專利名稱：一種基于牛頓法和泰伯效應(yīng)的微透鏡陣列焦距的檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于牛頓法和泰伯效應(yīng)的微透鏡焦距的檢測方法，屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域，該方法操作簡便易行，測量精度較高。
背景技術(shù)：
作為微小光學(xué)和陣列衍射光學(xué)的重要部件，微透鏡及其陣列元件因?yàn)槠涓哐苌湫?，寬工作波段，易微型化及集成化等?yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于光束波前檢測、光耦合及存儲、光學(xué)均勻性照明、三維成像等技術(shù)領(lǐng)域。與普通透鏡類似，焦距是微透鏡及其陣列元件的重要衡量參數(shù)。盡管透鏡焦距的檢測手段非常豐富，研究人員依然在尋找新的檢測方法，實(shí)現(xiàn)對微透鏡及其陣列元件的焦距高精度測量。對微透鏡及其陣列元件的焦距檢測方法主要分為兩類基于物理光學(xué)的各種衍射、干涉法，包括泰伯-莫爾法、剪切干涉法、泰曼-格林干涉儀檢測法和光柵衍射法等；基于幾何光學(xué)的放大率法、轉(zhuǎn)角法和牛頓法等。
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泰伯-莫爾法是利用兩個光柵之間的傾斜角產(chǎn)生莫爾條紋當(dāng)光柵G2位于光柵Gl的泰伯自成像G/的位置時，如果G2與G/存在轉(zhuǎn)角，二者將在測量顯示屏上形成轉(zhuǎn)角莫爾條紋。根據(jù)莫爾條紋的形成原理，計算出被測透鏡的焦距f
/ = / +—tan^)
P其中，I是光柵Gl與被測透鏡的距離，s為莫爾條紋的間距，P為光柵周期，Zt為兩個光柵間的軸線距離即光柵Gl的泰伯距離#為莫爾條紋的轉(zhuǎn)角。泰伯-莫爾法對長焦距具有較高的檢測精度，但不適于短焦測量且測量數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。剪切干涉法常利用郎奇光柵衍射產(chǎn)生的O級和I級光進(jìn)行干涉測量郎奇光柵處于被測微透鏡陣列的焦面上時，O級和I級衍射光的重疊區(qū)域不產(chǎn)生干涉條紋；郎奇光柵位于離焦位置時，重疊區(qū)域有干涉條紋產(chǎn)生。通過測量微透鏡陣列各個子單元的孔徑D，O級衍射光斑大小d和CXD探測器與光柵距離z即可計算微透鏡陣列的焦距。f = Dz/d該方法雖然精度較高，但測量過程中數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，易產(chǎn)生干擾影響檢測。泰曼-格林干涉儀的檢測原理是調(diào)節(jié)干涉儀的測頭位于微透鏡陣列的頂點(diǎn)位置，各光線沒有光程差，不產(chǎn)生干涉條紋；移動測頭至微透鏡陣列的焦點(diǎn)位置，同樣沒有干涉條紋；兩次測量時測頭移動的距離即為微透鏡陣列的焦距。該方法雖然測量精度較高，但操作復(fù)雜，成本較高。光柵衍射法是用光柵衍射代替?zhèn)鹘y(tǒng)的轉(zhuǎn)角法測量微透鏡陣列的焦距平行光經(jīng)光柵衍射形成三束衍射光(高級次衍射光由于光強(qiáng)偏弱可忽略)即O級、+1級和-I級；三束衍射光分別在微透鏡陣列的各個子單元成像，通過測量光斑的中心距即可完成焦距的檢測。f = h/sin α 義 dh/入式中，f為被測微透鏡的焦距；h為O級和I級衍射光像點(diǎn)的中心距；α為光柵的I級衍射角；d為光柵周期；λ為測量光源的波長。該方法對焦距測量精度較高，但由于O級和I級衍射光斑的干擾，對短焦透鏡的焦距測量存在難度。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(diǎn)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(diǎn)像。根據(jù)幾何成像原理，可計算微透鏡陣列各個子單元的焦距。
ΓI/ d—=—
F D式中F為平行光管的焦距，D為星點(diǎn)板上兩個小孔的中心距，f為被測微透鏡子單·元的焦距，d為該子單元焦面上像點(diǎn)的中心距。該方法操作簡單，測量成本較低，一次測量可完成微透鏡多個陣列焦距的測量，具有較高的測量精度和測量效率；但由于平行光管的焦距限制，不易完成長焦距的微透鏡的檢測。轉(zhuǎn)角法是將平行光管置于精密轉(zhuǎn)臺上，首先調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺使平行光管的出射光正入射進(jìn)入被測微透鏡，在焦面上采集圖像；然后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動一定的角度使平行光管出射光斜入射進(jìn)入被測微透鏡，再次在焦面上采集圖像；計算兩次采集圖像的光斑偏移量，結(jié)合轉(zhuǎn)動的角度可完成微透鏡的焦距測量。f = d/tan α式中，f為被測微透鏡的焦距；d為相兩次成像的中心距；α為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動的角度。配合高精密轉(zhuǎn)臺的使用，該方法具有較高的測量精度和測量效率，但測量成本較高。牛頓法是一種基于幾何光學(xué)中牛頓公式的間接測量方法，通過測量微透鏡的焦物距X和焦像距V，即可完成焦距f的計算測量/ =測量時，系統(tǒng)的焦物距X可由微調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)直接控制，通過不同的檢測手段完成焦像距X,的測量即可完成焦距的計算。該方法測量精度較高，但對于焦像距的檢測較復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于牛頓法和泰伯效應(yīng)的微透鏡陣列焦距的檢測方法，該方法測量簡單，較易實(shí)現(xiàn)對微透鏡焦像距的測量，具有較高的測量精度。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于牛頓法和泰伯效應(yīng)的微透鏡焦距的檢測方法，所述方法的檢測系統(tǒng)由單色儀I、聚光鏡2、星點(diǎn)板3、被測微透鏡4、郎奇光柵5和CXD探測器6組成；單色儀I的出射光源經(jīng)聚光鏡2匯聚后進(jìn)入星點(diǎn)板3，星點(diǎn)板3位于微移平臺上，調(diào)節(jié)星點(diǎn)板3使被測微透鏡4的出射波面為平面波前和匯聚球面波前，該波前經(jīng)過郎奇光柵5后由于泰伯效應(yīng)形成光柵的泰伯自成像，通過CXD探測器6分析平面波前和球面波前的泰伯自成像周期變化，即可完成微透鏡4的焦距測量；上述方法實(shí)現(xiàn)步驟如下步驟I :將郎奇光柵5置于被測微透鏡4之后，調(diào)節(jié)CXD探測器6使CXD探測器6米集像面位于郎奇光柵5的表面；步驟2 :利用微動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，軸向移動CXD探測器6，使CXD探測器6采集像面位于郎奇光柵5的泰伯自成像位置，移動距離Zt可根據(jù)泰伯效應(yīng)計算為
權(quán)利要求
1. 一種基于牛頓法和泰伯效應(yīng)的微透鏡陣列焦距的檢測方法，其特征在于所述方法的檢測系統(tǒng)由單色儀(I)、聚光鏡(2 )、星點(diǎn)板(3 )、被測微透鏡(4 )、郎奇光柵(5 )和C⑶探測器(6)組成；單色儀(I)的出射光源經(jīng)聚光鏡(2)匯聚后進(jìn)入星點(diǎn)板(3)，星點(diǎn)板(3)位于微移平臺上，調(diào)節(jié)星點(diǎn)板(3)使被測微透鏡(4)的出射波面為平面波前和匯聚球面波前，該波前經(jīng)過郎奇光柵(5 )后由于泰伯效應(yīng)形成光柵的泰伯自成像，通過CXD探測器(6 )分析平面波前和球面波前的泰伯
全文摘要
一種基于牛頓法和泰伯效應(yīng)的微透鏡陣列焦距的檢測方法，屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域。利用郎奇光柵的泰伯效應(yīng)，平行光經(jīng)過郎奇光柵的泰伯自成像周期與光柵周期一致，將星點(diǎn)板置于被測微透鏡的物方焦點(diǎn)位置；利用微移臺調(diào)節(jié)星點(diǎn)板并確定星點(diǎn)板的焦物距；由光柵的泰伯自成像周期變化可計算出星點(diǎn)板離焦時，微透鏡出射球面波前的曲率半徑即微透鏡成像的像距；根據(jù)像距與焦像距的位置關(guān)系，結(jié)合牛頓公式，可完成微透鏡的焦距測量。該方法操作簡便易行，且具有較高的測量精度。
文檔編號G01M11/02GK102788683SQ201210319870
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月31日
發(fā)明者伍凡, 吳時彬, 曹學(xué)東, 朱咸昌 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所