一種微透鏡陣列測試裝置及方法與流程

本發明涉及領域，具體地講涉及一種高精度的微透鏡陣列測試裝置及方法。

背景技術：

微透鏡陣列在大規模光開關、光場相機、3D成像與顯示、印刷機、虛擬現實眼鏡、光刻機等領域有著廣泛的應用。微透鏡陣列的材料和制作工藝多種多樣，典型的有兩種：其一采用聚合物材料，通過模具壓印技術制造；其二采用石英玻璃材料，通過光學微加工技術制造。

在實際應用中，焦距及其一致性是微透鏡陣列的關鍵技術指標，尤其是焦距的一致性，對這種陣列式光學元件的應用至關重要。測量微透鏡陣列焦距的技術方案多種多樣，有千分尺法、顯微鏡法、放大率法、光強計法、泰曼-格林干涉法、剪切干涉法、光柵衍射分光法、圖像分析法、波前檢測法等。考慮測試效率問題，其中能夠一次檢測多個微透鏡的技術只有放大率法、光柵衍射分光法、圖像分析法和波前檢測法；考慮微透鏡的焦距一般較小，剔除僅適用于中長焦距測量的放大率法、光柵衍射分光法和波前檢測法，能夠同時測試多個短焦距微透鏡的技術只有圖像分析法。

經過檢索發現，專利號CN200710071638.4的發明專利公開了一種基于微透鏡陣列的激光光束發散角測試方法，本發明屬于光學領域，具體涉及激光光束發散角的測試方法。它克服了現有束散角測試方法測量誤差較大和測試實時性較差的缺陷。它包括下述步驟：被測光束入射望遠鏡系統，使輸出的光斑直徑與微透鏡陣列的外形尺寸相匹配，微透鏡陣列包含m×n個排列成矩陣狀的子透鏡；利用微透鏡陣列將被測光束分解為子光束，通過CCD探測每一子光束的發射角度，并通過統計方法計算得到被測光束發散角，測量精度可達0.1μrad。

專利號CN201110338856.6的發明提供一種使用微透鏡陣列的同步移相干涉測試方法及裝置，涉及光干涉計量測試領域，方法步驟為：首先，在泰曼式干涉測試光路中得到一對偏振方向正交的參考光與測試光；其次，使用微透鏡陣列，利用波前分割的方法進行移相，光干涉信號被探測器接收，最后，對探測器得到的數據進行重新排列得到四幅移相干涉圖，利用通用的四步移相算法即可恢復被測相位。

然而，圖像分析法是通過顯微成像系統，在圖像采集芯片上分別獲得微透鏡的頂點和焦點附近的多個圖像，通過對圖像清晰度函數的分析，獲得微透鏡頂點和焦點的對焦位置，二者間距即為測得的焦距。圖像分析法適用于短焦距微透鏡陣列的測試，可同時對多個微透鏡進行測量，但是圖像清晰度函數在焦面附近比較平緩，敏感度不夠，因此測試誤差較大；故需要加以改進。

技術實現要素：

因此，為了解決上述不足，本發明在此提供一種可以對微透鏡陣列的焦距及其一致性進行測試的裝置，它可以同時對一個基片上的所有微透鏡進行測試，具有測試效率高的優勢。

本發明是這樣實現的，構造一種微透鏡陣列測試裝置，用于對陣列中每個微透鏡的焦距及其一致性進行測試，它包括一臺激光器、一個采樣光闌、一個傅立葉透鏡、一個待測微透鏡陣列、一個顯微物鏡、一個圖像采集芯片和一個圖像處理模塊；其中，激光器位于采樣光闌前，采樣光闌后依次有傅立葉透鏡、待測微透鏡陣列、顯微物鏡、圖像采集芯片，所述圖像采集芯片與圖像處理模塊連接；

以激光器輸出的高斯光束照明采樣光闌，經過傅立葉透鏡的變換，在其后焦面上得到與待測微透鏡陣列一一對應的第一個高斯光斑陣列；

高斯光斑陣列中的每個光斑被一個微透鏡變換，在微透鏡陣列的后焦面上得到第二個高斯光斑陣列；第二個高斯光斑陣列的間距與第一個高斯光斑陣列相同，光斑大小則取決于微透鏡的焦距和第一個高斯光斑陣列中的光斑尺寸；顯微物鏡對微透鏡陣列的后焦面成像，在圖像采集芯片上得到第二個高斯光斑陣列的圖像，通過圖像分析算法，得到每個高斯光斑的尺寸；

第一個高斯光斑陣列中每個光斑的大小由激光器輸出高斯光束的尺寸和傅立葉透鏡的焦距決定，為已知量；第二個高斯光斑陣列中每個光斑的大小通過圖像分析算法得到，由此可計算每個微透鏡的焦距，并對微透鏡陣列焦距的一致性進行分析。

本發明提出一種新穎的微透鏡陣列測試裝置，以激光器發出的高斯光束照明，通過采樣光闌和傅立葉透鏡，獲得等間距的高斯光斑陣列，與微透鏡陣列一一對應，每個高斯光斑經一個微透鏡變換，以顯微成像系統采集經過微透鏡陣列變換后的高斯光斑圖像，再通過圖像分析得到每個光斑尺寸，進而計算每個微透鏡的焦距。

作為上述技術方案的改進，

所述一種微透鏡陣列測試裝置，所述采樣光闌是一個二維的小孔陣列。根據待測微透鏡陣列的間距參數，對應的設計小孔陣列的間距，即可用于上述測試裝置中。也就是說，本發明裝置，根據待測微透鏡陣列，設計相應的采樣光闌。

作為上述技術方案的改進，

所述一種微透鏡陣列測試裝置，所述采樣光闌置于傅立葉透鏡的前焦面上。

作為上述技術方案的改進，

所述一種微透鏡陣列測試裝置，所述微透鏡陣列的前焦面與傅立葉透鏡的后焦面重合。因此高斯光斑陣列中的每個光斑被一個微透鏡變換，在微透鏡陣列的后焦面上得到第二個高斯光斑陣列。

作為上述技術方案的改進，

所述一種微透鏡陣列測試裝置，傅立葉透鏡和微透鏡陣列形成的第一個高斯光斑陣列和第二個高斯光斑陣列分別位于微透鏡陣列的前后焦面上。

一種微透鏡陣列測試方法，按照如下方式實現；光闌結構它是一個二維的小孔陣列，在x軸、y軸方向的間距分別為tx、ty；

其中，透鏡對高斯光束的變換作用，前焦面上半徑為W1的高斯光斑，經微透鏡變換之后，在后焦面上得到半徑為W2的高斯光斑，兩個高斯光斑的直徑之間滿足關系式(1)，

其中λ為激光器輸出波長，f為微透鏡的焦距，π為圓周率參數，

其中，各關鍵位置處的光斑圖樣，詳述如下：

激光器輸出的高斯光束，照射在采樣光闌上，光闌之前的光斑其半徑為W₀，光場分布函數如式(2)，

采樣光闌對該高斯光斑進行采樣處理，在光闌之后的光場分布函數如式(3)，

其中comb為梳狀函數符號，表示一個二維梳狀函數，其x軸方向間距為t_x、y軸方向間距為t_y，它代表采樣光闌的透過率函數；

根據傅立葉光學理論，經傅立葉透鏡變換之后，在其后焦面上得到的光場分布函數如式(4)，

其中符號“*”表示卷積運算，f₁為傅立葉透鏡的焦距；上式第一項代表一個x軸方向間距為y軸方向間距為的二維梳狀函數，第二項代表一個半徑為的高斯光斑，兩項卷積代表一個二維的高斯光斑陣列；此為出現在微透鏡陣列前焦面處的第一個高斯光斑陣列，陣列間距為取決于采樣光闌中的小孔間距t_x、t_y和傅立葉透鏡的焦距f₁；陣列中每個高斯光斑的半徑為取決于激光器輸出光斑的半徑W₁和傅立葉透鏡的焦距f₁，此光斑陣列中的每個光斑尺寸完全相同；

適當設計采樣光闌中的小孔間距和傅立葉透鏡的焦距，讓第一個光斑陣列的間距與微透鏡陣列的間距相同，則每個高斯光斑均與一個微透鏡對應；讓微透鏡陣列的前焦面與傅立葉透鏡的后焦面重合，則此第一個高斯光斑陣列位于微透鏡陣列的前焦面上，每個高斯光斑經過對應的微透鏡變換，在微透鏡陣列的后焦面上得到第二個高斯光斑陣列；第二個光斑陣列的間距與第一個光斑陣列相同；根據式(1)，第二個光斑陣列中每個光斑的半徑W_2ij，取決于第一個光斑陣列中的光斑半徑W₁和對應微透鏡的焦距f_ij，如式(5)，

每個微透鏡的焦距以f_ij表示，下標i、j代表對應微透鏡的位置編號；因存在加工誤差，陣列中的每個微透鏡焦距不會完全相同，因此第二個光斑陣列中的每個光斑尺寸W_2ij必然存在差異；

以顯微物鏡對微透鏡陣列的后焦面即第二個光斑陣列處成像，在圖像采集芯片上得到第二個光斑陣列的放大圖像，其間距和光斑尺寸均取決于成像系統的倍率β，如式(6)-式(7)，

通過圖像處理算法，得到每個光斑的半徑W_3ij，進而由式(7)計算每個微透鏡的焦距f_ij，并分析其一致性。

本發明具有如下優點：本發明通過改進提供一種可以對微透鏡陣列的焦距及其一致性進行測試的裝置，具有如下改進及優點：

其一：本發明提供了一種微透鏡陣列焦距測試裝置，它包括一臺激光器、一個采樣光闌、一個傅立葉透鏡、一個待測微透鏡陣列、一個顯微物鏡、一個圖像采集芯片和一個圖像處理模塊。采樣光闌是一個二維的小孔陣列，置于傅立葉透鏡的前焦面上，激光器輸出的高斯光束照射在采樣光闌上，根據傅立葉光學理論，在傅立葉透鏡的后焦面上得到一個二維的高斯光斑陣列。高斯光斑陣列的間距，取決于采樣光闌上小孔陣列的間距和傅立葉透鏡的焦距，適當設計這兩項參數，讓高斯光斑陣列的間距與微透鏡陣列的間距一一對應；陣列中每個光斑的大小則取決于激光器輸出高斯光束的尺寸和傅立葉透鏡的焦距。

其二：讓微透鏡陣列的前焦面與傅立葉透鏡的后焦面重合，因此高斯光斑陣列中的每個光斑被一個微透鏡變換，在微透鏡陣列的后焦面上得到第二個高斯光斑陣列。第二個高斯光斑陣列的間距與第一個高斯光斑陣列相同，光斑大小則取決于微透鏡的焦距和第一個高斯光斑陣列中的光斑尺寸。顯微物鏡對微透鏡陣列的后焦面成像，在圖像采集芯片上得到第二個高斯光斑陣列的圖像，通過圖像分析算法，得到每個高斯光斑的尺寸。

其三：第一個高斯光斑陣列和第二個高斯光斑陣列分別位于微透鏡陣列的前后焦面上，第一個陣列中每個光斑的大小由激光器輸出高斯光束的尺寸和傅立葉透鏡的焦距決定，為已知量；第二個陣列中每個光斑的大小通過圖像分析算法得到，由此可計算每個微透鏡的焦距，并對微透鏡陣列焦距的一致性進行分析。

其四：采樣光闌是一個二維的小孔陣列，根據待測微透鏡陣列的間距參數，對應的設計小孔陣列的間距，即可用于上述測試裝置中。也就是說，本發明裝置，要求針對待測微透鏡陣列，設計相應的采樣光闌。

綜上所述：本發明所述的微透鏡陣列測試裝置，以激光器發出的高斯光束照明，通過采樣光闌和傅立葉透鏡，獲得等間距的高斯光斑陣列，與微透鏡陣列一一對應，每個高斯光斑經一個微透鏡變換，以顯微成像系統采集經過微透鏡陣列變換后的高斯光斑圖像，再通過圖像分析得到每個光斑尺寸，進而計算每個微透鏡的焦距；故本發明可以同時對一個基片上的所有微透鏡進行測試，具有測試效率高的優勢。

附圖說明

圖1是微透鏡陣列焦距測試裝置的結構

圖2是測試裝置的光學系統結構

圖3是采樣光闌結構

圖4是透鏡對高斯光束的變換作用

圖5a是采樣光闌之前的光斑圖樣

圖5b是微透鏡陣列前焦面處的光斑圖樣

圖5c是微透鏡陣列后焦面處的光斑圖樣

圖5d是圖像采集芯片處的光斑圖樣。

具體實施方式

下面將結合附圖1-圖5d對本發明進行詳細說明，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

本發明通過改進在此提供一種微透鏡陣列測試裝置，可用于大規模微透鏡陣列的焦距及其一致性進行測試；可以按照如下方式予以實施；圖1為該測試裝置的結構，它包括一臺激光器10、一個采樣光闌20、一個傅立葉透鏡30、一個待測微透鏡陣列40、一個顯微物鏡50、一個圖像采集芯片60和一個圖像處理模塊70。

圖2示出了該測試裝置的光學系統結構，詳述如下：

采樣光闌20是一個二維的小孔陣列，置于傅立葉透鏡(焦距為f₁)的前焦面上，激光器輸出的高斯光束照射在采樣光闌上，根據傅立葉光學理論，在傅立葉透鏡的后焦面上得到一個二維的高斯光斑陣列，其間距與待測微透鏡陣列的間距一一對應。

微透鏡陣列40的前焦面與傅立葉透鏡的后焦面重合，因此高斯光斑陣列中的每個光斑被一個微透鏡變換，在微透鏡陣列的后焦面上得到第二個高斯光斑陣列。

顯微物鏡50對微透鏡陣列的后焦面成像，在圖像采集芯片60上得到第二個高斯光斑陣列的圖像，通過圖像分析算法，得到每個高斯光斑的尺寸。

圖3出了采樣光闌結構，它是一個二維的小孔陣列，在x軸、y軸方向的間距分別為t_x、t_y。

圖4示出了透鏡對高斯光束的變換作用，前焦面上半徑為W₁的高斯光斑，經微透鏡變換之后，在后焦面上得到半徑為W₂的高斯光斑，兩個高斯光斑的直徑之間滿足關系式(1)。

其中λ為激光器輸出波長，f為微透鏡的焦距，π為圓周率參數。

圖5示出了各關鍵位置處的光斑圖樣，詳述如下：

激光器輸出的高斯光束，照射在采樣光闌上，光闌之前的光斑圖樣如圖5a，其半徑為W₀，光場分布函數如式(2)。

采樣光闌對該高斯光斑進行采樣處理，在光闌之后的光場分布函數如式(3)。

其中comb為梳狀函數符號，表示一個二維梳狀函數，其x軸方向間距為t_x、y軸方向間距為t_y，它代表采樣光闌的透過率函數。

根據傅立葉光學理論，經傅立葉透鏡變換之后，在其后焦面上得到的光場分布函數如式(4)。

其中符號“*”表示卷積運算，f₁為傅立葉透鏡的焦距。上式第一項代表一個x軸方向間距為y軸方向間距為的二維梳狀函數，第二項代表一個半徑為的高斯光斑，兩項卷積代表一個二維的高斯光斑陣列。此為出現在微透鏡陣列前焦面處的第一個高斯光斑陣列，如圖5b，陣列間距為取決于采樣光闌中的小孔間距t_x、t_y和傅立葉透鏡的焦距f₁；陣列中每個高斯光斑的半徑為取決于激光器輸出光斑的半徑W₁和傅立葉透鏡的焦距f₁，注意此光斑陣列中的每個光斑尺寸完全相同。

適當設計采樣光闌中的小孔間距和傅立葉透鏡的焦距，讓第一個光斑陣列的間距與微透鏡陣列的間距相同，則每個高斯光斑均與一個微透鏡對應。讓微透鏡陣列的前焦面與傅立葉透鏡的后焦面重合，則此第一個高斯光斑陣列位于微透鏡陣列的前焦面上，每個高斯光斑經過對應的微透鏡變換，在微透鏡陣列的后焦面上得到第二個高斯光斑陣列，如圖5c。第二個光斑陣列的間距與第一個光斑陣列相同；根據式(1)，第二個光斑陣列中每個光斑的半徑W_2ij，取決于第一個光斑陣列中的光斑半徑W₁和對應微透鏡的焦距f_ij，如式(5)。

注意此處，每個微透鏡的焦距以f_ij表示，下標i、j代表對應微透鏡的位置編號。因存在加工誤差，陣列中的每個微透鏡焦距不會完全相同，因此第二個光斑陣列中的每個光斑尺寸W_2ij必然存在差異。

以顯微物鏡對微透鏡陣列的后焦面即第二個光斑陣列處成像，在圖像采集芯片上得到第二個光斑陣列的放大圖像，如圖5d，其間距和光斑尺寸均取決于成像系統的倍率β，如式(6-7)。

通過圖像處理算法，得到每個光斑的半徑W_3ij，進而由式(7)計算每個微透鏡的焦距f_ij，并分析其一致性。

綜上所述，本發明通過激光束照明采樣光闌，并進行傅立葉變換，得到與待測微透鏡陣列一一對應的第一個高斯光斑陣列；第一個光斑陣列中的每個光斑經過對應的微透鏡變換，得到第二個高斯光斑陣列；以顯微成像系統對第二個高斯光斑陣列成像，并通過圖像分析法得到每個光斑的尺寸，從而計算得到每個微透鏡的焦距，并分析其一致性。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。