[發明專利]一種基于牛頓法和泰伯效應的微透鏡陣列焦距的檢測方法

有效

• 申請號: 201210319870.6
• 申請日: 2012-08-31
• 公開（公告）號: CN102788683A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 朱咸昌;伍凡;曹學東;吳時彬
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;賈玉忠

技術領域

本發明涉及一種基于牛頓法和泰伯效應的微透鏡焦距的檢測方法，屬于光學檢測領域，該方法操作簡便易行，測量精度較高。

背景技術

作為微小光學和陣列衍射光學的重要部件，微透鏡及其陣列元件因為其高衍射效率，寬工作波段，易微型化及集成化等優點，被廣泛應用于光束波前檢測、光耦合及存儲、光學均勻性照明、三維成像等技術領域。與普通透鏡類似，焦距是微透鏡及其陣列元件的重要衡量參數。盡管透鏡焦距的檢測手段非常豐富，研究人員依然在尋找新的檢測方法，實現對微透鏡及其陣列元件的焦距高精度測量。對微透鏡及其陣列元件的焦距檢測方法主要分為兩類：基于物理光學的各種衍射、干涉法，包括泰伯-莫爾法、剪切干涉法、泰曼-格林干涉儀檢測法和光柵衍射法等；基于幾何光學的放大率法、轉角法和牛頓法等。

泰伯-莫爾法是利用兩個光柵之間的傾斜角產生莫爾條紋：當光柵G2位于光柵G1的泰伯自成像G₁′的位置時，如果G2與G₁′存在轉角，二者將在測量顯示屏上形成轉角莫爾條紋。根據莫爾條紋的形成原理，計算出被測透鏡的焦距f：

其中，l是光柵G1與被測透鏡的距離，s為莫爾條紋的間距，p為光柵周期，z_t為兩個光柵間的軸線距離即光柵G1的泰伯距離，為莫爾條紋的轉角。泰伯-莫爾法對長焦距具有較高的檢測精度，但不適于短焦測量且測量數據處理復雜。

剪切干涉法常利用郎奇光柵衍射產生的0級和1級光進行干涉測量：郎奇光柵處于被測微透鏡陣列的焦面上時，0級和1級衍射光的重疊區域不產生干涉條紋；郎奇光柵位于離焦位置時，重疊區域有干涉條紋產生。通過測量微透鏡陣列各個子單元的孔徑D，0級衍射光斑大小d和CCD探測器與光柵距離z即可計算微透鏡陣列的焦距。

f＝Dz/d

該方法雖然精度較高，但測量過程中數據處理復雜，易產生干擾影響檢測。

泰曼-格林干涉儀的檢測原理是：調節干涉儀的測頭位于微透鏡陣列的頂點位置，各光線沒有光程差，不產生干涉條紋；移動測頭至微透鏡陣列的焦點位置，同樣沒有干涉條紋；兩次測量時測頭移動的距離即為微透鏡陣列的焦距。該方法雖然測量精度較高，但操作復雜，成本較高。

光柵衍射法是用光柵衍射代替傳統的轉角法測量微透鏡陣列的焦距：平行光經光柵衍射形成三束衍射光（高級次衍射光由于光強偏弱可忽略）即0級、+1級和-1級；三束衍射光分別在微透鏡陣列的各個子單元成像，通過測量光斑的中心距即可完成焦距的檢測。

f＝h/sinα≈dh/λ

式中，f為被測微透鏡的焦距；h為0級和1級衍射光像點的中心距；α為光柵的1級衍射角；d為光柵周期；λ為測量光源的波長。該方法對焦距測量精度較高，但由于0級和1級衍射光斑的干擾，對短焦透鏡的焦距測量存在難度。

放大率法是焦距測量過程中比較常用的檢測方法，其檢測原理為：檢測使用的平行光管星點板上有兩個小孔；通過光源照明后，平行光管的出射光為兩束平行光；平行光經過微透鏡陣列匯聚，在其各個子孔徑的焦面上成兩個點像。根據幾何成像原理，可計算微透鏡陣列各個子單元的焦距。

fF=dD]]>

式中F為平行光管的焦距，D為星點板上兩個小孔的中心距，f為被測微透鏡子單元的焦距，d為該子單元焦面上像點的中心距。該方法操作簡單，測量成本較低，一次測量可完成微透鏡多個陣列焦距的測量，具有較高的測量精度和測量效率；但由于平行光管的焦距限制，不易完成長焦距的微透鏡的檢測。

轉角法是將平行光管置于精密轉臺上，首先調節轉臺使平行光管的出射光正入射進入被測微透鏡，在焦面上采集圖像；然后調節轉臺轉動一定的角度使平行光管出射光斜入射進入被測微透鏡，再次在焦面上采集圖像；計算兩次采集圖像的光斑偏移量，結合轉動的角度可完成微透鏡的焦距測量。

f＝d/tanα

式中，f為被測微透鏡的焦距；d為相兩次成像的中心距；α為轉臺轉動的角度。配合高精密轉臺的使用，該方法具有較高的測量精度和測量效率，但測量成本較高。

牛頓法是一種基于幾何光學中牛頓公式的間接測量方法，通過測量微透鏡的焦物距x和焦像距x′，即可完成焦距f的計算測量：