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微透镜的性能测试

发布时间:2018-10-17   点击次数:1436次
  衡量微透镜光学质量的性能参数有很多,对于折射微透镜有焦距、表面粗糙度、阵列均匀性等物理参数和点扩散函数等光学性能参数,而对于衍射微透镜有衍射效率这一重要参数。目前,针对微透镜参数的测量方法有多种,如干涉法、CCD直接成像法、哈特曼波前传感器测量法、刀口振动法、莫尔法、泰伯效应法等等,各种方法所利用的光学原理各不相同,也各有优缺点。
  微透镜阵列的填充因子ρ是指单元元件的有效通光面积与单元总面积的比值,它决定了元件对光能的汇聚和发散能力。填充因子与元件的形状和排列方式有关,如采用圆孔径,传统的正交排列微透镜阵列的填充因子大为78.5%,六边形排列微透镜阵列的填充因子大为90%。而采用方形孔径和六边形孔径填充方式,理论上填充因子可达到100%,但由于透镜孔径边缘处面形误差的存在使得其有效折光能力下降,填充因子会降低。面形轮廓的控制范围越大,则加工误差越小,填充因子就越高。
  表面粗糙度表征了微单元表面上的平整度。由于微光学元件在加工过程中包括多个工艺步骤,而且光刻胶、基片及去离子水的洁净度的高低,或在光刻过程中都会影响元件表面的粗糙度。
  使用原子力显微镜测出了一组微透镜孔径的直径(D)和厚度(h)。阵列样品中随机选取的10透镜的直径、厚度、焦距等参数。微透镜焦距均匀性误差定义为:
  式中,fmax为微透镜列阵子单元焦距大值,fmin为小值,f 为焦距平均值。
  通过抽样测量单元透镜的浮雕深度,利用上式计算出对应单元的焦距,由测试结果得出焦距的平均值为62.56um,均方根差为2.96um,焦距的均匀性误差为0.4%。分析制作的微透镜阵列的阵列均匀性小于1%。因此可认为此微透镜阵列均匀性很高。
  射光学元件的衍射效率是标志元件质量的关键指标,是直接关系到设计和制造出的元件能否在实际光学系统中采用的一个至关重要的问题。因而对衍射效率进行测量是非常重要的。从国内外已经报道的衍射效率来看,各研究小组报道的相同位相台阶数的菲涅耳微透镜列阵其衍射效率有很大差异。这是因为各自所采用的衍射效率的各自的定义、测试系统和测试方法的不同。这些结果既不同于严格理论定义的衍射效率,也不能完全代表实际使用所关心的有效的能量利用率,缺乏可比性。
  工程应用中,衍射效率定义为衍射波光强度和入射照明光强度之比。对于衍射光学元件,衍射效率的大小表征衍射光栅把入射光能量转化为所需要级次衍射光能量的能力。
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