一种微透镜阵列测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种微透镜阵列测试装置及方法，它包括一台激光器、一个采样光阑、一个傅立叶透镜、一个待测微透镜阵列、一个显微物镜、一个图像采集芯片和一个图像处理模块。采样光阑置于傅立叶透镜的前焦面上，以激光器输出的高斯光束照明采样光阑，经过傅立叶透镜的变换，在其后焦面上得到与待测微透镜阵列一一对应的第一个高斯光斑阵列。微透镜阵列的前焦面与傅立叶透镜的后焦面重合，第一个光斑阵列中的每个光斑经过对应的微透镜变换，在微透镜阵列的后焦面上得到第二个高斯光斑阵列。以显微成像系统对第二个高斯光斑阵列成像，并通过图像分析法得到每个光斑的尺寸，从而计算得到每个微透镜的焦距并分析其一致性。

Micro lens array testing device and method

The invention discloses a micro lens array testing device and method, it includes a laser, a sampling aperture, a Fu Liye lens, a micro lens array, a micro lens, an image acquisition chip and an image processing module. Placed in the front focal plane aperture sampling Fu Liye lens, Gauss beam illumination laser sampling aperture lens, after Fu Liye transform, the first Gauss spot array correspond to micro lens array in the back focal plane. The micro lens array after focal plane overlap the front focal plane and Fu Liye lens, the first spot in the array of each spot through the micro lens transformation corresponding to the second spot in the back focal plane array Gauss microlens array on. The second Gauss spot arrays are imaged with a micro imaging system, and the size of each spot is obtained by means of image analysis. The focal length of each microlens is calculated, and the coherence is analyzed.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及领域，具体地讲涉及一种高精度的微透镜阵列测试装置及方法。
技术介绍
微透镜阵列在大规模光开关、光场相机、3D成像与显示、印刷机、虚拟现实眼镜、光刻机等领域有着广泛的应用。微透镜阵列的材料和制作工艺多种多样，典型的有两种：其一采用聚合物材料，通过模具压印技术制造；其二采用石英玻璃材料，通过光学微加工技术制造。在实际应用中，焦距及其一致性是微透镜阵列的关键技术指标，尤其是焦距的一致性，对这种阵列式光学元件的应用至关重要。测量微透镜阵列焦距的技术方案多种多样，有千分尺法、显微镜法、放大率法、光强计法、泰曼-格林干涉法、剪切干涉法、光栅衍射分光法、图像分析法、波前检测法等。考虑测试效率问题，其中能够一次检测多个微透镜的技术只有放大率法、光栅衍射分光法、图像分析法和波前检测法；考虑微透镜的焦距一般较小，剔除仅适用于中长焦距测量的放大率法、光栅衍射分光法和波前检测法，能够同时测试多个短焦距微透镜的技术只有图像分析法。经过检索发现，专利号CN200710071638.4的专利技术专利公开了一种基于微透镜阵列的激光光束发散角测试方法，本专利技术属于光学领域，具体涉及激光光束发散角的测试方法。它克服了现有束散角测试方法测量误差较大和测试实时性较差的缺陷。它包括下述步骤：被测光束入射望远镜系统，使输出的光斑直径与微透镜阵列的外形尺寸相匹配，微透镜阵列包含m×n个排列成矩阵状的子透镜；利用微透镜阵列将被测光束分解为子光束，通过CCD探测每一子光束的发射角度，并通过统计方法计算得到被测光束发散角，测量精度可达0.1μrad。专利号CN201110338856.6的专利技术提供一种使用微透镜阵列的同步移相干涉测试方法及装置，涉及光干涉计量测试领域，方法步骤为：首先，在泰曼式干涉测试光路中得到一对偏振方向正交的参考光与测试光；其次，使用微透镜阵列，利用波前分割的方法进行移相，光干涉信号被探测器接收，最后，对探测器得到的数据进行重新排列得到四幅移相干涉图，利用通用的四步移相算法即可恢复被测相位。然而，图像分析法是通过显微成像系统，在图像采集芯片上分别获得微透镜的顶点和焦点附近的多个图像，通过对图像清晰度函数的分析，获得微透镜顶点和焦点的对焦位置，二者间距即为测得的焦距。图像分析法适用于短焦距微透镜阵列的测试，可同时对多个微透镜进行测量，但是图像清晰度函数在焦面附近比较平缓，敏感度不够，因此测试误差较大；故需要加以改进。
技术实现思路
因此，为了解决上述不足，本专利技术在此提供一种可以对微透镜阵列的焦距及其一致性进行测试的装置，它可以同时对一个基片上的所有微透镜进行测试，具有测试效率高的优势。本专利技术是这样实现的，构造一种微透镜阵列测试装置，用于对阵列中每个微透镜的焦距及其一致性进行测试，它包括一台激光器、一个采样光阑、一个傅立叶透镜、一个待测微透镜阵列、一个显微物镜、一个图像采集芯片和一个图像处理模块；其中，激光器位于采样光阑前，采样光阑后依次有傅立叶透镜、待测微透镜阵列、显微物镜、图像采集芯片，所述图像采集芯片与图像处理模块连接；以激光器输出的高斯光束照明采样光阑，经过傅立叶透镜的变换，在其后焦面上得到与待测微透镜阵列一一对应的第一个高斯光斑阵列；高斯光斑阵列中的每个光斑被一个微透镜变换，在微透镜阵列的后焦面上得到第二个高斯光斑阵列；第二个高斯光斑阵列的间距与第一个高斯光斑阵列相同，光斑大小则取决于微透镜的焦距和第一个高斯光斑阵列中的光斑尺寸；显微物镜对微透镜阵列的后焦面成像，在图像采集芯片上得到第二个高斯光斑阵列的图像，通过图像分析算法，得到每个高斯光斑的尺寸；第一个高斯光斑阵列中每个光斑的大小由激光器输出高斯光束的尺寸和傅立叶透镜的焦距决定，为已知量；第二个高斯光斑阵列中每个光斑的大小通过图像分析算法得到，由此可计算每个微透镜的焦距，并对微透镜阵列焦距的一致性进行分析。本专利技术提出一种新颖的微透镜阵列测试装置，以激光器发出的高斯光束照明，通过采样光阑和傅立叶透镜，获得等间距的高斯光斑阵列，与微透镜阵列一一对应，每个高斯光斑经一个微透镜变换，以显微成像系统采集经过微透镜阵列变换后的高斯光斑图像，再通过图像分析得到每个光斑尺寸，进而计算每个微透镜的焦距。作为上述技术方案的改进，所述一种微透镜阵列测试装置，所述采样光阑是一个二维的小孔阵列。根据待测微透镜阵列的间距参数，对应的设计小孔阵列的间距，即可用于上述测试装置中。也就是说，本专利技术装置，根据待测微透镜阵列，设计相应的采样光阑。作为上述技术方案的改进，所述一种微透镜阵列测试装置，所述采样光阑置于傅立叶透镜的前焦面上。作为上述技术方案的改进，所述一种微透镜阵列测试装置，所述微透镜阵列的前焦面与傅立叶透镜的后焦面重合。因此高斯光斑阵列中的每个光斑被一个微透镜变换，在微透镜阵列的后焦面上得到第二个高斯光斑阵列。作为上述技术方案的改进，所述一种微透镜阵列测试装置，傅立叶透镜和微透镜阵列形成的第一个高斯光斑阵列和第二个高斯光斑阵列分别位于微透镜阵列的前后焦面上。一种微透镜阵列测试方法，按照如下方式实现；光阑结构它是一个二维的小孔阵列，在x轴、y轴方向的间距分别为tx、ty；其中，透镜对高斯光束的变换作用，前焦面上半径为W1的高斯光斑，经微透镜变换之后，在后焦面上得到半径为W2的高斯光斑，两个高斯光斑的直径之间满足关系式(1)，其中λ为激光器输出波长，f为微透镜的焦距，π为圆周率参数，其中，各关键位置处的光斑图样，详述如下：激光器输出的高斯光束，照射在采样光阑上，光阑之前的光斑其半径为W0，光场分布函数如式(2)，采样光阑对该高斯光斑进行采样处理，在光阑之后的光场分布函数如式(3)，其中comb为梳状函数符号，表示一个二维梳状函数，其x轴方向间距为tx、y轴方向间距为ty，它代表采样光阑的透过率函数；根据傅立叶光学理论，经傅立叶透镜变换之后，在其后焦面上得到的光场分布函数如式(4)，其中符号“*”表示卷积运算，f1为傅立叶透镜的焦距；上式第一项代表一个x轴方向间距为y轴方向间距为的二维梳状函数，第二项代表一个半径为的高斯光斑，两项卷积代表一个二维的高斯光斑阵列；此为出现在微透镜阵列前焦面处的第一个高斯光斑阵列，阵列间距为取决于采样光阑中的小孔间距tx、ty和傅立叶透镜的焦距f1；阵列中每个高斯光斑的半径为取决于激光器输出光斑的半径W1和傅立叶透镜的焦距f1，此光斑阵列中的每个光斑尺寸完全相同；适当设计采样光阑中的小孔间距和傅立叶透镜的焦距，让第一个光斑阵列的间距与微透镜阵列的间距相同，则每个高斯光斑均与一个微透镜对应；让微透镜阵列的前焦面与傅立叶透镜的后焦面重合，则此第一个高斯光斑阵列位于微透镜阵列的前焦面上，每个高斯光斑经过对应的微透镜变换，在微透镜阵列的后焦面上得到第二个高斯光斑阵列；第二个光斑阵列的间距与第一个光斑阵列相同；根据式(1)，第二个光斑阵列中每个光斑的半径W2ij，取决于第一个光斑阵列中的光斑半径W1和对应微透镜的焦距fij，如式(5)，每个微透镜的焦距以fij表示，下标i、j代表对应微透镜的位置编号；因存在加工误差，阵列中的每个微透镜焦距不会完全相同，因此第二个光斑阵列中的每个光斑尺寸W2ij必然存在差异；以显微物镜对微透镜阵列的后焦面即第二个光斑阵列处成像，在图像采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微透镜阵列测试装置，用于对阵列中每个微透镜的焦距及其一致性进行测试，其特征在于：它包括一台激光器(10)、一个采样光阑(20)、一个傅立叶透镜(30)、一个待测微透镜阵列(40)、一个显微物镜(50)、一个图像采集芯片(60)和一个图像处理模块(70)；其中，激光器(10)位于采样光阑(20)前，采样光阑(20)后依次有傅立叶透镜(30)、待测微透镜阵列(40)、显微物镜(50)、图像采集芯片(60)，所述图像采集芯片(60)与图像处理模块(70)连接；其中，以激光器(10)输出的高斯光束照明采样光阑(20)，经过傅立叶透镜(30)的变换，在其后焦面上得到与待测微透镜阵列一一对应的第一个高斯光斑阵列；高斯光斑阵列中的每个光斑被一个微透镜变换，在微透镜阵列(40)的后焦面上得到第二个高斯光斑阵列；第二个高斯光斑阵列的间距与第一个高斯光斑阵列相同，光斑大小则取决于微透镜的焦距和第一个高斯光斑阵列中的光斑尺寸；显微物镜(50)对微透镜阵列的后焦面成像，在图像采集芯片上得到第二个高斯光斑阵列的图像，通过图像分析算法，得到每个高斯光斑的尺寸；第一个高斯光斑阵列中每个光斑的大小由激光器输出高斯光束的尺寸和傅立叶透镜的焦距决定，为已知量；第二个高斯光斑阵列中每个光斑的大小通过图像分析算法得到，由此可计算每个微透镜的焦距，并对微透镜阵列焦距的一致性进行分析。...

【技术特征摘要】
1.一种微透镜阵列测试装置，用于对阵列中每个微透镜的焦距及其一致性进行测试，其特征在于：它包括一台激光器(10)、一个采样光阑(20)、一个傅立叶透镜(30)、一个待测微透镜阵列(40)、一个显微物镜(50)、一个图像采集芯片(60)和一个图像处理模块(70)；其中，激光器(10)位于采样光阑(20)前，采样光阑(20)后依次有傅立叶透镜(30)、待测微透镜阵列(40)、显微物镜(50)、图像采集芯片(60)，所述图像采集芯片(60)与图像处理模块(70)连接；其中，以激光器(10)输出的高斯光束照明采样光阑(20)，经过傅立叶透镜(30)的变换，在其后焦面上得到与待测微透镜阵列一一对应的第一个高斯光斑阵列；高斯光斑阵列中的每个光斑被一个微透镜变换，在微透镜阵列(40)的后焦面上得到第二个高斯光斑阵列；第二个高斯光斑阵列的间距与第一个高斯光斑阵列相同，光斑大小则取决于微透镜的焦距和第一个高斯光斑阵列中的光斑尺寸；显微物镜(50)对微透镜阵列的后焦面成像，在图像采集芯片上得到第二个高斯光斑阵列的图像，通过图像分析算法，得到每个高斯光斑的尺寸；第一个高斯光斑阵列中每个光斑的大小由激光器输出高斯光束的尺寸和傅立叶透镜的焦距决定，为已知量；第二个高斯光斑阵列中每个光斑的大小通过图像分析算法得到，由此可计算每个微透镜的焦距，并对微透镜阵列焦距的一致性进行分析。2.根据权利要求1所述一种微透镜阵列测试装置，其特征在于：所述采样光阑(20)是一个二维的小孔阵列。3.根据权利要求1或2所述一种微透镜阵列测试装置，其特征在于：所述采样光阑(20)置于傅立叶透镜(30)的前焦面上。4.根据权利要求1所述一种微透镜阵列测试装置，其特征在于：所述微透镜阵列(40)的前焦面与傅立叶透镜(30)的后焦面重合。5.根据权利要求4所述一种微透镜阵列测试装置，其特征在于：所述傅立叶透镜(30)和微透镜阵列(40)形成的第一个高斯光斑阵列和第二个高斯光斑阵列分别位于微透镜阵列(40)的前后焦面(40a，40b)上。6.一种微透镜阵列测试方法，其特征在于：按照如下方式实现；光阑结构它是一个二维的小孔阵列，在x轴、y轴方向的间距分别为tx、ty；其中，透镜对高斯光束的变换作用，前焦面上半径为W1的高斯光斑，经微透镜变换之后，在后焦面上得到半径为W2的高斯光斑，两个高斯光斑的直径之间满足关系式(1)，W2=λfπW1---(1)]]>其中λ为激光器输出波长，f为微透镜的焦距，π为圆周率参数，其中，各关键位置处的光斑图样，详述如下：激光器输出的高斯光束，照射在采样光阑上，光阑之前的光斑其半径为W0，光场分布函数如式(2)，g0(x,y)=2πW02exp(-x2+y2W0...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩锋，卫文志，
申请(专利权)人：上海汇珏网络通信设备有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31