微透鏡陣列元件性能測試

發(fā)布日期：2019-08-31 作者：點擊：

衡量微透鏡光學(xué)質(zhì)量的性能參數(shù)有很多，對于折射微透鏡有焦距、表面粗糙度、陣列均勻性等物理參數(shù)和點擴散函數(shù)等光學(xué)性能參數(shù)，而對于衍射微透鏡有衍射效率這一重要參數(shù)。目前，針對微透鏡參數(shù)的測量方法有多種，如干涉法、CCD直接成像法、哈特曼波前傳感器測量法、刀口振動法、莫爾法、泰伯效應(yīng)法等等，各種方法所利用的光學(xué)原理各不相同，也各有優(yōu)缺點。

微透鏡陣列元件的填充因子ρ是指單元元件的有效通光面積與單元總面積的比值，它決定了元件對光能的匯聚和發(fā)散能力。填充因子與元件的形狀和排列方式有關(guān)，如采用圓孔徑，傳統(tǒng)的正交排列微透鏡陣列元件的填充因子較大為78.5%，六邊形排列微透鏡陣列的填充因子較大為90%。而采用方形孔徑和六邊形孔徑填充方式，理論上填充因子可達(dá)到100%，但由于透鏡孔徑邊緣處面形誤差的存在使得其有效折光能力下降，填充因子會降低。面形輪廓的控制范圍越大，則加工誤差越小，填充因子就越高。

微透鏡

表面粗糙度表征了微單元表面上的平整度。由于微光學(xué)元件在加工過程中包括多個工藝步驟，而且光刻膠、基片及去離子水的潔凈度的高低，或在光刻過程中都會影響元件表面的粗糙度。

使用原子力顯微鏡測出了一組微透鏡孔徑的直徑(D)和厚度(h)。陣列樣品中隨機選取的10透鏡的直徑、厚度、焦距等參數(shù)。微透鏡焦距均勻性誤差定義為：

式中，fmax為微透鏡列陣子單元焦距較大值，fmin為較小值，f 為焦距平均值。

通過抽樣測量單元透鏡的浮雕深度，利用上式計算出對應(yīng)單元的焦距，由測試結(jié)果得出焦距的平均值為62.56um，均方根差為2.96um，焦距的均勻性誤差為0.4%。分析制作的微透鏡陣列元件的陣列均勻性小于1%。因此可認(rèn)為此微透鏡陣列元件均勻性很高。

射光學(xué)元件的衍射效率是標(biāo)志元件質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，是直接關(guān)系到設(shè)計和制造出的元件能否在實際光學(xué)系統(tǒng)中采用的一個至關(guān)重要的問題。因而對衍射效率進行精確測量是非常重要的。從國內(nèi)外已經(jīng)報道的衍射效率來看，各研究小組報道的相同位相臺階數(shù)的菲涅耳微透鏡列陣其衍射效率有很大差異。這是因為各自所采用的衍射效率的各自的定義、測試系統(tǒng)和測試方法的不同。這些結(jié)果既不同于嚴(yán)格理論定義的衍射效率，也不能完全代表實際使用所關(guān)心的有效的能量利用率，缺乏可比性。

工程應(yīng)用中，衍射效率定義為衍射波光強度和入射照明光強度之比。對于衍射光學(xué)元件，衍射效率的大小表征衍射光柵把入射光能量轉(zhuǎn)化為所需要級次衍射光能量的能力。

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