[发明专利]一种测量微透镜阵列焦距的方法

说明书

本发明涉及一种测量微透镜阵列焦距的方法，属于光学检测技术领域，将检测光源、准直扩束模块、微透镜阵列和光电探测器依次同光轴设置，采集光束经过微透镜阵列后不同传播距离下对应的多幅光斑阵列图像，计算给定阈值与能量比例系数下各子光斑的等效面积，对光电探测器沿轴向的相对位移量进行修正，对光束经过微透镜的光场传输进行建模，采用梯度类迭代优化算法，求解微透镜的焦距，本发明在测量过程中无需使用平行光管、干涉仪、精密转台、分光光栅等高精密光电设备及元器件，不要求对微透镜阵列焦面位置进行准确定位，适用于宽带检测光源和单色检测光源，操作简便易行，可同时实现对多个微透镜焦距的高效率、高精度测量。

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体地说涉及一种测量微透镜阵列焦距的方法。

背景技术

微透镜阵列具有衍射效率高、填充因子高、适用波长范围宽等优点，在光存储、波前测量、光束匀滑整形、三维成像与三维显示等诸多领域获得广泛应用。与传统透镜类似，焦距是微透镜阵列的核心光学参数；此外，微透镜阵列对应的子孔径数目较多，其规模通常在10×10甚至100×100量级，这对微透镜加工的一致性提出了较高要求。相应地，对微透镜阵列的焦距检测方法提出一定要求，即需要同时具备测量的高效性与高精度。

目前，已有对微透镜阵列焦距进行测量的方法主要包括显微镜及千分尺测量法、显微共焦测量法、垂轴放大率测量法、转角法、光栅衍射分光法、哈特曼传感器自标定法等，如微透镜阵列焦距及其一致性检测技术研究，朱咸昌，中国科学院光电技术研究所博士学位论文，2013年；Focal length measurement of microlens array for Shack-Hartmannwavefront sensor using interferometer，Optical Engineering，Vol.52，124103，2013；Absolute calibration of Hartmann-Shack wavefront sensor by sphericalwavefronts，Optics Communications，Vol.283，910～916，2010。其中，显微镜及千分尺测量法需千分尺接触式测量得到单元微透镜的矢高，易造成微透镜表面的破损，且一次测量只能完成一个子单元的焦距测量，不适合单元数较多的微透镜阵列测量；显微共焦测量法对应检测系统操作复杂，且检测小尺寸微透镜阵列的过程中准确寻找其焦点和顶点位置较为困难，对应测量效率较低；垂轴放大率测量法一次可完成微透镜阵列多个子单元的定焦和测量，通常具有较高的测量效率和测量精度，但由于平行光管的焦距较长和微透镜焦面光斑衍射极限的限制，使得该方法难以适用于短焦微透镜阵列的测量，且该方法对焦面的定位精度要求较高；转角法则通过高精密转台严格控制测试光束的转动角度，通过两次采集光斑阵列图像，获取光斑偏移量完成对微透镜焦距的测量，该测量方法对转台的精度及焦面的定位精度要求较高、检测成本较高；光栅衍射分光法无需采用精密转台，其对应的转动角度由检测光源的工作波长及光栅的周期确定，该方法通过一组定焦测量可完成微透镜阵列多个子单元的焦距测量，具有较高的检测效率和检测精度，但该测量方法对焦面的定位精度要求较高；哈特曼传感器自标定法则通过采集多个已知曲率球面波下的光斑阵列图像，对光斑偏移量规律进行分析，获得透镜阵列的焦距测量值，但该测量方法对焦面的定位精度要求较高，且需要配备平行光管产生多个已知曲率球面波，检测成本较高。

综上所述，已有微透镜阵列焦距测量方法在实际应用中，主要存在如下问题：1)显微镜及千分尺测量法、显微共焦测量法的检测效率相对较低；2)垂轴放大率测量法难以适用于短焦微透镜阵列的测量，且对焦面的定位精度要求较高；3)转角法、光栅衍射分光法、哈特曼传感器自标定法对焦面的定位精度要求较高，且需配备平行光管、干涉仪、精密转台、分光光栅等高精密光电设备及元器件，检测成本较高。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种测量微透镜阵列焦距的方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种测量微透镜阵列焦距的方法，包括以下步骤：