获取不同角度的第一光束经样品51和与第二光束形成的第一干涉条纹；

取出样品51后，通过第一探测器15获取对应角度的第一光束与第二光束形成的第二干涉条纹。

进一步的，第二分束器14远离第二反射镜23的一侧设置有第四透镜31以及第二探测器32；

调节第三透镜17的位置后，该第一光束与第二光束经第四透镜31于第二探测器32形成两个汇聚点；

通过第二探测器32探测两个汇聚点的位置和距离以计算出第一光束与第二光束之间的夹角，从而得出第一光束射入样品51时的角度。

本发明提供的检测方法实际实施的具体操作方式如下：

实施例一，结合图3所示：

光栅衍射方向由经典的衍射方程写为：

dsinθ＝mλ

其中d为光栅周期，θ为衍射方向，λ为光波长，m为衍射阶数，衍射方向是由光栅的周期决定的，如果去探索光栅衍射的本质，实质是光栅对相位的调控，光的传播方向由相位的梯度决定，如图3所示，实验中的一阶闪耀光栅相位分布，其中相位梯度方向就是衍射最强的一阶方向。

实施例二，结合图4所示：

微透镜阵列，是每一个单元都是一个小透镜，周期性排列而构成的阵列，每一个透镜都具有聚焦能力，因此测量了微透镜阵列的一个单元的相位分布，如图4所示，从图中可以看出，微透镜相位分布与理论对比符合，在透镜边缘区域由于透镜加工原因导致相位改变没有理想那么大，通过相位分布就可以初步看出透镜的品质，如果透镜有明显的缺陷或者划痕的话，能明显看出相位的不连续性。

实施例三，结合图5、图6、图7和图8所示：

超透镜是最近几年发展很快的一种新型透镜，它的尺寸可以做的很小，也可以做到很薄大概只有400nm左右的厚度，就能实现很好的聚焦，它主要是通过一些纳米颗粒或柱子来调控相位，使透镜不同区域对相位的改变不同，从而实现聚焦，因此获得了超透镜的相位分布，就可以很好的分析透镜的成像质量好坏；

导致超透镜成像质量不好主要的两个原因：(1)设计时纳米柱子改变的相位不能满足理论要求应该改变的相位；(2)加工时加工精度或者实验材料与设计的偏差都会导致，真实的相位改变与理想的不同，从而引起成像偏差；

一个焦距为484μm直径200μm的超透镜的相位分布如图5所示，除此之外我们还可以研究，超透镜对不同角度入射光的相位调控能力，对于不同角度的入射光，超透镜的相位分布会有一定的变化，如果直接看相位分布是不明显的，一种比较有效的方法是看它们的相位差值，本质就是样品改变的相位与理想应该改变的相位之间的差值；

这里我们分别用10°、5°和-5°入射时的相位分布减去0°入射时的相位分布，如图6、图7和图8所示，可以看出随着角度的增加，会有一个整体的相位梯度，角度越大梯度越大，获得相位分布之后，我们就可以研究它的成像性能，可以用泽尼克多项式将波像差展开，看每一项的系数大小，如果是完美透镜，展开后每一项系数都应该为0，哪一项系数越大就说明哪一种像差最明显，如图9所示，我们将0°入射时的波像差用泽尼克多项式展开，可以发现除了5、6、7项比较大，5、6对应像散，7对应横向彗差；

当分析不同角度入射像差变化时，如图10所示，彗差会随着入射角度的增加而增加，两个不同的角度方向彗差分别为正和负，其中像散也有明显变化，对于我们没有改变角度的方向，彗差基本不变；

除此之外，由于我们获得的是透镜本质的相位分布和强度信息，所以通过数学处理，我们可以得到透镜的光瞳函数，光学传递函数(OTF，包括振幅调制传输函数MTF和相位调制传输函数PhTF)，以及点扩散函数PSF和斯特尔率。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微型透镜检测系统，其特征在于，包括：

单色光源；

设置于所述单色光源的出光口处的第一分束器，所述第一分束器将所述单色光源的光束分为第一光束和第二光束；

对应所述第一光束依次设置的第一反射镜、第一物镜、第一透镜、第二分束器和第一探测器；以及

依次沿所述第二光束设置的第二物镜、第二透镜和第二反射镜，且所述第二反射镜对应所述第二分束器设置，使得所述第二光束经所述第二反射镜反射入所述第二分束器中与所述第一光束合成一束并发生干涉；

通过放置样品于所述第一反射镜与所述第一物镜之间，使得所述第一光束经所述样品后与所述第二光束发生干涉，且所述第一探测器获取所述第一光束与所述第二光束的干涉条纹。

2.如权利要求1所述的微型透镜检测系统，其特征在于，所述第二物镜与所述第二透镜之间的间距d₁满足以下条件：

0＜d₁＜2(f₁+f₂)

其中，f₁为所述第二物镜的后焦距，f₂为所述第二透镜的前焦距；

所述第一物镜与所述第一透镜之间的间距d₂满足以下条件：

0＜d₂＜2(f₃+f₄)

其中，f₃为所述第一物镜的后焦距，f₄为所述第一透镜的前焦距；

所述第一透镜与所述第一探测器之间的间距d₃满足以下条件：

其中，f₅为所述第一透镜的后焦距，Δx为所述第一透镜的景深。

3.如权利要求2所述的微型透镜检测系统，其特征在于，所述第二物镜可沿垂直于所述第二透镜所在的光轴的方向来回移动，以改变经所述第二物镜射出的第二光束的传播方向，进而改变所述第二光束与所述第一光束的干涉条纹的密度至满足所述第一探测器设定的分辨率的要求。

4.如权利要求1所述的微型透镜检测系统，其特征在于，还包括设置于所述第一反射镜和所述样品之间的第三透镜以及设置于所述第三透镜与所述样品之间的第三物镜，所述第三透镜可沿垂直于所述第三物镜所在的光轴的方向来回移动，以改变经所述第三透镜射出的第一光束的传播方向，使得所述第一光束以不同的入射角度射入所述样品，从而获取不同角度入射所述样品的第一光束与所述第二光束的干涉条纹。

5.如权利要求4所述的微型透镜检测系统，其特征在于，所述第三透镜与所述第三物镜之间的间距d₄满足以下条件：

0＜d₄＜2(f₆+f₇)

其中，f₆为所述第三透镜的后焦距，f₇为所述第三物镜的后焦距。

6.如权利要求4所述的微型透镜检测系统，其特征在于，所述第二分束器远离所述第二反射镜的一侧依次设置的第四透镜以及第二探测器，所述第四透镜与所述第二探测器之间的间距d₅满足以下条件：

其中，f₈为所述第四透镜的后焦距，Δ_x2为所述第四透镜的景深。

7.一种如权利要求1所述的微型透镜检测系统的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供所述检测系统，打开所述单色光源，将样品置于所述第一反射镜与所述第一物镜之间，通过所述第一探测器获取经过所述样品的第一光束与所述第二光束干涉形成的第一干涉条纹；

将所述样品取出，通过所述第一探测器获取不经所述样品的第一光束与所述第二光束干涉形成的第二干涉条纹；

将所述第一干涉条纹和所述第二干涉条纹输出。

8.如权利要求7所述的微型透镜检测系统的检测方法，其特征在于，所述第二物镜可沿垂直于所述第二透镜所在的光轴的方向来回移动，且所述第二物镜与所述第二透镜之间的间距等于所述第二物镜的后焦距与所述第二透镜的前焦距的和；

放置所述样品后，来回移动所述第二物镜以改变所述第二光束的传播方向，从而改变所述第一干涉条纹的密度，直至所述第一干涉条纹的密度满足设定的分辨率的要求。

9.如权利要求8所述的微型透镜检测系统的检测方法，其特征在于，还包括依次设置于所述样品与第一反光镜之间的第三透镜和第三物镜，且所述第三透镜可沿垂直于所述第三物镜所在的光轴的方向来回移动，所述第三透镜与所述第三物镜之间的间距等于所述第三透镜的后焦距与所述第三物镜的后焦距的和；

调节所述第三透镜的位置以改变所述第一光束的传播方向，通过所述第一探测器获取不同角度的第一光束经所述样品后与所述第二光束形成的第一干涉条纹；

取出所述样品后，通过所述第一探测器获取对应角度的第一光束与所述第二光束形成的第二干涉条纹。

10.如权利要求9所述的微型透镜检测系统的检测方法，其特征在于，所述第二分束器远离所述第二反射镜的一侧设置有第四透镜以及第二探测器；

调节所述第三透镜的位置后，所述第一光束与所述第二光束经所述第四透镜于所述第二探测器形成两个汇聚点；

通过所述第二探测器探测两个所述汇聚点的位置和距离以计算出所述第一光束与所述第二光束之间的夹角，从而得出所述第一光束射入所述样品时的角度。

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