大相位梯度微型透镜检测系统及检测方法技术方案

本发明专利技术涉及一种大相位梯度微型透镜检测系统，包括：供样品设置的样品光路；用以与该样品光路形成干涉的参考光路；用于获取该样品光路的第一光束与该参考光路的第二光束的干涉图案并对该干涉图案进行傅里叶变换形成频谱空间分布图的探测器；设在该参考光路上并用于调制该第二光束的波前调制组件，使得该频谱空间分布图完全在该探测器的额定频谱空间范围内。本发明专利技术可以在不改变探测器的情况下，实现更大数值孔径微型透镜的检测。更大数值孔径微型透镜的检测。更大数值孔径微型透镜的检测。

【技术实现步骤摘要】
大相位梯度微型透镜检测系统及检测方法


[0001]本专利技术涉及光学元件检测
，特别涉及一种大相位梯度微型透镜检测系统及检测方法。

技术介绍

[0002]当今，应用于智能汽车、智能手机和便携显示设备的技术正在以非常快的速度变化和发展，人们希望将更多更好的功能挤入越来越小的空间。尽管如此，在光学模组领域，传统的基于几何光学的设计方案面临诸多限制，难以进一步实现技术的突破和应用。随着微纳光子学的发展，利用亚波长的结构单元来对光波进行调控和操纵成为可能，将结构单元进行有效的排布可以将多种复杂的光学功能集成在同一平面，最具代表性的是超构表面(Metasurface)，其中起到透镜功能的超构表面叫做超构透镜(Metalens)。由于超构透镜基于底层设计，实现了更高的光场调控自由度，相对于传统光学透镜，它具有轻薄化(几百纳米
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几微米)，小型化(直径几十微米)，和集成化等优势，在光通信、安防、智能驾驶、消费电子、医疗、科学仪器、传感等领域具有潜在应用价值。
[0003]自2016年超构透镜的概念提出以来，超构透镜的研究就成为了微纳光子学领域的一大前沿热点，国内外都有大量科研工作者加入超构透镜的研究之中。目前，已经实现了大数值孔径超构透镜、消色差超构透镜、浸油超构透镜、可变焦距超构透镜、离轴超构透镜、超构透镜阵列等，并进一步在工作波段上扩展，紫外、可见、近红外、中红外都已被实现。同时，超构透镜的应用也被一些高科技公司广泛关注。以超构透镜产品为主营业务的企业包括：美国
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Metalenz，中国
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Metalenx，中国
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山河光电；关注超构透镜应用的企业包括：华为，Oppo，小米等。有望在3D传感、AR/VR、无人机摄影模组、激光雷达、传感器、照明等方面取得应用。
[0004]检测以微透镜、超构透镜为代表的微型透镜的最佳方式是测量其调控的相位分布(或波前)，正如授权专利技术专利【ZL 2020 1 0305955.3】所述。但是，对于大数值孔径的微型透镜，由于其边缘相位梯度非常大，通常超出了接收探测器的像素分辨能力，相应区域相位分布难以准确获取。传统大数值孔径的检测方法主要有一下几种方案：
[0005](1)直接成像法，利用分辨率板进行直接的成像，来判定该透镜的成像品质，表征透镜的整体效果。因为微型透镜尺寸在微米尺度，无法进行直接的成像，所以采用该方法通常需要借用显微系统进行间接的成像，无法排除显微系统的影响，并且数值孔径越大，对显微系统的品质要求也更高。另一方面，该方法表征的是整体效果，无法深入分析微型透镜的局部性能和设计。
[0006](2)测量聚焦光场法，通过测量平行光入射经透镜会聚后的聚焦点(即点扩散函数)，来判断大数值孔径透镜的聚焦斑与完美透镜的差异。该方法虽然可以通过测量光场分布来反演微型透镜的波前，但是同样需要依赖于显微系统的品质。同时，由于大数值孔径微型透镜聚焦光场非常集中，故对相机的动态范围要求高，通常在焦点不过曝的情况，其他光场位置信息会淹没于噪音之中。
[0007](3)波前传感器法，利用波前传感器(微透镜阵列，二维光栅)，直接测量透镜调控的波前分布。该方法会受波前传感器的像素空间密度限制，难以实现大梯度的波前检测。同时，针对微型透镜，该方案也需要基于显微系统，无法排除系统的成像品质影响。
[0008](4)干涉法，因为大数值孔径透镜调控相位梯度非常大，需加入一块已知相位调控的标准样品，来对透镜的波前进行调制，进一步获取相应透镜调控的相位分布。该方法是测量微型透镜的有效方案，但是对于大数值孔径微型透镜的检测会面临如下问题。一方面，难以实现微观上标准样品的设计与加工(成本过高)；另一方面，会面临探测器像素数或像素密度的限制，难以实现很大数值孔径微型透镜的检测。因此，在解决方案上，通常会增强像素分辨能力，可以增加像素数或像素密度。增加像素数的方案，将微型透镜成像放大，每次只测量微型透镜的局部相位分布，再在空间上进行Mapping，进而获取整个微型透镜的相位分布。增加像素密度的方案，在相同的成像区域内，选择像素密度更高的探测器(当然像素总的数量也更多)，这种方案会受市面上探测器的工艺和型号限制，通常难以选择到匹配的探测器(或成本太高)。

技术实现思路

[0009]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种大相位梯度微型透镜检测系统及检测方法，可以在不改变探测器的情况下，实现更大数值孔径微型透镜的检测。
[0010]本专利技术通过如下方案来实现：一种大相位梯度微型透镜检测系统，包括：
[0011]供样品设置的样品光路；
[0012]用以与所述样品光路形成干涉的参考光路；
[0013]用于获取所述样品光路的第一光束与所述参考光路的第二光束的干涉图案并对所述干涉图案进行傅里叶变换形成频谱空间分布图的探测器；
[0014]设在所述参考光路上并用于调制所述第二光束的波前调制组件，使得所述频谱空间分布图完全在所述探测器的额定频谱空间范围内。
[0015]本专利技术大相位梯度微型透镜检测系统的进一步改进在于：
[0016]所述样品光路包括依次设置的第一物镜、第一透镜和第二分束器；
[0017]所述参考光路包括依次设置的所述波前调制组件和第二反射镜，所述第二反射镜对应于所述第一分束器设置，使得所述第二光束经所述第二反射镜反射入所述第二分束器与第一光束合成一束并发生干涉；
[0018]所述探测器沿所述样品光路设置于所述第二分束器之后，所述样品光路上位于所述第一物镜前预留有供所述样品设置的区域。
[0019]本专利技术大相位梯度微型透镜检测系统的进一步改进在于，所述波前调制组件包括多个光学元件，通过选择适配的至少两个光学元件并调整至少两个所述光学元件之间的距离来调制所述第二光束，使所述第二光束的波前与经所述样品的第一光束的波前类型相同。
[0020]本专利技术大相位梯度微型透镜检测系统的进一步改进在于，所述样品为大数值孔径微型透镜，所述波前调制组件包括两个调节透镜，两个所述调节透镜之间的距离满足两个所述调节透镜的非共焦设置。
[0021]本专利技术大相位梯度微型透镜检测系统的进一步改进在于，所述样品为大数值孔径
涡旋透镜，所述波前调制组件包括两个调节透镜和涡旋波片，两个所述调节透镜之间的距离满足两个所述调节透镜为非共焦设置，所述涡旋波片设置在两个所述调节透镜之间或一个所述调节透镜的相对外侧。
[0022]本专利技术大相位梯度微型透镜检测系统的进一步改进在于，还包括：单色光源；设于所述单色光源的出光口的扩束器和第一分束器，所述第一分束器将所述单色光源的光束分为所述第一光束和所述第二光束，所述参考光路还包括对应所述第二光束设置的第一反射镜，所述第二光束经所述第一反射镜反射后射入所述波前调制组件。
[0023]本专利技术还提供了一种大相位梯度微型透镜检测方法，包括步骤：
[0024]提供大相位梯度透镜的样品以及如上所述的大相位梯度微型透镜检测系统；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大相位梯度微型透镜检测系统，其特征在于，包括：供样品设置的样品光路；用以与所述样品光路形成干涉的参考光路；用于获取所述样品光路的第一光束与所述参考光路的第二光束的干涉图案并对所述干涉图案进行傅里叶变换形成频谱空间分布图的探测器；设在所述参考光路上并用于调制所述第二光束的波前调制组件，使得所述频谱空间分布图完全在所述探测器的额定频谱空间范围内。2.如权利要求1所述的大相位梯度微型透镜检测系统，其特征在于：所述样品光路包括依次设置的第一物镜、第一透镜和第二分束器；所述参考光路包括依次设置的所述波前调制组件和第二反射镜，所述第二反射镜对应于所述第一分束器设置，使得所述第二光束经所述第二反射镜反射入所述第二分束器与第一光束合成一束并发生干涉；所述探测器沿所述样品光路设置于所述第二分束器之后，所述样品光路上位于所述第一物镜前预留有供所述样品设置的区域。3.如权利要求1所述的大相位梯度微型透镜检测系统，其特征在于，所述波前调制组件包括多个光学元件，通过选择适配的至少两个光学元件并调整至少两个所述光学元件之间的距离来调制所述第二光束，使所述第二光束的波前与经所述样品的第一光束的波前类型相同。4.如权利要求3所述的大相位梯度微型透镜检测系统，其特征在于，所述样品为大数值孔径微型透镜，所述波前调制组件包括两个调节透镜，两个所述调节透镜之间的距离满足两个所述调节透镜的非共焦设置。5.如权利要求3所述的大相位梯度微型透镜检测系统，其特征在于，所述样品为大数值孔径涡旋透镜，所述波前调制组件包括两个调节透镜和涡旋波片，两个所述调节透镜之间的距离满足两个所述调节透镜为非共焦设置，所述涡旋波片设置在两个所述调节透镜之间或一个所述调节透镜的相对外侧。6.如权利要求1所述的大相位梯度微型透镜检测系统，其特征在于，还包括：单色光源；设于所述单色光源的出光口的扩束器和第一分束器，所述第一分束器将所述单色光源的光束分为所述第一光束和所述第二光束，所述参考光路还包括对应所述第二光束设置的第一反射镜，所述第二光束经所述第一反射镜反射后射入所述波前调制组件。7.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵茂雄，陈劭虎，卢国鹏，隆军，贺晓龙，胡松婷，殷海玮，石磊，
申请(专利权)人：上海复享光学股份有限公司，
类型：发明
国别省市：