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微透镜阵列焦距及其一致性检测技术研究

朱咸昌  
【摘要】:微光学迅速发展的一个重要标志就是阵列型光学元件的出现。微透镜阵列由于其高衍射效率、高填充因子和较宽的工作波段,近年来广泛应用于光学三维成像、光整形和光耦合等领域。尤其在自适应光学系统的哈特曼波前传感器中,微透镜阵列是波面细分和检测的核心部件。近年来,随着加工工艺的提高和新型光学材料的应用导致微透镜阵列的生产成本降低、加工工艺日趋简单,其应用越来越广。 与传统透镜类似,焦距是微透镜阵列的核心光学参数。随着微透镜阵列也向着小口径、多阵列数以及高填充因子的方向发展,对其焦距检测不仅需要较高的检测精度,而且需要较快的检测效率。对于微透镜阵列焦距的检测,传统的检测方法如转角法、放大率测量法、显微镜测量法、矢高测量法、浮雕深度测量法等不能完成焦距的高精度检测,同时测量范围受限较大。国外实验室常采用干涉仪定焦法,通过干涉仪的猫眼定焦技术确定微透镜阵列的焦点和顶点从而完成焦距的测量。该检测手段成本较高,同时测量效率偏低,不易完成多阵列数的微透镜阵列焦距测量。 本文以解决微透镜阵列焦距测量的精度和效率为指导思想,对不同类型的微透镜阵列,通过分析其加工工艺和成像特性的不同,将4类检测方法用于微透镜焦距测量:基于光栅剪切干涉测量法,基于光栅多缝衍射原理的分光法,基于清晰度定焦评价函数的图像处理法和基于哈特曼波前检测原理的测量法。对剪切干涉法:通过傅里叶光学分析,将剪切干涉定焦从定性检测转换成定量检测,通过分析干涉条纹的周期变化即可完成微透镜阵列定焦检测,提高了测量精度;对光栅衍射法:利用光栅衍射的分光原理,用光栅分光代替传统的转角法完成微透镜的定焦测量,并分析了测量过程中,相邻子单元光斑的干扰状况,节约了测量成本,提高了检测效率;对图像处理法:利用清晰度函数定焦技术代替干涉仪的“猫眼”位置定焦,极大的提高了测量效率;对于哈特曼波前法:通过分析球面波前和平面波前在微透镜阵列焦面上光斑的移动,完成焦距测量,具有较高的检测精度和测量效率。综合分析4种测量方法,比较各类检测方法在不同微透镜阵列检测中的优劣。通过实验完成检测方法的可行性分析,测量范围标定,测量精度和效率分析。 本研究初步构建了一套完整的微透镜阵列焦距及其一致性检测体系,对焦距变化范围为1-200mm,子单元孔径变化范围为0.2-1mm即F数变化为5-200的微透镜阵列,可选取合理的检测方法,完成其焦距测量。该检测体系有效填补了国内外对微透镜阵列焦距测量的空白,对适用于检测范围的微透镜阵列检测精度可达3%,一次测量可完成微透镜阵列10-20个子单元的焦距检测,具有较高的检测精度和检测效率。


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