连续表面微透镜列阵元件检测

　　0　引言

　　微透镜列阵光学元件具有尺寸小、重量轻、易集成等优点,在军事、科研等各个领域发挥着重要的作用[1,2].微透镜列阵光学元件结构尺寸在几微米到几百微米之间,列阵数目从几百到几千甚至几万;另一方面,它在光学系统中的应用主要集中在光束聚焦、信号传递和低分辨率成像.由于微透镜列阵具有以上特点,传统宏观透镜元件的一些检测方法比如星点法、分辨率板、传递函数等不太适合微透镜列阵元件检测[3].本文从几何参量指标和光学性能指标两方面系统地讨论了连续表面微透镜列阵的一些常规检测方法和评价标准,并且指出两方面检测结果在很大程度上是一致的.

　　1　微透镜列阵几何结构尺寸测量

　　1.1　面形误差

　　评价连续面形微透镜加工质量好坏的一个主要标准是其面形控制的准确度.实际制作的元件面形与设计面形之间存在差异,称作面形误差,它在很大程度上决定了微透镜的光学性能.利用台阶仪测量透镜单元的实际面形轮廓,再与设计曲面进行面形拟合,估算出每个位置的面形误差.通常为了达到一定的透镜分辨本领或者聚焦效果,一般要求面形最大加工误差小于0.05μm.这种情况下,可以通过测量透镜浮雕深度来确定透镜的焦距.例如小数值孔径下,折射型元件的焦距与口径及浮雕深度存在以下关系[4]

　　式中f为元件焦距,d为口径,h为浮雕深度,n为折射率.采用移动掩模法、灰阶掩模法制作的微透镜元件的口径误差很大程度上由掩模板加工能力决定,误差很小.而由曝光、显影以及刻蚀的影响而造成的浮雕深度误差是造成焦距误差的主要因素.

　　1.2　填充因子

　　元件的填充因子ρ是指单元元件的有效通光面积S0与单元总面积S总的比值,它决定了元件对光能的汇聚能力[5].

　　填充因子与元件的填充形状有关,如采用圆孔径,填充因子最大为78.5%.采用方形孔径和六边形孔径填充,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,填充因子降低.面形控制范围越大,加工误差越小,填充因子就越高.

　　以采用方形孔径填充的元件为例,最大面形误差往往发生在单元透镜的四个角上,因此填充因子的计算表达式为

　　式中,SΔ为单元透镜边角处折光能力差的区域面积.实际检测中可利用光学显微镜、SEM等设备观察、测量有效通光孔径大小,估算出元件实际填充因子.当放大倍率足够大时,填充因子估算误差小于±1%.

　　1.3　表面粗糙度

　　表面粗糙度是指加工表面上的微观不平度.微光学元件的成形包括多个工艺步骤,由于光刻胶、基片及去离子水的洁净度不高,或在光刻、刻蚀过程中多种因素的影响都有可能造成元件表面粗糙度值增大[6].表面粗糙度评定通常采用浮雕轮廓偏距y(x)的均方根值