CN114252243B - 一种微柱面透镜阵列的检测装置和方法 - Google Patents

一种微柱面透镜阵列的检测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微柱面透镜阵列的检测装置和方法，该装置包括微柱面透镜阵列(101)，工装(102)，绕Z轴的旋转台(201)，沿X轴和Y轴的二维平移台(202)，Z轴方向高度接触测量设备(203)和计算机(204)。通过工装(102)特征的测试，准确快速调整微柱面透镜阵列(101)的位置，微柱面透镜阵列(101)的测试能精确沿母线的垂直方向。通过对微柱面透镜阵列(101)测试数据的多单元联合处理，能快速准确获得微柱面透镜阵列(101)的曲率半径、周期和面形误差。

Description

一种微柱面透镜阵列的检测装置和方法
技术领域
本发明属于光学元件检测领域，具体涉及一种微柱面透镜阵列的检测装置和方法。
背景技术
微透镜柱面阵列是指直径为几十到几百微米的子柱面镜在基板上整齐排列组成。微透镜柱面阵列由于单元尺寸小、集成度高等特点，被广泛用于激光阵列扫描、光束匀化、光束整形中等***中。
微透镜柱面阵列由于单元尺寸小，常规的用于曲率半径和面形检测的干涉仪不能适用。白光轮廓仪可检测的范围较小，速度慢，且不能检测NA较大的透镜阵列。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种微柱面透镜阵列的检测装置和方法，实现了对微透镜阵列的检测。
为了实现上述目的，本发明提出了一种微柱面透镜阵列的检测装置，该装置包括：微柱面透镜阵列101，工装102，绕Z轴的旋转台201，沿X轴和Y轴的二维平移台202，Z轴方向高度接触测量设备203，计算机204。其中，XYZ坐标系为绕Z轴的旋转台201，沿X轴和Y轴的二维平移台202和Z轴方向高度接触测量设备203的坐标系。其中，绕Z轴的旋转台201实现绕Z向旋转，沿X轴和Y轴的二维平移台202实现沿X向和Y向平移。绕Z轴的旋转台201放在沿X轴和Y轴的二维平移台202上，工装102放在绕Z轴的旋转台201上，微柱面透镜阵列101放在工装102上，微柱面透镜阵列101位于Z轴方向高度接触测量设备203下方。其中，Z轴方向高度接触测量设备203能沿Z轴运动，并精确测量高度信息。其中，微柱面透镜阵列101的柱面母线与两端面垂直。其中，工装102结构为平台上有一个楔形柱，形成两个楔形台阶。工装102平台上有一楔角为α的楔形柱，形成两个楔形台阶。楔形柱上楔角为α对着的侧面与工装102的平台上表面垂直。楔形柱的三个侧面与两端面垂直。楔形柱的母线长度为f。其中，计算机204与绕Z轴的旋转台201、沿X轴和Y轴的二维平移台202和Z轴方向高度接触测量设备203相连，用于发出控制信号及获取Z轴方向高度信息。
另外本发明提供了一种微柱面透镜阵列的检测方法，该测量方法具体步骤如下：
步骤(1)、安装微柱面透镜阵列101。将微柱面透镜阵列101放在工装102上，工装102楔角α对着的侧面紧靠微柱面透镜阵列101的端面。
步骤(2)、安放工装102。将工装102放置在绕Z轴的旋转台201，工装102的与微柱面透镜阵列接触的侧面与二维平移台202的X轴大致垂直。
步骤(3)、测试工装102的位置，并精调使得二维平移台202的X轴与工装102上的楔形柱的母线方向平行。具体步骤如下所示：
步骤(31)、计算机204控制二维平移台202沿着X轴移动，同时控制Z轴方向高度接触测量设备203测试途经工装102上两个楔形台阶的高度变化。
步骤(32)、工装102上两个楔形柱的楔角α和两台阶高h1、h2，由下式得楔形柱的母线与二维平移台202的线的夹角β。
d＝(h1-h2)ctan(α)
步骤(33)、计算机204控制绕Z轴的旋转台201旋转β，使得二维平移台202的X轴与工装102上的楔形柱的母线方向平行。
步骤(4)、调整微柱面透镜阵列101的位置，并测试。计算机204控制二维平移台202沿着Y轴移动，让微柱面透镜阵列101在Z轴方向高度接触测量设备203的下方。然后计算机204控制二维平移台202沿着X轴移动，同时控制Z轴方向高度接触测量设备203测试途经微柱面透镜的与母线垂直的方向上的高度变化，得到的高度变化曲线z0(x)。
步骤(5)、分析计算高度变化曲线，得出高度变化曲线的周期、各柱面单元的曲率半径和面形误差，具体步骤如下：
步骤(51)、对高度变化曲线z0(x)高斯滤波后判断极小值点的位置。采用高斯函数g(x)对高度变化曲线z0(x)进行滤波，得到滤波后的高度变化曲线z1(x)，如下式所示。
z1(x)＝z0(x)*g(x)
其中，*为卷积符号,σ确定滤波函数的宽度。
采用下式得到滤波后的高度变化曲线z1(x)极小值点的位置xli(i＝1,2,3,…,N+1，N为z0(x)中包含的柱面单元周期数)。
z1(xli)≤z1(x)-5σ≤x≤5σ
步骤(52)、拟合求解微柱面透镜阵列101的曲率半径R和周期T。将微柱面透镜阵列101的各柱面单元的数据一起拟合，采用最小二乘法，即拟合误差e最小，求解得到微柱面透镜阵列101取曲率半径R，第一个柱面单元的圆心(xc1,zc1)，柱面单元在X方向的周期Tx，和柱面单元在Y方向的周期Ty。
采用下式得到柱面单元的周期T。
T＝sqrt(Tx 2+Ty 2)
步骤(53)、测试的高度变化曲线z0(x)与拟合的高度变化曲线z2(x)相减，得到柱面单元的面形误差曲线ze(x)。
z2(x)＝sqrt(R2-(x-xc1-(i-1)Tx)2)+zc1+(i-1)Ty x∈[xli,xl(i+1)],i＝1,2,…N
ze(x)＝z0(x)-z2(x)
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可通过一次测量及数据分析，得到微透镜阵列的曲率半径、周期及面形误差，几检测速度快。
(2)本发明中的工装可以快速调整好微透镜阵列与测试***的位置关系，使得精确沿垂直于微透镜阵列的母线方向进行扫描测试，减小测量误差。
(3)本发明微透镜阵列的周期和曲率半径求解时，采用所有柱面的测试曲线一起求解，使得求解的周期和曲率半径更为准确。
附图说明
图1为本发明的微柱面透镜阵列的检测装置的示意图；
图2为本发明的工装三维示意图；
图3为本发明的工装左示图的意图；
图4为本发明的微透镜阵列与工装安装的示意图；
图5为本发明的测试工装的位置示意图；
图6为本发明的测试工装的位置右示图的示意图；
图7为本发明的测试的工装两楔形台阶的高度变化曲线示意图；
图8为本发明的测试微柱面透镜阵列位置的示意图；
图9为本发明的测试的微柱面透镜阵列M1M2M3M4M5的高度变化曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
图1为本发明的一种微柱面透镜阵列的检测装置的示意图，包含微柱面透镜阵列101，工装102，绕Z轴的旋转台201，沿X轴和Y轴的二维平移台202，Z轴方向高度接触测量设备203，计算机204，其装置的结构示意图如图1所示。其中，XYZ坐标系为绕Z轴的旋转台201，沿X轴和Y轴的二维平移台202和Z轴方向高度接触测量设备203的坐标系。其中，绕Z轴的旋转台201实现绕Z向旋转，沿X轴和Y轴的二维平移台202实现沿X向和Y向平移。绕Z轴的旋转台201放在沿X轴和Y轴的二维平移台202上，工装102放在绕Z轴的旋转台201上，微柱面透镜阵列101放在工装102上，微柱面透镜阵列101位于Z轴方向高度接触测量设备203下方。其中，Z轴方向高度接触测量设备203能沿Z轴运动，并精确测量高度信息。其中，微柱面透镜阵列101的柱面母线与两端面垂直。其中，工装102示意图如图2所示的结构，平台上有一个楔形柱，形成两个楔形台阶，其左视图示意图如图3所示。工装102上的楔形柱的楔角为α，楔形柱上楔角α对着的侧面OABC与工装102的平台上表面OAED垂直，侧面OABC与端面OCD垂直，侧面OABC与端面ABE垂直，面OAED与端面OCD垂直，面OAED与ABE垂直，侧面CBED与端面OCD垂直，侧面CBED与端面ABE垂直，DE的长度等于楔形柱的母线长度f。其中，计算机204与绕Z轴的旋转台201、沿X轴和Y轴的二维平移台202和Z轴方向高度接触测量设备203相连，用于发出控制信号及获取Z轴方向高度信息。楔形柱上楔角α对着的侧面与相邻侧面垂直。楔形柱的三个侧面与两端面垂直。楔形柱的母线长度为f。
本发明的采用所述的装置对微柱面透镜阵列的检测方法，具体实施步骤如下：
步骤(1)、安装微柱面透镜阵列101。将微柱面透镜阵列101放在工装102上，工装102楔角α对着的侧面OABC紧靠微柱面透镜阵列101的端面，如图4所示。
步骤(2)、安放工装102。将工装102放置在绕Z轴的旋转台201，工装102的与微柱面透镜阵列接触的侧面OABC与二维平移台202的X轴大致垂直。
步骤(3)、测试工装102的位置，并精调使得二维平移台202的X轴与工装102上的楔形柱的母线方向平行。具体步骤如下所示：
步骤(31)、计算机204控制二维平移台202沿着X轴移动，同时控制Z轴方向高度接触测量设备203测试途经工装(102)上两个楔形台阶的高度变化，如图5中工装EFGHIJ的高度变化，其右示图如图6所示。得到的高度变化曲线示意图如图7所示，得到台阶FG的台阶高h1，台阶IH的高度h2。
步骤(32)、由图5所示，过G作面ABE的垂线，垂足点H2,过H2作面OAED的垂线，垂足点I2，则FI2与DE平行,得到FI2的长度为f。过H作面OAED的垂线，垂足点I，则I2H2与FG平行且相等，高度为h1。测试时楔形柱上的右视图示意图如图6所示，得到II2的长度为d。
d＝(h1-h2)ctan(α)
在图5中的三角形FI2I中，采用三角定理得到FI2与FI的夹角β，如下式所示。由于FI与二维平移台202的X轴平行，FI2与DE平行，β就是二维平移台202的X轴与工装102上的楔形柱的母线的夹角。
步骤(33)、计算机204控制绕Z轴的旋转台201旋转β，使得二维平移台202的X轴与工装102上的楔形柱的母线方向平行。
步骤(4)、调整微柱面透镜阵列101的位置，并测试。计算机204控制二维平移台202沿着Y轴移动，让微柱面透镜阵列101在Z轴方向高度接触测量设备203的下方然后计算机204控制二维平移台202沿着X轴移动，同时控制Z轴方向高度接触测量设备203测试途经微柱面透镜的与母线垂直的方向上的高度变化，如图8中的M1M2M3M4M5的高度变化，得到的高度变化曲线z0(x)如图9所示。
步骤(5)、分析计算高度变化曲线，得出高度变化曲线的周期、各柱面单元的曲率半径和面形误差，具体步骤如下：
步骤(51)、对高度变化曲线z0(x)高斯滤波后判断极小值点的位置。采用高斯函数g(x)对高度变化曲线z0(x)进行滤波，得到滤波后的高度变化曲线z1(x)，如下式所示。
z1(x)＝z0(x)*g(x)
其中，*为卷积符号,σ确定滤波函数的宽度。
采用下式得到滤波后的高度变化曲线z1(x)极小值点的位置xli(i＝1,2,3,…,N+1，N为z0(x)中包含的柱面单元周期数)。
z1(xli)≤z1(x)-5σ≤x≤5σ
步骤(52)、拟合求解微柱面透镜阵列101的曲率半径R和周期T。将微柱面透镜阵列101的各柱面单元的数据一起拟合，采用最小二乘法，即拟合误差e最小，求解得到微柱面透镜阵列101取曲率半径R，第一个柱面单元的圆心(xc1,zc1),柱面单元在X方向的周期Tx，和柱面单元在Y方向的周期Ty。
采用下式得到柱面单元的周期T。
T＝sqrt(Tx 2+Ty 2)
步骤(53)、测试的高度变化曲线z0(x)与拟合的高度变化曲线z2(x)相减，得到柱面单元的面形误差曲线ze(x)。
z2(x)＝sqrt(R2-(x-xc1-(i-1)Tx)2)+zc1+(i-1)Ty x∈[xli,xl(i+1)],i＝1,2,…N
ze(x)＝z0(x)-z2(x)
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内所作的变换或者替换都应涵盖在本发明所包含的范围内，因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种微柱面透镜阵列的检测装置，其特征在于：该装置包括微柱面透镜阵列(101)，工装(102)，绕Z轴的旋转台(201)，沿X轴和Y轴的二维平移台(202)，Z轴方向高度接触测量设备(203)和计算机(204)，其中，绕Z轴的旋转台(201)放在沿X轴和Y轴的二维平移台(202)上，工装(102)放在绕Z轴的旋转台(201)上，微柱面透镜阵列(101)放在工装(102)上，微柱面透镜阵列(101)位于Z轴方向高度接触测量设备(203)下方；其中，Z轴方向高度接触测量设备(203)能沿Z轴运动，并精确测量高度信息；其中，微柱面透镜阵列(101)的柱面母线与两端面垂直；计算机(204)与绕Z轴的旋转台(201)、沿X轴和Y轴的二维平移台(202)和Z轴方向高度接触测量设备(203)相连，用于发出控制信号及获取Z轴方向高度信息；微柱面透镜阵列安装在工装上，工装平台上有一楔角为a的楔形柱，形成两个楔形台阶，楔形柱上楔角为a，上楔角对着的侧面与工装(102)的平台上表面垂直，楔形柱的三个侧面与两端面垂直，楔形柱的母线长度为f，通过控制Z轴方向高度接触测量设备(203)测试途经工装(102)上两个楔形台阶的高度变化，得出楔形柱母线与二维平移台的X轴之间的夹角，从而通过计算机旋转绕Z轴的旋转台，使得楔形柱母线与二维平移台的X轴平行，从而调整好微透镜阵列与测试***的位置关系，使得精确沿垂直于微透镜阵列的母线方向进行扫描测试，减小测量误差。
2.一种微柱面透镜阵列的检测方法，使用权利要求1所述的微柱面透镜阵列的检测装置，其特征在于，方法如下：
步骤(1)、安装微柱面透镜阵列(101)，将微柱面透镜阵列(101)放在工装(102)上，工装(102)的楔角α对着的侧面紧靠微柱面透镜阵列(101)的端面；
步骤(2)、安放工装(102)，将工装(102)放置在绕Z轴的旋转台(201)，工装(102)与微柱面透镜阵列接触的侧面与二维平移台(202)的X轴大致垂直；
步骤(3)、测试工装(102)的位置，并精调使得二维平移台(202)的X轴与工装(102)上的楔形柱的母线方向平行；
步骤(4)、调整微柱面透镜阵列(101)的位置，并测试；计算机(204)控制二维平移台(202)沿着Y轴移动，让微柱面透镜阵列(101)在Z轴方向高度接触测量设备(203)的下方；然后计算机(204)控制二维平移台(202)沿着X轴移动，同时控制Z轴方向高度接触测量设备(203)测试途经微柱面透镜的与母线垂直的方向上的高度变化曲线z0(x)；
步骤(5)、分析计算高度变化曲线，得出高度变化曲线的周期、各柱面单元的曲率半径和面形误差。
3.根据权利要求2所述的微柱面透镜阵列检测方法，其特征在于：所述步骤(3)中，测试工装(102)的位置，使得二维平移台(202)的X轴与工装(102)上的楔形柱的母线方向平行时，采用的方法如下：
步骤(31)、计算机(204)控制二维平移台(202)沿着X轴移动，同时控制Z轴方向高度接触测量设备(203)测试途经工装(102)上两个楔形台阶的高度变化；由于工装(102)上的楔形柱的母线与二维平移台(202)的X轴不平行，两台阶不一样高，分别为h1、h2；
步骤(32)、工装(102)上两个楔形柱的楔角α和两台阶高h1、h2，由下式得楔形柱的母线与二维平移台(202)的线的夹角β，
d＝(h1-h2)ctan(α)
步骤(3)、计算机(204)控制绕Z轴的旋转台(201)旋转β，使得二维平移台(202)的X轴与工装(102)上的楔形柱的母线方向平行。
4.根据权利要求3所述的微柱面透镜阵列检测方法，其特征在于：所述步骤(5)中，分析计算高度变化曲线，得出高度变化曲线的周期、各柱面单元的曲率半径和面形误差时，采用如下方法：
步骤(51)、对高度变化曲线z0(x)高斯滤波后判断极小值点的位置，采用高斯函数g(x)对高度变化曲线z0(x)进行滤波，得到滤波后的高度变化曲线z1(x)，如下式所示，
z1(x)＝z0(x)*g(x)
其中，*为卷积符号，σ确定滤波函数的宽度；
采用下式得到滤波后的高度变化曲线z1(x)极小值点的位置xli(i＝1,2,3,…,N+1，N为z0(x)中包含的柱面单元周期数)；
z1(xli)≤z1(x)-5σ≤x≤5σ
步骤(52)、拟合求解微柱面透镜阵列(101)的曲率半径R和周期T，将微柱面透镜阵列(101)的各柱面单元的数据一起拟合，采用最小二乘法，即拟合误差e最小，求解得到微柱面透镜阵列(101)取曲率半径R，第一个柱面单元的圆心(xc1，zc1)，柱面单元在X方向的周期Tx，和柱面单元在Y方向的周期Ty，
采用下式得到柱面单元的周期T，
T＝sqrt(Tx 2+Ty 2)
步骤(53)测试的高度变化曲线z0(x)与拟合的高度变化曲线z2(x)相减，得到柱面单元的面形误差曲线ze(x)，
z2(x)＝sqrt(R2-(x-xc1-(i-1)Tx)2)+zc1+(i-1)Ty x∈[xli，xl(i+1)]，i＝1，2，…N
ze(x)＝z0(x)-z2(x)。
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