微透镜阵列焦距检测方法的详细说明

1，千分尺测量法

西安工业大学通过透镜焦距和透镜镜面半径的理论关系，利用显微镜测量微透镜阵列子单元的直径并用千分尺测量矢高，从而完成焦距的测量，图 1-1所示。

 

 

图1-1 平凸透镜焦距示意图

对于一般的平凸型微透镜阵列，利用显微镜和千分尺分别测量子单元直径 Ф和矢高 h，计算其焦距为：

 

 

早期的微透镜阵列制造常采用熔融光刻胶法制作，形成的是平凸面形的透镜，利用该方法能完成相应的焦距测量。由于平凸透镜焦距受凸面曲率半径限制，使得该类型微透镜阵列的应用受到较大的局限。另外，该检测方法采用千分表接触是测量微透镜阵列的矢高，易造成微透镜表面的破损影响光学系统透过率和像质；同时，该方法检测精度较低，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检测。

2，显微镜共焦检测法

西安光学精密机械研究所使用一种基于显微镜共焦检测系统的方法测量微透镜阵列的焦距，如图 2-1所示。根据显微镜中像点清晰度变化确定微透镜阵列的顶点和焦点位置，完成微透镜阵列的焦距测量测量系统需要两个点光源1、6和相应的准直系统，测量分两步进行：首先确定焦点位置，利用点光源1的出射准直光源经过被测微透镜阵列成像与其焦点上，移动显微镜使像点最清晰即显微镜与微透镜阵列共焦；再关闭光源1而开启点光源6，移动显微镜物方焦点至微透镜阵列顶点处，两次测量过程中显微镜移动的轴向距离即为微透镜阵列的焦距。

 

 

图2-1 显微镜共焦检测系统

相比较显微镜及千分尺检测法，该方法利用显微镜中成像的清晰度变化代替机械法检测，具有较高的测量精度；但是检测系统操作复杂，小尺寸微透镜阵列的测量过程中寻找其焦点和顶点位置较困难，测量效率不能满足相应的要求。

3，光强计法

国内外一些实验室利用光强计法测量微透镜阵列的焦距，如图3-1所示，利用微透镜阵列焦面附近的光强变化确定最终的焦点位置。

 

 

图3-1 光强计测量微透镜阵列焦距

光强计测量微透镜阵列的焦距时，其检测系统由光源及准直系统、分光镜、被测微透镜阵列、反射镜、成像物镜、孔径光阑和光强探测器组成。经过准直的平行光经分光镜后通过微透镜阵列成像，当在微透镜阵列的焦距放置反射镜时，光线以光轴为对称轴返回，由于光强探测器的像面和孔径光阑位于成像物镜的焦面上，此时光强最大；同理，调节反射镜位置，当反射镜位于焦距的一半位置时，光线经过反射镜和顶点的两次反射返回并成像在探测器上即光强计再次出现极大值，通过测量两次成像的距离即可完成焦距的测量。该方法测量系统简单，操作简便；但只能完成微透镜阵列所有子透镜单元的平均焦距测量，不能对应测量各个子透镜单元的焦距，对评价微透镜阵列的加工质量存在较大的局限。

4，ccd探测法

CCD测试系统示意图和系统原理分别如图4-1和4-2所示，它是由He Ne光源、扩束系统、微透镜调节架、显微物镜、CCD 传感器等部分组成。激光器的出射光束经扩束后，经过限光光阑（孔径为 100µm）后照射到有限的几个微透镜上，微透镜的聚焦光斑经显微物镜成像后被 CCD 传感器采集，输入计算机对光斑图像进行数值分析。这套系统易于使用，可精确地测量脉冲和连续激光光束直径和功率/能量，覆盖很宽的波长范围。处理软件可对测量结果实时地进行显示、分析和存储。模块方式的设计，使该系统成为实验中对微透镜阵列进行质量控制的理想工具，测量过程高效，一次可以测量几十甚至上百个透镜，而且测量结果直观可见。

 

 

图4-1 光学平台测试装置示意图

 

 

图4-2 CCD测试系统原理图

该测试系统测试微透镜阵列焦距的测量原理如图4-3所示。旋转微米级调节台，直到CCD的像平面与微透镜阵列的焦平面重合，此时看到微透镜的聚焦图像，记录旋钮的数值。再次旋转旋钮，至CCD的像平面与微透镜阵列表面重合，再次记录旋钮的数值。两者的差值，即微透镜阵列的焦距。

 

 

图4-3 焦距测试原理图

我司推出的近场光束分析仪NFBP系列适用于测量聚焦的激光光束和近场成像，该装置基于紧凑的CinCam cmos相机，可以用不同的显微镜物镜组装。这些校准的显微镜物镜保证了最大的准确性，并能在衍射极限下成像小光束结构。主要特点：测量的波长范围：320~1605nm，测量的光斑大小：0.6um~7.5mm，实时监控光斑的形状以及变化，实时测量焦点光斑尺寸、焦距位置，多光束的位置校准和调试。

审核编辑：符乾江