專利名稱：一種微透鏡陣列焦距的測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及透鏡陣列焦距測量的技術領域，特別涉及一種微透鏡陣列焦距的測量方法，可用于焦距較短、單元數(shù)較多的微透鏡陣列測量。
背景技術：
微透鏡陣列因為自身的高衍射效率、寬工作波長等優(yōu)點，廣泛應用于光存儲、光耦合和波前檢測等領域。隨著微透鏡陣列加工工藝的提高，微透鏡陣列向著多單元數(shù)、微型化的方向發(fā)展，對微透鏡陣列的檢測提出新的要求，不僅需要較高的測量精度，而且需要較高的測量效率。目前，對微透鏡陣列的焦距測量主要有口徑和矢高測量計算法、浮雕深度法、 轉(zhuǎn)角法、放大率法和干涉儀測量法等。
對于口徑和矢高測量計算法，逐個測量微透鏡陣列子孔徑Φ和矢高h，計算出微透鏡的曲率半徑從而得出焦距值。Ph2+^/
廣=R = /4n-l 2h(n-\)
式中R為微透鏡陣列子孔徑的曲率半徑，η為折射率。該方法測量精度較低，同時逐個測量微透鏡陣列的各個子孔徑，測量效率較低。
浮雕深度法通過測量微透鏡陣列的浮雕深度h和子孔徑口徑d，根據(jù)公式計算微透鏡陣列的焦距。丄d2
/ =-%{n-\)h
式中，η為折射率。利用該方法測量由于微透鏡陣列在曝光、顯影以及刻蝕的過程中造成的浮雕深度誤差較大，因此測量精度不高。
對轉(zhuǎn)角法測量，通過精密轉(zhuǎn)臺控制轉(zhuǎn)動角度，測量微透鏡焦面上的光斑偏移量可完成對微透鏡焦距的測量。該方法通過兩次采集圖像，可完成對多個子孔徑的焦距檢測，但對轉(zhuǎn)臺的精度要求較高，測量成本較高、操作復雜。
放大率法是焦距測量過程中比較常用的檢測方法，其檢測原理為檢測使用的平行光管星點板上有兩個小孔；通過光源照明后，平行光管的出射光為兩束平行光；平行光經(jīng)過微透鏡陣列匯聚，在其各個子孔徑的焦面上成兩個點像。根據(jù)幾何成像原理，可計算微透鏡陣列各個子孔徑的焦距。
HF d
式中F為平行光管的焦距，d為星點板上兩個小孔的中心距，&為被測微透鏡子孔徑的焦距，Cli為該子孔徑焦面上像點的中心距。該方法操作簡單，測量成本較低，一次測量可完成多個微透鏡陣列焦距的測量，具有較高的測量精度和測量效率；但由于平行光管的焦距較長和微透鏡陣列焦面上光斑衍射極限的限制，不易完成短焦距微透鏡陣列的檢測。
對于干涉儀檢測法，其測量原理是利用干涉儀確定微透鏡的頂點和焦點位置，兩點的間距即為微透鏡陣列的焦距。該檢測方法精度較高，但操作復雜，而且一次只能完成一個子孔徑的焦距測量，效率較低。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題為為克服上述各類方法在微透鏡陣列焦距檢測過程中的不足，兼顧測量的精度和效率，本發(fā)明提出一種新的檢測方法，即一種微透鏡陣列焦距的測量方法，該方法不僅具有較高的測量精度，還具有較高的檢測效率。
本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是一種微透鏡陣列焦距的測量方法，該方法的檢測系統(tǒng)由單色儀、平行光管、衍射光柵、被測微透鏡陣列和CCD探測器組成， 單色儀作為光源，其出射光經(jīng)平行光管準直后，先將衍射光柵移出檢測光路，平行光管準直后的平行光經(jīng)過被測微透鏡陣列在其各個子孔徑的焦面上形成相應的光斑，CCD探測器在焦面附近沿光軸依次采集圖像以確定各個子孔徑的焦面位置；然后將衍射光柵移動進入被測光路，平行光管準直后的平行光入射到衍射光柵上，經(jīng)衍射光柵衍射分光后，各級衍射光在被測微透鏡陣列的各個子孔徑形成相應的衍射光斑，CCD探測器采集圖像并進行測量； 該方法具體通過以下步驟完成對被測微透鏡陣列焦距的測量
步驟1 將衍射光柵移出檢測光路，利用步進電機帶動CCD探測器在被測微透鏡陣列的焦面附近采集圖像；
步驟2 利用數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)，分析處理采集的圖像，用CXD探測器確定被測微透鏡陣列各子孔徑的焦面位置；
步驟3 將衍射光柵移入檢測光路，利用CCD探測器采集被測微透鏡陣列各個子孔徑的0級和士1級光斑圖像；
步驟4:利用數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)分析處理步驟3采集的光斑圖像，確定被測微透鏡陣列各個子孔徑的0級和士 1級光斑的中心距，根據(jù)衍射光柵的1級衍射角可計算被測微透鏡陣列各個子孔徑的焦距。
進一步的，步驟4中利用數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)分析處理步驟3采集的光斑圖像， 確定被測微透鏡陣列各個子孔徑的0級和士 1級光斑的中心距，根據(jù)衍射光柵的1級衍射角可計算被測微透鏡陣列各個子孔徑的焦距具體為當平行光入射到衍射光柵上時，當衍射光柵的周期為d，單色儀的中心波長為λ時，多縫衍射的亮條紋位置即各級衍射光的衍射角α滿足光柵方程
dsina = mAm = 0，±l，±2，··· (1)
衍射光柵的士 1級衍射角為α，即相當于用轉(zhuǎn)角法測量時其精密轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的角度為α，根據(jù)幾何光學成像原理，利用Matlab軟件確定0級衍射光斑和士 1級衍射光斑的中心距h后，根據(jù)公式( 可完成被測微透鏡陣列的焦距f的計算
f = h/tan α ^ dh/λ ⑵
將衍射光柵移入檢測光路后，用CCD探測器采集各個子孔徑的0級和士 1級衍射光斑圖像；對各個子孔徑，顯然步驟2中C⑶探測器確定的焦面位置a和步驟3中采集衍射光斑圖像時CCD探測器的位置b不同，利用數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)定焦原理為從微透鏡陣列的離焦位置以固定的步距采集圖像，將各幀圖像依次編號；利用Matlab讀取各幀并計算微透鏡陣列各子孔徑光斑的清晰度函數(shù)值，通過清晰度函數(shù)曲線確定各子孔徑焦面位置，其中，各子孔徑焦面位置以采集圖像編號表示，根據(jù)數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)定焦原理，得到的被測微透鏡陣列各子孔徑焦距
f i = d · h/ λ + (ni-ng) 1 (3)
式中，η,為被測微透鏡陣列第i個子孔徑焦面位置即CXD探測器(5)的位置a的圖像編號；ng為加入衍射光柵C3)測量時CCD探測器(5)的位置b編號；1為相機移動的步距。對于某一個子孔徑，將衍射光柵( 移入檢測光路時CCD探測器( 恰好位于該子孔徑的焦面上，即CXD探測器(5)的位置a和位置b重合Oii = ng)，該子孔徑的焦距計算式 (3)與式( 相同；對于其他子孔徑，將移入衍射光柵C3)移入檢測光路時，CCD探測器(5) 處于其離焦位置，離焦量為(Iii-Iig) ·1。顯然，根據(jù)計算公式(3) —次采集圖像可完成被測微透鏡陣列⑷多個子孔徑的焦距測量，相比較一些逐個測量的傳統(tǒng)方法，具有較高的測量效率。
本發(fā)明的原理在于
本發(fā)明在轉(zhuǎn)角法檢測的基礎上，利用光柵衍射分光效應代替精密轉(zhuǎn)臺完成測量。 經(jīng)過平行光管準直的光線入射進入光柵時，根據(jù)光柵的多縫衍射理論，其衍射光將分成幾束，忽略強度較小的高級次衍射光束，出射光束為傳播方向不變的0級衍射光束、傳播方向偏轉(zhuǎn)分別為士 α的士1級衍射光。確定0級和士1級衍射光斑的中心距與衍射光的角度后，根據(jù)轉(zhuǎn)角法計算焦距的原理完成焦距檢測。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于
1、本發(fā)明衍射光的分光角度由光柵周期和測量光源的波長確定，無需進行測量；
2、本發(fā)明利用光柵代替精密轉(zhuǎn)臺操作更加簡單，測量成本較低；
3、本發(fā)明與干涉儀測量法和口徑、矢高計算法比較，本發(fā)明結(jié)合數(shù)字圖像定焦技術，一組采集的圖像可完成多個微透鏡陣列的子孔徑定焦測量，具有較高的測量效率。


圖1為本發(fā)明的檢測系統(tǒng)以及微透鏡陣列焦距測量方法示意圖，其中圖1中a圖為衍射光柵3移出檢測光路時示意圖，圖1中b圖為衍射光柵3移入檢測光路時示意圖2為微透鏡陣列一個子孔徑光柵多縫衍射測量的原理示意圖中，1.單色儀，2.平行光管，3.衍射光柵，4.被測微透鏡陣列，5. C⑶探測器。
具體實施方式
結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
圖1中為本發(fā)明的檢測系統(tǒng)以及微透鏡陣列焦距測量方法示意圖，單色儀1作為光源，其出射光經(jīng)平行光管2準直后，先將衍射光柵3移出檢測光路，經(jīng)平行光管2準直后的平行光經(jīng)過被測微透鏡陣列4在其各個子孔徑的焦面上形成相應的光斑，CCD探測器5在焦面附近沿光軸依次采集圖像以確定各個子孔徑的焦面位置；然后將衍射光柵3移動進入被測光路，經(jīng)平行光管2準直后的平行光入射到衍射光柵3上，經(jīng)衍射光柵3衍射分光后， 各級衍射光在被測微透鏡陣列4的各個子孔徑形成相應的衍射光斑，CCD探測器5采集圖像并進行測量。該方法具體通過以下步驟完成對被測微透鏡陣列焦距的測量
步驟1 將衍射光柵3移出檢測光路，利用步進電機帶動CCD探測器5在被測微透鏡陣列4的焦面附近采集圖像；
步驟2 利用數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)，分析處理采集的圖像，用CXD探測器5確定被測微透鏡陣列4各子孔徑的焦面位置。根據(jù)數(shù)字圖像處理知識，越接近于被測微透鏡陣列4的焦面，圖像銳度越大(圖像越清晰)，圖像的灰度方差也越大，選取計算較簡單的灰度方差函數(shù)這一清晰度函數(shù)進行定焦分析。利用CXD探測器5在被測微透鏡陣列4的焦面附近采集圖像，通過計算各幀圖像的灰度方差值，根據(jù)灰度方差的變化曲線確定被測微透鏡陣列4的焦面位置。
G=忐ΣΣ(外，力―2
公式中g(X，y)表示采集圖像上點(x，y)的灰度值，而M和N表示圖像的寬度和高度，在焦面上，計算出的‘G’出現(xiàn)最大值。
步驟3 將衍射光柵3移入檢測光路，利用CCD探測器5采集被測微透鏡陣列4各個子孔徑的0級和士1級光斑圖像；
步驟4 利用數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)分析處理步驟3采集的光斑圖像，確定被測微透鏡陣列4各個子孔徑的0級和士 1級光斑的中心距，根據(jù)衍射光柵3的1級衍射角可計算被測微透鏡陣列4各個子孔徑的焦距。
具體的，圖2中，當平行光入射到衍射光柵3上時，根據(jù)物理光學的分析，衍射光柵 3多縫衍射的光強分布包含單縫衍射因子和多光束干涉因子，多縫衍射產(chǎn)生的明暗條紋的位置即0級(主極大)和士1級(次級大)衍射光方向由單縫衍射因子和多光束干涉因子極值確定。通過分析，當衍射光柵3的周期為d，單色儀1的中心波長為λ時，多縫衍射的亮條紋位置即各級衍射光的衍射角α滿足光柵方程
dsina = mA m = 0，士 1，士2，...(1)
衍射光柵3的士 1級衍射角為α，即相當于用轉(zhuǎn)角法測量時其精密轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的角度為α，根據(jù)幾何光學成像原理，利用Matlab軟件確定0級衍射光斑和士 1級衍射光斑的中心距h后，根據(jù)公式( 可完成被測微透鏡陣列4的焦距f的計算
f = h/tan α ^ dh/λ(2)
將衍射光柵3移入檢測光路，用CCD探測器5采集各個子孔徑的0級和士 1級衍射光斑圖像。對各個子孔徑，顯然步驟2中CXD探測器5確定的焦面位置a和步驟3中采集衍射光斑圖像時CXD探測器5確定的位置b不同。其中位置b為衍射光柵3移入檢測光路時CXD探測器的位置；位置a為CXD探測器5根據(jù)清晰地函數(shù)定焦分析確定的微透鏡陣列各個子孔徑的焦面(每個子孔徑的焦面位置不同)。利用數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)定焦原理為從微透鏡陣列的離焦位置以固定的步距采集圖像，將各幀圖像依次編號；利用Matlab 讀取各幀并計算微透鏡陣列各子孔徑光斑的清晰度函數(shù)值，通過清晰度函數(shù)曲線確定各子孔徑焦面位置(以采集圖像編號表示)，根據(jù)數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)定焦原理，得到的被測微透鏡陣列4各子孔徑焦距&
fi = dh/ λ + (ni-ng) 1 (3)
式中，η,為被測微透鏡陣列第i個子孔徑焦面位置即CXD探測器(5)的位置a的圖像編號；ng為加入衍射光柵C3)測量時CCD探測器(5)的位置b編號；1為相機移動的步距。對于某一個子孔徑，將衍射光柵( 移入檢測光路時CCD探測器( 恰好位于該子孔徑的焦面上，即CXD探測器(5)的位置a和位置b重合Oii = ng)，該子孔徑的焦距計算式 (3)與式( 相同；對于其他子孔徑，將移入衍射光柵C3)移入檢測光路時，CCD探測器(5) 處于其離焦位置，離焦量為(Iii-Iig) ·1。顯然，根據(jù)計算公式(3) —次采集圖像可完成被測微透鏡陣列(4)多個子孔徑的焦距測量。
本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領域公知技術。
權(quán)利要求
1.一種微透鏡陣列焦距的測量方法，該方法的檢測系統(tǒng)由單色儀(1)、平行光管O)、 衍射光柵(3)、被測微透鏡陣列(4)和CCD探測器( 組成，單色儀(1)作為光源，其出射光經(jīng)平行光管( 準直后，先將衍射光柵( 移出檢測光路，平行光管( 準直后的平行光經(jīng)過被測微透鏡陣列(4)在其各個子孔徑的焦面上形成相應的光斑，CXD探測器( 在焦面附近沿光軸依次采集圖像以確定各個子孔徑的焦面位置；然后將衍射光柵C3)移動進入被測光路，平行光管( 準直后的平行光入射到衍射光柵( 上，經(jīng)衍射光柵( 衍射分光后，各級衍射光在被測微透鏡陣列的各個子孔徑形成相應的衍射光斑，CCD探測器(5) 采集圖像并進行測量；其特征是該方法具體通過以下步驟完成對被測微透鏡陣列焦距的測量步驟1 將衍射光柵C3)移出檢測光路，利用步進電機帶動CCD探測器( 在被測微透鏡陣列⑷的焦面附近采集圖像；步驟2 利用數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)，分析處理采集的圖像，用CCD探測器(5)確定被測微透鏡陣列(4)各子孔徑的焦面位置；步驟3 將衍射光柵( 移入檢測光路，利用CCD探測器(5)采集被測微透鏡陣列(4) 各個子孔徑的0級和士1級光斑圖像；步驟4 利用數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)分析處理步驟3采集的光斑圖像，確定被測微透鏡陣列(4)各個子孔徑的0級和士 1級光斑的中心距，根據(jù)衍射光柵(3)的1級衍射角可計算被測微透鏡陣列(4)各個子孔徑的焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微透鏡陣列焦距的測量方法，其特征是步驟4中利用數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)分析處理步驟3采集的光斑圖像，確定被測微透鏡陣列(4)各個子孔徑的0級和士 1級光斑的中心距，根據(jù)衍射光柵(3)的1級衍射角可計算被測微透鏡陣列⑷各個子孔徑的焦距具體為當平行光入射到衍射光柵⑶上時，當衍射光柵⑶的周期為d，單色儀(1)的中心波長為λ時，多縫衍射的亮條紋位置即各級衍射光的衍射角α 滿足光柵方程dsin α = m λ m = 0, 士 1, 士2, ...(1)衍射光柵(3)的士 1級衍射角為α，即相當于用轉(zhuǎn)角法測量時其精密轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的角度為α，根據(jù)幾何光學成像原理，利用Matlab軟件確定0級衍射光斑和士 1級衍射光斑的中心距h后，根據(jù)公式( 可完成被測微透鏡陣列(4)的焦距f的計算； f = h/tan α ^ dh/λ(2)將衍射光柵C3)移入檢測光路后，用CCD探測器( 采集各個子孔徑的0級和士 1級衍射光斑圖像；對各個子孔徑，顯然步驟2中CXD探測器(5)確定的焦面位置a和步驟3中采集衍射光斑圖像時CCD探測器(5)的位置b不同，利用數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)定焦原理為 從微透鏡陣列的離焦位置以固定的步距采集圖像，將各幀圖像依次編號；利用Matlab讀取各幀并計算微透鏡陣列各子孔徑光斑的清晰度函數(shù)值，通過清晰度函數(shù)曲線確定各子孔徑焦面位置，其中，各子孔徑焦面位置以采集圖像編號表示，根據(jù)數(shù)字圖像的清晰度函數(shù)定焦原理，得到的被測微透鏡陣列(4)各子孔徑焦距& fi = dh/λ+(Iii-Iig)I (3)式中，η,為被測微透鏡陣列第i個子孔徑焦面位置即CXD探測器(5)的位置a的圖像編號；ng為加入衍射光柵( 測量時CCD探測器(5)的位置b編號；1為相機移動的步距；對于某一個子孔徑，將衍射光柵( 移入檢測光路時CCD探測器( 恰好位于該子孔徑的焦面上，即CXD探測器(5)的位置a和位置b重合Oii = ng)，該子孔徑的焦距計算式(3)與式(2)相同；對于其他子孔徑，將移入衍射光柵( 移入檢測光路時，CCD探測器( 處于其離焦位置，離焦量為(Iii-Iig) · 1 ；顯然，根據(jù)計算公式(3) —次采集圖像可完成被測微透鏡陣列⑷多個子孔徑的焦距測量，相比較一些逐個測量的傳統(tǒng)方法，具有較高的測量效率。
全文摘要
本發(fā)明提供一種微透鏡陣列焦距的測量方法，該方法結(jié)合清晰度函數(shù)定焦分析，利用光柵衍射分光的原理測量微透鏡陣列焦距，平行入射光經(jīng)過光柵后，由于高級次衍射光光強較小可忽略，其出射光被分成3束0級、+1級和-1級，通過測量光柵分光后在微透鏡各個子孔徑中的0級和±1級的光斑中心距，完成對微透鏡陣列焦距的測量。同時，利用該方法一次采集圖像可完成對多個子孔徑的測量，適合于陣列數(shù)較多的微透鏡焦距測量。本發(fā)明由于光柵分光角度由光柵周期和測量波長確定，相比較傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)角法測量，該方法無需轉(zhuǎn)臺，操作簡便易行。
文檔編號G01M11/02GK102494873SQ20111036925
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月20日
發(fā)明者伍凡, 吳時彬, 曹學東, 朱咸昌 申請人:中國科學院光電技術研究所