专利名称：一种基于牛顿法和泰伯效应的微透镜阵列焦距的检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于牛顿法和泰伯效应的微透镜焦距的检测方法，属于光学检测领域，该方法操作简便易行，测量精度较高。
背景技术：
作为微小光学和阵列衍射光学的重要部件，微透镜及其阵列元件因为其高衍射效率，宽工作波段，易微型化及集成化等优点，被广泛应用于光束波前检测、光耦合及存储、光学均匀性照明、三维成像等技术领域。与普通透镜类似，焦距是微透镜及其阵列元件的重要衡量参数。尽管透镜焦距的检测手段非常丰富，研究人员依然在寻找新的检测方法，实现对微透镜及其阵列元件的焦距高精度测量。对微透镜及其阵列元件的焦距检测方法主要分为两类基于物理光学的各种衍射、干涉法，包括泰伯-莫尔法、剪切干涉法、泰曼-格林干涉仪检测法和光栅衍射法等；基于几何光学的放大率法、转角法和牛顿法等。
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泰伯-莫尔法是利用两个光栅之间的倾斜角产生莫尔条纹当光栅G2位于光栅Gl的泰伯自成像G/的位置时，如果G2与G/存在转角，二者将在测量显示屏上形成转角莫尔条纹。根据莫尔条纹的形成原理，计算出被测透镜的焦距f
/ = / +—tan^)
P其中，I是光栅Gl与被测透镜的距离，s为莫尔条纹的间距，P为光栅周期，Zt为两个光栅间的轴线距离即光栅Gl的泰伯距离#为莫尔条纹的转角。泰伯-莫尔法对长焦距具有较高的检测精度，但不适于短焦测量且测量数据处理复杂。剪切干涉法常利用郎奇光栅衍射产生的O级和I级光进行干涉测量郎奇光栅处于被测微透镜阵列的焦面上时，O级和I级衍射光的重叠区域不产生干涉条纹；郎奇光栅位于离焦位置时，重叠区域有干涉条纹产生。通过测量微透镜阵列各个子单元的孔径D，O级衍射光斑大小d和CXD探测器与光栅距离z即可计算微透镜阵列的焦距。f = Dz/d该方法虽然精度较高，但测量过程中数据处理复杂，易产生干扰影响检测。泰曼-格林干涉仪的检测原理是调节干涉仪的测头位于微透镜阵列的顶点位置，各光线没有光程差，不产生干涉条纹；移动测头至微透镜阵列的焦点位置，同样没有干涉条纹；两次测量时测头移动的距离即为微透镜阵列的焦距。该方法虽然测量精度较高，但操作复杂，成本较高。光栅衍射法是用光栅衍射代替传统的转角法测量微透镜阵列的焦距平行光经光栅衍射形成三束衍射光(高级次衍射光由于光强偏弱可忽略)即O级、+1级和-I级；三束衍射光分别在微透镜阵列的各个子单元成像，通过测量光斑的中心距即可完成焦距的检测。f = h/sin α 义 dh/入式中，f为被测微透镜的焦距；h为O级和I级衍射光像点的中心距；α为光栅的I级衍射角；d为光栅周期；λ为测量光源的波长。该方法对焦距测量精度较高，但由于O级和I级衍射光斑的干扰，对短焦透镜的焦距测量存在难度。放大率法是焦距测量过程中比较常用的检测方法，其检测原理为检测使用的平行光管星点板上有两个小孔；通过光源照明后，平行光管的出射光为两束平行光；平行光经过微透镜阵列汇聚，在其各个子孔径的焦面上成两个点像。根据几何成像原理，可计算微透镜阵列各个子单元的焦距。
ΓI/ d—=—
F D式中F为平行光管的焦距，D为星点板上两个小孔的中心距，f为被测微透镜子单·元的焦距，d为该子单元焦面上像点的中心距。该方法操作简单，测量成本较低，一次测量可完成微透镜多个阵列焦距的测量，具有较高的测量精度和测量效率；但由于平行光管的焦距限制，不易完成长焦距的微透镜的检测。转角法是将平行光管置于精密转台上，首先调节转台使平行光管的出射光正入射进入被测微透镜，在焦面上采集图像；然后调节转台转动一定的角度使平行光管出射光斜入射进入被测微透镜，再次在焦面上采集图像；计算两次采集图像的光斑偏移量，结合转动的角度可完成微透镜的焦距测量。f = d/tan α式中，f为被测微透镜的焦距；d为相两次成像的中心距；α为转台转动的角度。配合高精密转台的使用，该方法具有较高的测量精度和测量效率，但测量成本较高。牛顿法是一种基于几何光学中牛顿公式的间接测量方法，通过测量微透镜的焦物距X和焦像距V，即可完成焦距f的计算测量/ =测量时，系统的焦物距X可由微调节机构直接控制，通过不同的检测手段完成焦像距X,的测量即可完成焦距的计算。该方法测量精度较高，但对于焦像距的检测较复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术的不足，提供一种基于牛顿法和泰伯效应的微透镜阵列焦距的检测方法，该方法测量简单，较易实现对微透镜焦像距的测量，具有较高的测量精度。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是一种基于牛顿法和泰伯效应的微透镜焦距的检测方法，所述方法的检测系统由单色仪I、聚光镜2、星点板3、被测微透镜4、郎奇光栅5和CXD探测器6组成；单色仪I的出射光源经聚光镜2汇聚后进入星点板3，星点板3位于微移平台上，调节星点板3使被测微透镜4的出射波面为平面波前和汇聚球面波前，该波前经过郎奇光栅5后由于泰伯效应形成光栅的泰伯自成像，通过CXD探测器6分析平面波前和球面波前的泰伯自成像周期变化，即可完成微透镜4的焦距测量；上述方法实现步骤如下步骤I :将郎奇光栅5置于被测微透镜4之后，调节CXD探测器6使CXD探测器6米集像面位于郎奇光栅5的表面；步骤2 :利用微动调节机构，轴向移动CXD探测器6，使CXD探测器6采集像面位于郎奇光栅5的泰伯自成像位置，移动距离Zt可根据泰伯效应计算为
权利要求
1. 一种基于牛顿法和泰伯效应的微透镜阵列焦距的检测方法，其特征在于所述方法的检测系统由单色仪(I)、聚光镜(2 )、星点板(3 )、被测微透镜(4 )、郎奇光栅(5 )和C⑶探测器(6)组成；单色仪(I)的出射光源经聚光镜(2)汇聚后进入星点板(3)，星点板(3)位于微移平台上，调节星点板(3)使被测微透镜(4)的出射波面为平面波前和汇聚球面波前，该波前经过郎奇光栅(5 )后由于泰伯效应形成光栅的泰伯自成像，通过CXD探测器(6 )分析平面波前和球面波前的泰伯
全文摘要
一种基于牛顿法和泰伯效应的微透镜阵列焦距的检测方法，属于光学检测领域。利用郎奇光栅的泰伯效应，平行光经过郎奇光栅的泰伯自成像周期与光栅周期一致，将星点板置于被测微透镜的物方焦点位置；利用微移台调节星点板并确定星点板的焦物距；由光栅的泰伯自成像周期变化可计算出星点板离焦时，微透镜出射球面波前的曲率半径即微透镜成像的像距；根据像距与焦像距的位置关系，结合牛顿公式，可完成微透镜的焦距测量。该方法操作简便易行，且具有较高的测量精度。
文档编号G01M11/02GK102788683SQ201210319870
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者伍凡, 吴时彬, 曹学东, 朱咸昌 申请人:中国科学院光电技术研究所