CN117419658A - 曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置及方法 - Google Patents

曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置及方法,能够实现高精度、高分辨率、高效率的曲面微透镜阵列表面形貌检测,并且可以分别对曲面微透镜阵列的曲面基底和微透镜单元部分的表面形貌进行检测与分析,具备较高的灵活性。这种曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置包括:单色激光光源(1)、扩束透镜组(2)、分束镜(3)、移相装置(4)、平面参考镜(5)、补偿镜头(6)、曲面微透镜阵列样本(7)、成像镜头(8)、面阵探测器(9)、计算机处理系统(10)。

Description

曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置及方法
技术领域
本发明涉及精密光学测试的技术领域,尤其涉及一种曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置,以及这种曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置所采用的方法。
背景技术
微透镜阵列,是指在表面结构上具备以阵列形式周期性排布的透镜特征的光学元件,其透镜单元的尺寸大多在数微米至数百毫米,相较于常规透镜尺寸较小,故而称为微透镜。
近年来,随着对微透镜阵列相关研究的深入,曲面微透镜阵列作为微透镜阵列的一个分支发展迅速。传统的微透镜阵列主要是平面微透镜阵列,其微透镜单元是分布在平面基底上的,各单元的基础高度和光轴方向一致,作为对比,曲面微透镜阵列的微透镜单元是分布在曲面基底上的,各单元的基础高度和光轴方向均不一致。曲面微透镜阵列主要应用于成像系统,以获取更大的视场角和更优的成像质量,专利CN201410806265.0、CN202011132753.X等对此类技术均有说明。
为提高曲面微透镜阵列加工水平和工作质量,对于曲面微透镜阵列的表面形貌检测至关重要。对于此类元件的表面形貌检测属于微纳结构形貌检测领域,现有的微纳结构形貌检测技术主要包括原子力显微镜、扫描电子显微镜、共聚焦显微镜、白光干涉仪等。这些技术可以实现比较高的检测精度和分辨率,但是前三者需要通过逐点扫描的方式进行检测,效率低下,白光干涉仪是较大范围的面阵检测,但是对于曲面微透镜阵列这种轴向矢高跨度很大的元件,需要长时间、大范围的轴向扫描检测,同样无法实现高效的检测。
移相干涉法也是微纳结构形貌检测的重要方法之一,它采用单色光照明,同样具备高精度、高分辨率的面阵检测的能力,且无需轴向扫描,但目前的移相干涉法只能检测平面基底上的微纳结构,对于曲面基底上的特征无法有效检测。
发明内容
为克服现有技术的缺陷,本发明要解决的技术问题是提供了一种曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置,其能够实现高精度、高分辨率、高效率的曲面微透镜阵列表面形貌检测,并且可以分别对曲面微透镜阵列的曲面基底和微透镜单元部分的表面形貌进行检测与分析,具备较高的灵活性。
本发明的技术方案是:这种曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置,其包括:单色激光光源(1)、扩束透镜组(2)、分束镜(3)、移相装置(4)、平面参考镜(5)、补偿镜头(6)、曲面微透镜阵列样本(7)、成像镜头(8)、面阵探测器(9)、计算机处理系统(10);
单色激光光源出射细激光光束,细激光光束通过扩束透镜组形成宽束平行激光光束,宽束平行激光光束入射到分束镜上,分为反射光和透射光两束光;反射光照射到平面参考镜上,经其反射后沿反射光方向原路返回,再次通过分束镜,经其透射后经过成像镜头,经其成像到达面阵探测器,形成参考光束;透射光继续向前传播,通过补偿镜头,经其会聚后投射到曲面微透镜阵列样本表面,再经曲面微透镜阵列样本反射后,通过补偿镜头,再通过分束镜反射后经过成像镜头,经其成像到达面阵探测器,形成测量光束;测量光束和参考光束发生干涉,形成干涉;平面参考镜安装到移相装置上,通过移相装置控制平面参考镜精密轴向移动,重复上述干涉过程生成移相干涉图,移相干涉图被面阵探测器采集,然后被传输到计算机处理系统进行分析运算。
本发明的单色激光光源出射细激光光束,细激光光束通过扩束透镜组形成宽束平行激光光束,宽束平行激光光束入射到分束镜上,分为反射光和透射光两束光;反射光照射到平面参考镜上,经其反射后沿反射光方向原路返回,再次通过分束镜,经其透射后经过成像镜头,经其成像到达面阵探测器,形成参考光束;透射光继续向前传播,通过补偿镜头,经其会聚后投射到曲面微透镜阵列样本表面,再经曲面微透镜阵列样本反射后,通过补偿镜头,再通过分束镜反射后经过成像镜头,经其成像到达面阵探测器,形成测量光束;测量光束和参考光束发生干涉,形成干涉;平面参考镜安装到移相装置上,通过移相装置控制平面参考镜精密轴向移动,重复上述干涉过程生成移相干涉图,移相干涉图被面阵探测器采集,然后被传输到计算机处理系统进行分析运算;本发明以移相干涉法为基础,根据曲面微透镜阵列表面可以划分为曲面基底和微透镜单元的特性,通过补偿镜头产生与曲面基底匹配的曲面波前,通过零补偿干涉和部分补偿干涉分别对曲面基底和微透镜单元部分表面形貌进行检测,因此能够实现高精度、高分辨率、高效率的曲面微透镜阵列表面形貌检测,并且可以分别对曲面微透镜阵列的曲面基底和微透镜单元部分的表面形貌进行检测与分析,具备较高的灵活性。
还提供了一种曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测方法,其包括以下步骤:
(1)根据移相干涉图解算初始相位,根据面阵探测器采集并传入计算机处理系统的移相干涉图,经过解相位和相位接包裹获得初始相位分布W;
(2)划分曲面基底和微透镜单元的范围,记录曲面基底范围内的初始相位为WBase,记录微透镜单元范围内的初始相位为其中i为微透镜单元的序号;
(3)计算曲面基底表面形貌误差,在步骤(2)中划分的曲面基底的范围内,按照如下公式计算曲面基底表面形貌误差SBase为:
SBase=WBase/2 (1);
(4)计算微透镜单元表面形貌误差。在步骤(2)中划分的微透镜单元的范围内,按照如下公式计算微透镜单元表面形貌误差为:
其中,Ri为补偿镜头出射波前投射到微透镜单元的矢高理论值,为微透镜单元的矢高理论值,αi为补偿镜头出射波前与微透镜单元的法线之间的夹角,i为微透镜单元的序号;
(5)计算完整的曲面微透镜阵列样本表面形貌,根据步骤(3)中的曲面基底表面形貌误差SBase、步骤(4)中的微透镜单元表面形貌误差以及补偿镜头出射波前R,计算完整的曲面微透镜阵列样本表面形貌SFin为:
其中,补偿镜头出射波前R取理论值或采用实际波前探测装置检测后取实际值。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程图。
图2为本发明具体实施方式所述装置的组成结构图。
图3为本发明所述实施例中的移相干涉图。
图4为本发明所述实施例中的初始相位分布。
图5为本发明所述实施例中的曲面基底范围内的初始相位。
图6为本发明所述实施例中的微透镜单元范围内的初始相位。
图7为本发明所述实施例中的曲面基底表面形貌误差。
图8为本发明所述实施例中的微透镜单元表面形貌误差。
图9为本发明所述实施例中的完整的曲面微透镜阵列样本表面形貌。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
如图2所示,这种曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置,其包括:单色激光光源1、扩束透镜组2、分束镜3、移相装置4、平面参考镜5、补偿镜头6、曲面微透镜阵列样本7、成像镜头8、面阵探测器9、计算机处理系统10;
单色激光光源出射细激光光束,细激光光束通过扩束透镜组形成宽束平行激光光束,宽束平行激光光束入射到分束镜上,分为反射光和透射光两束光;反射光照射到平面参考镜上,经其反射后沿反射光方向原路返回,再次通过分束镜,经其透射后经过成像镜头,经其成像到达面阵探测器,形成参考光束;透射光继续向前传播,通过补偿镜头,经其会聚后投射到曲面微透镜阵列样本表面,再经曲面微透镜阵列样本反射后,通过补偿镜头,再通过分束镜反射后经过成像镜头,经其成像到达面阵探测器,形成测量光束;测量光束和参考光束发生干涉,形成干涉;平面参考镜安装到移相装置上,通过移相装置控制平面参考镜精密轴向移动,重复上述干涉过程生成移相干涉图,移相干涉图被面阵探测器采集,然后被传输到计算机处理系统进行分析运算。
本发明的单色激光光源出射细激光光束,细激光光束通过扩束透镜组形成宽束平行激光光束,宽束平行激光光束入射到分束镜上,分为反射光和透射光两束光;反射光照射到平面参考镜上,经其反射后沿反射光方向原路返回,再次通过分束镜,经其透射后经过成像镜头,经其成像到达面阵探测器,形成参考光束;透射光继续向前传播,通过补偿镜头,经其会聚后投射到曲面微透镜阵列样本表面,再经曲面微透镜阵列样本反射后,通过补偿镜头,再通过分束镜反射后经过成像镜头,经其成像到达面阵探测器,形成测量光束;测量光束和参考光束发生干涉,形成干涉;平面参考镜安装到移相装置上,通过移相装置控制平面参考镜精密轴向移动,重复上述干涉过程生成移相干涉图,移相干涉图被面阵探测器采集,然后被传输到计算机处理系统进行分析运算;本发明以移相干涉法为基础,根据曲面微透镜阵列表面可以划分为曲面基底和微透镜单元的特性,通过补偿镜头产生与曲面基底匹配的曲面波前,通过零补偿干涉和部分补偿干涉分别对曲面基底和微透镜单元部分表面形貌进行检测,因此能够实现高精度、高分辨率、高效率的曲面微透镜阵列表面形貌检测,并且可以分别对曲面微透镜阵列的曲面基底和微透镜单元部分的表面形貌进行检测与分析,具备较高的灵活性。
优选地,所述单色激光光源的工作波长根据曲面微透镜阵列样本的表面反射率确定。
优选地,所述扩束透镜组工作光谱范围按照单色激光光源的波长进行选择。
优选地,所述补偿镜头用于产生与曲面微透镜阵列样本的曲面基底F数相匹配的曲面波前,F数相匹配是指补偿镜头的F数应大于等于曲面基底的F数。
优选地,所述曲面微透镜阵列样本,其曲面基底的球心位置与补偿镜头焦点位置重合。
优选地,所述面阵探测器位于成像镜头的像平面位置。
优选地,测量过程中,激光器出射中心波长为632.8nm的激光;扩束透镜组工作波长与激光器出射波长相匹配,扩束后光束直径50.8mm;平面参考镜安装到移相装置上;补偿镜头的直径为50.8mm,补偿镜头的F数为4;曲面微透镜阵列样本的曲面基底球心位置与补偿镜头焦点位置重合,曲面基底曲率半径为50mm,曲面基底的F数为1,补偿镜头的F数为4,大于等于曲面基底的F数,符合要求;成像镜头的放大率为4倍;面阵探测器放置在成像镜头的像面位置。
如图1所示,还提供了一种曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测方法,其包括以下步骤:
(1)根据移相干涉图解算初始相位,根据面阵探测器采集并传入计算机处理系统的移相干涉图,经过解相位和相位接包裹获得初始相位分布W;
(2)划分曲面基底和微透镜单元的范围,记录曲面基底范围内的初始相位为WBase,记录微透镜单元范围内的初始相位为其中i为微透镜单元的序号;
(3)计算曲面基底表面形貌误差,在步骤(2)中划分的曲面基底的范围内,按照如下公式计算曲面基底表面形貌误差SBase为:
SBase=WBase/2 (1);
(4)计算微透镜单元表面形貌误差。在步骤(2)中划分的微透镜单元的范围内,按照如下公式计算微透镜单元表面形貌误差为:
其中,Ri为补偿镜头出射波前投射到微透镜单元的矢高理论值,为微透镜单元的矢高理论值,αi为补偿镜头出射波前与微透镜单元的法线之间的夹角,i为微透镜单元的序号;
(5)计算完整的曲面微透镜阵列样本表面形貌,根据步骤(3)中的曲面基底表面形貌误差SBase、步骤(4)中的微透镜单元表面形貌误差以及补偿镜头出射波前R,计算完整的曲面微透镜阵列样本表面形貌SFin为:
其中,补偿镜头出射波前R取理论值或采用实际波前探测装置检测后取实际值。
以下详细说明本发明的具体实施例。
一种基于部分补偿干涉的曲面微透镜阵列表面形貌检测装置,如图2所示,包括单色激光光源1、扩束透镜组2、分束镜3、移相装置4、平面参考镜5、补偿镜头6、曲面微透镜阵列样本7、成像镜头8、面阵探测器9、计算机处理系统10。
本实施例所述目标元件为一个金属铝材料的反射型曲面微透镜阵列,元件曲面基底和微透镜单元均为球面,采用本发明提出的方法,对其表面形貌进行检测。测量过程中,激光器1出射中心波长为632.8nm的激光;扩束透镜组2工作波长与激光器1出射波长相匹配,扩束后光束直径50.8mm;平面参考镜5安装到移相装置4上;补偿镜头6的直径为50.8mm,补偿镜头6的F数为4;曲面微透镜阵列样本7的曲面基底球心位置与补偿镜头6焦点位置重合,曲面基底曲率半径为50mm,曲面基底的F数为1,补偿镜头6的F数为4,大于等于曲面基底的F数,符合本发明要求;成像镜头8的放大率为4倍;面阵探测器9放置在成像镜头8的像面位置。
根据本发明所述的基于部分补偿干涉的曲面微透镜阵列表面形貌检测方法,按照如下步骤进行表面形貌检测。
根据步骤一、根据移相干涉图解算初始相位。面阵探测器9采集并传入计算机处理系统10的移相干涉图如图3所示,经过解相位和相位接包裹获得初始相位分布W,初始相位分布W如图4所示。
根据步骤二、划分曲面基底和微透镜单元的范围,记录曲面基底范围内的初始相位为WBase,如图5所示;记录微透镜单元范围内的初始相位为如图6所示,其中i为微透镜单元的序号,微透镜单元总数量为
根据步骤三、计算曲面基底表面形貌误差SBase,如图7所示。
根据步骤四、计算微透镜单元表面形貌误差其中i为微透镜单元的序号,微透镜单元表面形貌误差/>如图8所示。
根据步骤五、计算完整的曲面微透镜阵列样本10表面形貌,根据步骤三中的曲面基底表面形貌误差SBase、步骤四中的微透镜单元表面形貌误差以及补偿镜头6出射波前R,求得完整的曲面微透镜阵列样本10表面形貌SFin如图9所示,其中,补偿镜头6的出射波前R取理论值。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置,其特征在于:其包括:单色激光光源(1)、扩束透镜组(2)、分束镜(3)、移相装置(4)、平面参考镜(5)、补偿镜头(6)、曲面微透镜阵列样本(7)、成像镜头(8)、面阵探测器(9)、计算机处理系统(10);
单色激光光源出射细激光光束,细激光光束通过扩束透镜组形成宽束平行激光光束,宽束平行激光光束入射到分束镜上,分为反射光和透射光两束光;反射光照射到平面参考镜上,经其反射后沿反射光方向原路返回,再次通过分束镜,经其透射后经过成像镜头,经其成像到达面阵探测器,形成参考光束;透射光继续向前传播,通过补偿镜头,经其会聚后投射到曲面微透镜阵列样本表面,再经曲面微透镜阵列样本反射后,通过补偿镜头,再通过分束镜反射后经过成像镜头,经其成像到达面阵探测器,形成测量光束;测量光束和参考光束发生干涉,形成干涉;平面参考镜安装到移相装置上,通过移相装置控制平面参考镜精密轴向移动,重复上述干涉过程生成移相干涉图,移相干涉图被面阵探测器采集,然后被传输到计算机处理系统进行分析运算。
2.根据权利要求1所述的曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置,其特征在于:所述单色激光光源的工作波长根据曲面微透镜阵列样本的表面反射率确定。
3.根据权利要求2所述的曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置,其特征在于:所述扩束透镜组工作光谱范围按照单色激光光源的波长进行选择。
4.根据权利要求3所述的曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置,其特征在于:所述补偿镜头用于产生与曲面微透镜阵列样本的曲面基底F数相匹配的曲面波前,F数相匹配是指补偿镜头的F数应大于等于曲面基底的F数。
5.根据权利要求4所述的曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置,其特征在于:所述曲面微透镜阵列样本,其曲面基底的球心位置与补偿镜头焦点位置重合。
6.根据权利要求5所述的曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置,其特征在于:所述面阵探测器位于成像镜头的像平面位置。
7.根据权利要求6所述的曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测装置,其特征在于:测量过程中,激光器出射中心波长为632.8nm的激光;扩束透镜组工作波长与激光器出射波长相匹配,扩束后光束直径50.8mm;平面参考镜安装到移相装置上;补偿镜头的直径为50.8mm,补偿镜头的F数为4;曲面微透镜阵列样本的曲面基底球心位置与补偿镜头焦点位置重合,曲面基底曲率半径为50mm,曲面基底的F数为1,补偿镜头的F数为4,大于等于曲面基底的F数,符合要求;成像镜头的放大率为4倍;面阵探测器放置在成像镜头的像面位置。
8.曲面微透镜阵列复杂表面形貌检测方法,其特征在于:其包括以下步骤:
(1)根据移相干涉图解算初始相位,根据面阵探测器采集并传入计算机处理系统的移相干涉图,经过解相位和相位接包裹获得初始相位分布W;
(2)划分曲面基底和微透镜单元的范围,记录曲面基底范围内的初始相位为WBase,记录微透镜单元范围内的初始相位为其中i为微透镜单元的序号;
(3)计算曲面基底表面形貌误差,在步骤(2)中划分的曲面基底的范围内,按照如下公式计算曲面基底表面形貌误差SBase为:
SBase=WBase/2 (1);
(4)计算微透镜单元表面形貌误差,在步骤(2)中划分的微透镜单元的范围内,按照如下公式计算微透镜单元表面形貌误差为:
其中,Ri为补偿镜头出射波前投射到微透镜单元的矢高理论值,为微透镜单元的矢高理论值,αi为补偿镜头出射波前与微透镜单元的法线之间的夹角,i为微透镜单元的序号;
(5)计算完整的曲面微透镜阵列样本表面形貌,根据步骤(3)中的曲面基底表面形貌误差SBase、步骤(4)中的微透镜单元表面形貌误差以及补偿镜头出射波前R,计算完整的曲面微透镜阵列样本表面形貌SFin为:
其中,补偿镜头出射波前R取理论值或采用实际波前探测装置检测后取实际值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118408722A (zh) * 2024-07-01 2024-07-30 中国工程物理研究院应用电子学研究所 基于时空复用与时空二相性的大视场范围超快三维成像系统

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