微透镜阵列的计量标准化
[2]全灿,武利庆,戴新华,徐蓓,徐锐锋,邵明武.血清中葡萄糖含
量CCQM—K11.1国际比对.化学分析计量,2006,15(4)[3]全灿,徐蓓,戴新华,徐锐锋,邵明武,武利庆.液相色谱一同位
素稀释质谱法准确测定血清中肌酐含量一国际比对CCQM—K12.1.质谱学报,2006,27(3)
D..DeLeenheer.九P.,ClimChem.1995,41:1781—1783
[6]Gaskell,s.J.,Collins,C.J.,Thome,G.C,Groom,G.v.,
Clim
Chem.1983.29:862~867
f7]ThienpontLM.,NieuwenhoveB.Van,StocklD.,Leenheer九
P.De.J.MassSpcctrom.,1996,31:1119一1125
[4]戴新华,李红梅,齐韬.’临床检验量值溯源及标准物质的研究现
状.化学分析计量,2007。16(5)[5]DeBrabandere,V.L,Vemnique,L,Thienpont,L地,Stockl,
[8]戴新华,杨梦瑞,全灿,徐锐锋,李红梅。方向.液相色谱一同位
素稀释质谱法准确测定血清中的尿酸.计量技术,2008(10)
微透镜阵列的计量标准化
胡
凯1
蒋向前1’2
刘晓军1
(1.华中科技大学机械学院仪器系,武汉430074;2.哈德斯菲尔德大学,英国哈德斯菲尔德HDl3DH)
摘要分析了连续表面微透镜阵列的几何参量和光学性能的检测方法,介绍了最新的IS014480系列标准。针对典型的微镜阵列元件,给出其详细结构尺寸,从而建立了一套通过测试元件的几何参量、加工误差来综合评估微光学元件性能的方法。
关键词微光学元件;检测;几何参数
DOI:10.3969/j.issn.1000—0771.2009.09.004
0引言
微透镜阵列是阵列光学器件中一类重要的光学元件,它是一系列孔径在几个微米至几百微米的微小型透镜按一定排列组成的阵列。根据其光学原理的不同,基本上可以将微透镜分成两种:基于
1
ISO系列标准
大多数微镜的检测和评定方法包括几何参量
分析和光学属性评定。光学属性参数表征了微透镜阵列的质量,而几何参数在许多情况下,相比较传统透镜和微透镜在尺寸和结构上有一个很大的不同。ISO组织集中于建立一个符合制造商和使用者双方面易于理解和共同使用的微透镜标准。ISO关于微透镜标准化研究开始于1991年TC
172/SC
光的折射理论的折射微透镜阵列和基于光的衍射
理论的衍射微透镜阵列…。当前随着现代技术的发展,人们要求光学元件小型化、集成化,微型透镜阵列作为新一代的光学元件在光学领域里得到了广泛的运用,然而对于检测微小尺寸的微镜,不可能使用与传统透镜同样的方法。例如由于微镜尺寸引起的光学性能问题,微透镜阵列的使用者和供应商不一定能使用相同的测量方法和评定标准,所以需要共同协议制定标准来满足日益增长的市场需要。。
为了改善这种困境,ISO组织在过去的几年里提出和建立了微镜和微镜阵列的测量术语、检验方法。本文介绍这些发展过程和标准化的趋势,并给
的日本神户会议。共分成了4个部分,并于2001年
6月在宝尔德会议中全部完成(详见表1)口J。
表l
DINENIS014880—1—2001
IS014880
Optics
and
显微透镜系列第1部分:词汇
Microlens锄ys—Part
VocabularyOpticsand
photonics--
1:
photonics—
DINENIS014880—2—2005
出一个微镜阵列几何参数计量的实例。
光学和光子学.显微物镜系列.第2部分:波像差的试验办法
Microlensarrays—Part2:Testfront
methods
for
wave.
aberrationsfIS0
14880—2:2006);Ger-
mall
version
EN
IS0
14880—2:2006
iJ-i技术2009.No
9
・
13・
万方数据
续表
光学和光子学.Opticsand
photonics—
显微物镜系列.Mierolensarrays—Part3:IS0
第3部分:不同Test
methodsforDINENoptical
14880—3—于波像差的光propertiesother
than
学特征的试验wavefront
2006
aberrations(ISO
办法
(ISO
14880—3:2006)English
14880..3--
versionof
DIN
EN
IS0
2006)
14880—3:2006—08
光学和光子学.Optics
and
photonics—
显微物镜系列.Microlensarrays—Part4:DINENISO第4部分:几何Testmethodsforgeomet・14880—4—学特征的试验rieal
properties
(ISO
2006
办法(ISO
14880—4:2006)English
14880—4—
vemion
of
DlN
EN
IS0
2006)
14880—4:2006—08
2微透镜表面轮廓重要几何参数
2.1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,即实际制作的元件面形与设计面形之间存在的差异,很大程度上它决定了微透镜的光学性能。测量的微透镜单元的实际面形轮廓,用最小二乘法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0.05Ixm。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
,=矗‰
㈩
式中,,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。2.2阵列均匀性
微透镜阵列各子单元之间的光学性能的一致性是评价其质量好坏的一个非常重要的指标。通常情况下,光刻设备、刻蚀设备空间内的不均匀以及加工误差的存在导致制作出的不同区域各微透
・14・
万方数据
镜单元之间略有差异,这种差异一般都被控制在允许范围内,但特殊情况下,基片加工质量较差或者
胶层不均匀等往往导致阵列中某一个或几个透镜单元质量与别的单元相差大,因而阵列均匀性较差。实际测量中利用中低倍率光学显微镜观察阵列元件表面,检查有无一致性较差的区域,进而对
阵列元件不同区域抽样得到多个测量值,分析其均
匀性。例如,抽样测量单元透镜的浮雕深度,利用式(1)计算出对应单元的焦距,定义焦距均匀性误差为
,
盯,_业生』竺×100%
一f
J
(2)
{
式中,L,为微透镜阵列子单元焦距最大值;丘;。为
最小值;f为焦距平均值。
2.3填充因子
微透镜填充因子(或称有效占空比),就是指微
透镜所占面积与其整个阵列面积之比。微透镜阵列的排列方式根据基底形式和有效占空比的需要也可以有多种。如图l所示,其中D为基底的直径(或边长);Z为间距(单位:mm)。
二L
一⑦OoO
oo
Oo口口
(a)方形阵列
(b)菱形排列
(c)方底微透镜
的方形排列
图l
圆形、方形基底微透镜的不同排列方式
其中图1(a),(b)所示的排列方式的微透镜阵列的有效占空比K可表示为
—器D
(
+Z)2
(4)、…
图1(c)所示排列方式的微透镜阵列的有效占空比
K可表示为
如志D
(
+)2
l(5)、一
3
实际测量方法和评定方法
为了验证以上的标准定义测量了1组微镜阵列
盐量蕉垄2Q螋:坠窆
图2实验图像及结果
图像,其设计指标为:中心波长0.6328la,m;子孔径间距Z为0.25mm;微镜直径D为0.5mm;阵列数5×5;焦距6.7mm;球面面形,理论填充因子为34.89%。在本研究中使用的数据由WYKON鸭000非接触i维测量仪得到,测试结果如图2。
在大多数情况下,微透镜阵列采用圆形基底形式,确定微镜阵列的几何参数的常用方法如下。一是传统的统计方法,它是在最小二乘的意义上,寻求最佳拟合的点集,这通常是一个非线性问题,因此需要利用迭代的方法进行求解,如果初始值选取得不合适,就难以保证算法的收敛性和高效性;二是重心法,即对圆形图像进行边缘提取获得清晰轮廓,可以认为圆心是圆形图像的灰度重心,求出的重心坐标即为圆心坐标,但是当外界光照明不均匀时,则边缘图像各径向截面上灰度分布有很大差异,从而带来测量误差。另外,由于参与运算的点数多,所以运算速度较慢;三是各种形式的霍夫变换被广泛应用于圆孔或圆弧中心坐标和半径等特征参数的求取,其精度高、抗噪能力强,但它存储的数据量大,运算速度慢,使用时需要加以改进。以上方法有些文章已经探讨过。本文提供2种确定微镜阵列的几何参数的方法。
3.1
周期信号,则其自相关数也具有周期性,且两者的周期相同。自相关函数提供了估计信号周期值的一种方法。
2)信号延迟后其自相关函数保持不变。即信号髫(k)的自相关函数与它的延迟信号的自相关函数完全相同。
3)白噪声的自相关函数具有原点集中性。自相关函数用于周期检测时具有一定的抗噪性。在自相关生成的波形附近寻找峰值,用自相关函数中的第一个峰值的位置来估算微镜的阵列间距,并利用上式(4)可求得微透镜填充因子。3.2改进的Hough变换快速检测法
Hough变换是一种用于区域边界形状描述的方法,它将图像空间变换到参数空间,用大多数边界点满足的某种参数形式来描述图像中的曲线。通过设置累加器,求得对应峰值点,获取所需参数。它的基本思想是证据积累,一般情况下圆参数空间为三维的,在i维积累空间上进行证据累加的时间空间消耗是非常大的,为此,提出了改进的Hough变换快速检测法。
假设希望在图像平面x—l,考察并确定一个
圆。令{(戈i,Yi)Ii=1,2,3,…,n}为图像中点的集
合,(菇,Y)为集合中的一点,它在参数坐标系(a,b,
利用自相关函数确定微镜阵列的几何参数应用自相关函数从噪声中检测周期的基本原
r)中方程为
(石一口)2+(Y一6)2=r2
(6)
理如下:将测量的RGB原始图像转化为灰度图像,二维矩阵代表的灰度图像,用矩阵的值表示高度信息,取水平轮廓的均值得到离散数字序列为z(k)。
该轮廓信号存在干扰,基于理想间距是一恒定值(即理想轮廓为一周期信号),它的自相关函数具有如下性质。引:
1)自相关函数具有周期保持性。如果茗(后)是
1)根据边缘提取后的网孔图像,利用圆的重心即圆心原理,可以求出初始圆心坐标。这样便可以在Hough变换时,将圆心累加范围,限制在初始圆心坐标附近,大大减少了无效累积。
2)在参数空间(a,b,r)中,将r设为递增变量,每一步迭代都先固定r,在垂直于r的(a,b)平面上
・
15・
万方数据
求对应于圆心为(筇;,Y;)的圆周各点,并将轨迹上的点在与此平面映像的一个二维累积阵列上的相应点上累加。采用粗细结合的累加策略。先采用较大的量化间隔,比如2个像素,进行粗累加,进一步缩小圆心范围,接着采用小量化间隔,比如0.5个像素,在粗累加确定的结果上进行细累加,达到精确检测的目的。
3)由常识来确定r的可能变化范围以减少计算量,r从零开始递增直到平面所能容纳的上限,每次递增均有一平面映像与之对应。
D
C
图3算法几何示意图
如图3所示,对上述各直线求出各自的垂直平
分线,再与图像映像的累积阵列进行增值操作。事
实上,并不需要画出各直线和它们的垂直平分线,可利用图中A,B,C点的坐标值(K,Y。),(戈6,Y。),(并。,Y。)求出AB和Bc两线段的中点坐标值
(半,半),(半,半忡通过这两
点的法线方程
(髫一半)(Xa--Xb,+(y一半)c儿嘲瑚
(7)
(戈一半)(Xc--Xb,+(,,一半)(儿一Y6)_0
(8)
解此方程组可得出两直线的交点,在与图像映像的二维累加阵列中对与该交点对应的单元进行增值操作。在对Ⅳ条直线完成此类操作后,统
计累加阵列中各存储单元(zi,Yi)的累加值,最大
者即为圆心坐标(m,n),各点到圆心坐标距离的均值为r
r=专∑以F丽下研(9)
由于在物体轮廓中是按一定的间隔选择边缘
・
16・
万方数据
点来构成连接弦的,这样可根据实验中的实际时间限制调整间隔以提高变换速度。用改进的Hough变换快速检测法检测微镜阵列的中心位置,检测误差和执行时间分别都有所优化,并继承了传统Hough变换精度高、抗噪能力强的优点。
表2列出了两种算法的测试结果可以看出,改进Hough算法测试结果和光学性能指标测量两方面检测结果在评价微透镜阵列质量上是一致的。表2
几何参量测试结果
间距l
方法
圆形基底填充因填充因直径D/mm
mm
子%
子误差
改进Hough算法
O.5l
O.28
36.34
4%
自相关函数算法
0.490.2534.421.3
4结论
本文介绍了微镜及微镜阵列ISO国际标准制定
以及几何特征、表面轮廓评定和光学特征评定应用于微镜及微镜阵列的发展趋势。由于几何参量及加工误差直接导致和反映了微透镜光学性能上的优劣,因此有针对性的检测微透镜阵列的几何参量,例如面形误差、填充因子、阵列均匀性等,可以用于指导透镜的加工,提高质量。另一方面,光学性能则是微透镜阵列质量的综合反映。通过对微透镜阵列几何参量的检测对其光学性能进行综合评价,控制加工误差,可以全面反映微透镜阵列元件的性能。
参考文献
[1]DalyDMicrolensArrays[M].London:TaylorandFrancis,2001[2]TMiyashita。Standardization
for
Microlenses
andMicrolensArrays
[J].JAPANESEJOURNALOFAPPLIEDPHYSICS,2007
[3]赖建军,柯才军。陈四海,等.微透镜阵列的制作及其与图像传
感器的集成【J].半导体光电,2004(3)
[4]A.Figueroa,P.Tsai,E.Bent,andmGuo.RobustSpotsFinding
inMicroarray
Images
withDistortions.Proc.30thAnnumInterna-
tionalConferenceof
theIEEEEngineeringin
Medicine
andBiology
Society(EMBC08)。Vancouver,BC,Canada,August2008:1339
—1342
[5]戴亚文,王三武,李金龙.基于图像处理技术复杂仪表的自动识
别(J].计量技术,2003(12)
微透镜阵列的计量标准化
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):引用次数:
胡凯, 蒋向前, 刘晓军
胡凯,刘晓军(华中科技大学机械学院仪器系,武汉,430074), 蒋向前(华中科技大学机械学院仪器系,武汉,430074;哈德斯菲尔德大学,英国哈德斯菲尔德HD1 3DH)计量技术
MEASUREMENT TECHNIQUE2009,""(9)0次
参考文献(5条)
1.Daly D Microlens Arrays 2001
2.T Miyashita Standardization for Microlenses and Microlens Arrays 2007
3.赖建军.柯才军.陈四海 微透镜阵列的制作及其与图像传感器的集成[期刊论文]-半导体光电 2004(03)4.A Figueroa.P Tsai.E Bent.R.Guo Robust Spots Finding in Microarray Images with Distortions 20085.戴亚文.王三武.李金龙 基于图像处理技术复杂仪表的自动识别[期刊论文]-计量技术 2003(12)
相似文献(10条)
1.学位论文 张艳 数字刀口检测技术的研究 2004
论文阐述了国内外在光学元件面形检测的研究现状,介绍了各种光学元件面形的常用检测方法,明确了数字刀口检测技术这一研究课题的现实意义和实际应用价值,详细介绍了数字刀口检测的关键技术,并利用数字刀口检测技术对大口径光学元件和微光学元件进行了实验验证.所取得的主要研究成果包括:一、根据刀口检测的原理,比较分析了刀口切割理想像点和实际像点的图像差异,明确提出了刀口检测中暗场阈值的概念,首次给出了相应的数学表达式.二、结合具体的象素灰度随刀口位置变化的关系曲线,经过分析比较,首次选用了Boltzman模型进行曲线拟合,并给出了相应的数值计算方法.选择Boltzman模型有以下优点:不仅模型中各参数的物理意义明确,而且能简化计算过程,减小了计算量.三、针对大口径光学元件的特点,结合数字刀口检测技术的实验思想,抓住实际面元相对于理想面元的相对倾斜角这一核心参量,首次建立了大口径光学元件面形的数字刀口检测的几何模型,该模型具有形式简单,适用性广的优点.四、针对在微光学元件的刀口检测中,阴影图不易识别的难题,根据反复实验和深入思考,提出了微光学元件阴影图的动态识别法.五、根据建立的几何模型,确定了实验方案的选择,完成了实验装置设计,建立了数字刀口检测的实验装置.通过实验测量证实能够恢复出完整的被检测面形的三维图像,进而可求出被检面形质量评价的有关参数,真正实现了定量、高速、精确的数字化检测,使刀口检测取得了突破性的技术进步.六、自行编制了一套进行数字刀口检测处理分析的程序,使得对大口径光学元件,微光元件的数字刀口检测具有兼容性,具有去离焦处理、面形重构的功能,能计算得到各项面形检测的评价参数:P-V值,RMS值.
2.期刊论文 张艳.张蓉竹.董军.张均.蔡邦维 微光学元件面形的数字刀口检测技术 -强激光与粒子束2004,16(2)
微列阵光学元件的质量评价是光学测量中的一项新课题.将传统的刀口检测技术进行数字化改进后,用于微光学元件的面形检测,具有实时、定量、精度高的特点,在光学元件质量评价中有着重要意义.介绍了应用数字刀口检测反射式微镜列阵面形质量的原理和实验装置,详细论述了对CCD采集的阴影图进行图像处理的关键步骤:(1)精确测定每个像素的暗场阈值所对应的刀口位置;(2)确定与像素相应的面形区域的倾角误差;(3)对面形进行重构.最后结合具体实验进行了分析和讨论,实验所测得的面形误差为nm量级.
3.学位论文 张玉虹 用按需滴定技术制备聚合物折射微透镜阵列 2005
本论文主要包括四部分内容:第一章扼要地阐述微透镜阵列的发展状况及其在军事、工业领域的应用。由于它的广泛应用和市场需求,对制备方法的研究成为人们最为关注的研究内容。为此在本章我又简单地介绍了几种制备技术并分析了其优缺点。第二章分为两部分,第一部分主要阐述液体表面张力理论及溶液的表面张力与溶液浓度的关系,它是微透镜形成的物理基础;第二部分介绍透镜成像的波象差理论,它是微透镜质量评价的重要依据。第三章主要描述平凸折射微透镜阵列的性质和制备微透镜阵列的工艺,并详细地讨论了改善微透镜形状的方法及微透镜的形成机理。第四章对微透镜阵列的均匀性、波象差及透镜表面粗糙度等指标作出检测,详细地论述了对上述参数的测试方法及测试结果。我们分别用原子力显微镜检测了这些微透镜的面形质量;用CCD成像的方法测试了微透镜阵列的均匀性;用麦克尔逊干涉仪对波象差进行了测量。测量结果表明,制备的微透镜阵列具有很好的尺寸一致性(其焦距均匀性偏差小于2.1﹪),但制作的微透镜阵列有一定的非球面形状,这是由单体在聚合过程中体积收缩引起的。
4.期刊论文 邓启凌.杜春雷.王长涛 连续表面微透镜列阵元件检测 -光子学报2004,33(11)
系统分析了连续表面微透镜列阵的几何参量和光学性能的检测方法和评价标准,针对典型的折射型聚焦列阵元件,给出其结构尺寸及光学性能的测试结果,两者结果一致.从而建立了一套通过测试元件的几何参量、加工误差及光学性能指标来综合评估微光学元件性能的方法.
5.学位论文 孙晓慧 飞秒激光加工微光学元件 2004
本论文主要对飞秒激光加工微光学元件进行了研究.建立了两套飞秒激光直写系统并利用所建系统加工微光学元件.两套系统分别是飞秒倍频激光直写系统和飞秒激光直写系统.本研究主要取得以下方面的进展:1.首次在实验上设计和建成了一套飞秒激光倍频光直写系统.我们首次利用低功率飞秒激光倍频光与光刻胶发生作用进行微光学元件加工.以Ti:sapphire飞秒激光振荡器作光源,倍频光的获得通过相位匹配角为29.6°的BBO倍频晶体;采用倒装望远会聚系统与聚焦系统相结合的光学系统;利用LabVIEW语言编写了各种光栅程序控制二维移动平台.利用所建的飞秒激光倍频光直写系统,在实验上获得了周期为62μm,线宽为4μm的光栅.同时,我们采用重叠写入的方式加工得到周期为248μm,线宽为95μm的光栅.对于实验结果的分析,采用了光学显微镜、台阶仪等实验手段进行检测和测量.从实验结果看出,飞秒激光倍频光直写系统提供了一种加工微光学元件的新方法,而且加工得到了很好的加工质量,实现了锐利清晰的光刻图案的边界,便于提高微光学器件的加工精度.2.建立了一套飞秒激光直写系统.利用低功率飞秒激光直接烧蚀加工光刻胶掩模板,再通过光刻技术制作微光学元件.光敏材料光刻胶的感光范围在紫外区域,而飞秒激光之所以能对光刻胶产生作用,除了飞秒激光的热效应导致的烧蚀作用外,还可能包括飞秒激光诱导光刻胶发生的双光子吸收机制.实验上得到了线宽5.5微米,周期为23μm的光栅.以重叠写入的方式获得线宽为18μm光栅周期为36μm的光栅.此外,实验比较了采用数值孔径分别为0.1、0.25、0.65的显微物镜对飞秒激光束进行聚焦,比较分析加工得到的光刻胶表面浮雕的差异,发现飞秒激光与光刻胶的相互作用符合阈值模型,并且在激光功率密度较低的情况下诱发双光子吸收现象.
6.学位论文 李同海 聚合物微透镜及其阵列的研究 2006
微透镜阵列是主要的微光学元件之一,玻璃透镜阵列已经有相当长时间的研究,也发展得比较成熟,但其成本昂贵,加工工艺复杂,广泛应用受到一定的限制。近年来,随着聚合物光学材料的发展,用该材料制备微光学元件的生产技术成为人们感兴趣的研究课题,特别是梯度折射率的光学聚合物
微透镜阵列的计量标准化
作者:
作者单位:
刊名:
英文刊名:
年,卷(期):
引用次数:胡凯, 蒋向前, 刘晓军胡凯,刘晓军(华中科技大学机械学院仪器系,武汉,430074), 蒋向前(华中科技大学机械学院仪器系,武汉,430074;哈德斯菲尔德大学,英国哈德斯菲尔德HD1 3DH)计量技术MEASUREMENT TECHNIQUE2009,""(9)0次
参考文献(5条)
1.Daly D Microlens Arrays 2001
2.T Miyashita Standardization for Microlenses and Microlens Arrays 2007
3.赖建军.柯才军.陈四海 微透镜阵列的制作及其与图像传感器的集成[期刊论文]-半导体光电 2004(03)
4.A Figueroa.P Tsai.E Bent.R.Guo Robust Spots Finding in Microarray Images with Distortions 2008
5.戴亚文.王三武.李金龙 基于图像处理技术复杂仪表的自动识别[期刊论文]-计量技术 2003(12)
相似文献(10条)
1.学位论文 张艳 数字刀口检测技术的研究 2004
论文阐述了国内外在光学元件面形检测的研究现状,介绍了各种光学元件面形的常用检测方法,明确了数字刀口检测技术这一研究课题的现实意义和实际应用价值,详细介绍了数字刀口检测的关键技术,并利用数字刀口检测技术对大口径光学元件和微光学元件进行了实验验证.所取得的主要研究成果包括:一、根据刀口检测的原理,比较分析了刀口切割理想像点和实际像点的图像差异,明确提出了刀口检测中暗场阈值的概念,首次给出了相应的数学表达式.二、结合具体的象素灰度随刀口位置变化的关系曲线,经过分析比较,首次选用了Boltzman模型进行曲线拟合,并给出了相应的数值计算方法.选择Boltzman模型有以下优点:不仅模型中各参数的物理意义明确,而且能简化计算过程,减小了计算量.三、针对大口径光学元件的特点,结合数字刀口检测技术的实验思想,抓住实际面元相对于理想面元的相对倾斜角这一核心参量,首次建立了大口径光学元件面形的数字刀口检测的几何模型,该模型具有形式简单,适用性广的优点.四、针对在微光学元件的刀口检测中,阴影图不易识别的难题,根据反复实验和深入思考,提出了微光学元件阴影图的动态识别法.五、根据建立的几何模型,确定了实验方案的选择,完成了实验装置设计,建立了数字刀口检测的实验装置.通过实验测量证实能够恢复出完整的被检测面形的三维图像,进而可求出被检面形质量评价的有关参数,真正实现了定量、高速、精确的数字化检测,使刀口检测取得了突破性的技术进步.六、自行编制了一套进行数字刀口检测处理分析的程序,使得对大口径光学元件,微光元件的数字刀口检测具有兼容性,具有去离焦处理、面形重构的功能,能计算得到各项面形检测的评价参数:P-V值,RMS值.
2.期刊论文 张艳.张蓉竹.董军.张均.蔡邦维 微光学元件面形的数字刀口检测技术 -强激光与粒子束2004,16(2) 微列阵光学元件的质量评价是光学测量中的一项新课题.将传统的刀口检测技术进行数字化改进后,用于微光学元件的面形检测,具有实时、定量、精度高的特点,在光学元件质量评价中有着重要意义.介绍了应用数字刀口检测反射式微镜列阵面形质量的原理和实验装置,详细论述了对CCD采集的阴影图进行图像处理的关键步骤:(1)精确测定每个像素的暗场阈值所对应的刀口位置;(2)确定与像素相应的面形区域的倾角误差;(3)对面形进行重构.最后结合具体实验进行了分析和讨论,实验所测得的面形误差为nm量级.
3.学位论文 张玉虹 用按需滴定技术制备聚合物折射微透镜阵列 2005
本论文主要包括四部分内容:第一章扼要地阐述微透镜阵列的发展状况及其在军事、工业领域的应用。由于它的广泛应用和市场需求,对制备方法的研究成为人们最为关注的研究内容。为此在本章我又简单地介绍了几种制备技术并分析了其优缺点。第二章分为两部分,第一部分主要阐述液体表面张力理论及溶液的表面张力与溶液浓度的关系,它是微透镜形成的物理基础;第二部分介绍透镜成像的波象差理论,它是微透镜质量评价的重要依据。
第三章主要描述平凸折射微透镜阵列的性质和制备微透镜阵列的工艺,并详细地讨论了改善微透镜形状的方法及微透镜的形成机理。第四章对微透镜阵列的均匀性、波象差及透镜表面粗糙度等指标作出检测,详细地论述了对上述参数的测试方法及测试结果。我们分别用原子力显微镜检测了这些微透镜的面形质量;用CCD成像的方法测试了微透镜阵列的均匀性;用麦克尔逊干涉仪对波象差进行了测量。测量结果表明,制备的微透镜阵列具有很好的尺寸一致性(其焦距均匀性偏差小于2.1﹪),但制作的微透镜阵列有一定的非球面形状,这是由单体在聚合过程中体积收缩引起的。
4.期刊论文 邓启凌.杜春雷.王长涛 连续表面微透镜列阵元件检测 -光子学报2004,33(11)
系统分析了连续表面微透镜列阵的几何参量和光学性能的检测方法和评价标准,针对典型的折射型聚焦列阵元件,给出其结构尺寸及光学性能的测试结果,两者结果一致.从而建立了一套通过测试元件的几何参量、加工误差及光学性能指标来综合评估微光学元件性能的方法.
5.学位论文 孙晓慧 飞秒激光加工微光学元件 2004
本论文主要对飞秒激光加工微光学元件进行了研究.建立了两套飞秒激光直写系统并利用所建系统加工微光学元件.两套系统分别是飞秒倍频激光直写系统和飞秒激光直写系统.本研究主要取得以下方面的进展:1.首次在实验上设计和建成了一套飞秒激光倍频光直写系统.我们首次利用低功率飞秒激光倍频光与光刻胶发生作用进行微光学元件加工.以Ti:sapphire飞秒激光振荡器作光源,倍频光的获得通过相位匹配角为29.6°的BBO倍频晶体;采用倒装望远会聚系统与聚焦系统相结合的光学系统;利用LabVIEW语言编写了各种光栅程序控制二维移动平台.利用所建的飞秒激光倍频光直写系统,在实验上获得了周期为62μm,线宽为4μm的光栅.同时,我们采用重叠写入的方式加工得到周期为248μm,线宽为95μm的光栅.对于实验结果的分析,采用了光学显微镜、台阶仪等实验手段进行检测和测量.从实验结果看出,飞秒激光倍频光直写系统提供了一种加工微光学元件的新方法,而且加工得到了很好的加工质量,实现了锐利清晰的光刻图案的边界,便于提高微光学器件的加工精度.2.建立了一套飞秒激光直写系统.利用低功率飞秒激光直接烧蚀加工光刻胶掩模板,再通过光刻技术制作微光学元件.光敏材料光刻胶的感光范围在紫外区域,而飞秒激光之所以能对光刻胶产生作用,除了飞秒激光的热效应导致的烧蚀作用外,还可能包括飞秒激光诱导光刻胶发生的双光子吸收机制.实验上得到了线宽5.5微米,周期为23μm的光栅.以重叠写入的方式获得线宽为18μm光栅周期为36μm的光栅.此外,实验比较了采用数值孔径分别为0.1、0.25、0.65的显微物镜对飞秒激光束进行聚焦,比较分析加工得到的光刻胶表面浮雕的差异,发现飞秒激光与光刻胶的相互作用符合阈值模型,并且在激光功率密度较低的情况下诱发双光子吸收现象.
6.学位论文 李同海 聚合物微透镜及其阵列的研究 2006
微透镜阵列是主要的微光学元件之一,玻璃透镜阵列已经有相当长时间的研究,也发展得比较成熟,但其成本昂贵,加工工艺复杂,广泛应用受到一定的限制。近年来,随着聚合物光学材料的发展,用该材料制备微光学元件的生产技术成为人们感兴趣的研究课题,特别是梯度折射率的光学聚合物
材料。由于相对无机光学材料,它们的生产成本低廉,生产工艺简单,市场潜力很大。
聚合物微透镜阵列的主要制备方法有熔融光刻胶、灰度掩膜、热压模成形、溶胶一凝胶和光诱导交联聚合等方法。除此以外,还有一种制备折射微透镜阵列的新方法——微喷打印法,它是由喷墨打印原理发展而来的。本文就是采用该方法制备微透镜阵列,利用自制的移动误差在1μm以内的微喷打印装置,通过反复试验摸索出了适合该生产方法的工艺流程。主要内容包括微喷打印方法的理论基础,微透镜阵列的光学特性分析,微透镜阵列的研制及其综合性能测试。
本文阐述了透镜的透过率、表面轮廓、阵列均匀性、焦距、波像差、表面粗糙度等参数的测试方法,得到了很好的测试结果:透过率在可见光范围内都在90﹪以上;表面轮廓基本上呈球形对称;制备的微透镜阵列具有很好的尺寸一致性(其焦距偏差小于1.8﹪);光学像差的检测结果表明,微透镜阵列具有一定的非球面形状;热处理后所得透镜的表面粗糙度为Pa:0.8nm;Ry:11.4nm;Rz:11.4nm;掺杂型微透镜阵列的荧光效果也很好,有望制备生物医学传感器和光纤放大器。以上结果表明,该方法制备的微透镜阵列具有很好的光学性能,应用前景光明。
近几年来,美国、日本、德国和韩国等国家都在竞相研究微喷打印技术用于微光学元件的生产,并已经有部分商品问世,但在国内尚未见有关这种技术制备微透镜阵列的报道。本研究以填补国内空白作为研究的指导思想,根据现有设备条件,成功地实现了阵列微透镜的制作,探索出一套批量生产的工艺,并对制作的微透镜性能进行测试评价,为将来的批量生产提供了参数依据。
7.期刊论文 高洪涛.杜春雷.张雨东.GAO Hong-tao.DU Chun-lei.ZHANG Yu-dong 评价任意面型微光学元件制作误差的方法 -微细加工技术2007,""(4)
提出一种可用于评价任意面型微光学元件制作误差的方法.利用泽尼克多项式描述微光学元件面型,针对元件检测过程中的旋转对准偏差,给出泽尼克系数随旋转角度的变化关系;以设计面型和实测面型之间的均方根偏差(RMS)为加工误差的评价指标,根据其相对于旋转角度的依赖曲线,最小的RMS即是加工误差.数值模拟结果表明,该方法可以将旋转对准偏差矫正,从而有效地评价了制作误差.该方法可应用于任意面型微光学元件的研制.
8.学位论文 刘岩 基于白光显微干涉术的微轮廓检测与三维重建 2007
随着大规模集成电路、微光学元件、微机械等技术的不断发展,对微结构表面形貌的测量显得越来越重要。在各种微观表面形貌测量方法中,光学测量法不仅能实现高精度的快速非接触测量,而且系统结构简单,成本较低,因此在该领域受到了人们的极大关注,并得到了迅速发展。
白光扫描干涉测量是光学测量中一种非常重要的方法,与激光干涉测量相比不受相位模糊的影响。白光扫描干涉测量信息提取大多采用对比度法、移相法,而本文采用一种快速空间频域算法,它具有噪声抑制能力强,数据利用效率高,光谱色散补偿等特点,因而更适用于实际检测系统。
首先,本论文设计和建立了微表面三维形貌检测系统装置,改善了照明成像系统,提高了干涉条纹的对比度;制作了PZT 专用驱动模块并编写了开环控制程序,保证了扫描系统的步进精度。其次,分析了各种重建算法的优缺点,并重点阐述了快速空间频域算法的原理和实现方案。最后,采用MATLAB 软件进行数据处理和三维重建,获得了光纤连接器的表面轮廓。
实验表明,所设计的一维扫描系统分辨率高、纹波小、性能稳定,计算机控制位移精度可达2.2nm ,测量系统轴向扫描测量行程5 m μ,横向测量范围2 3.0 2.5mm ×。对光纤连接器端面的顶点偏移、凹陷和曲率半径等参数的多次测量显示,系统的测量精度高于光纤连接器的实际工艺要求;光纤连接器端面的三维重建证明,快速空间频域算法的综合效率明显高于其它方法。
9.期刊论文 孙晓慧.周常河.SUN Xiao-hui.ZHOU Chang-he 飞秒激光加工微光学元件的研究 -中国激光2006,33(1) 利用低功率飞秒激光振荡器进行材料表面加工的研究并将其应用于微光学元件的加工制作领域;对飞秒激光倍频光以及飞秒激光与光刻胶材料相互作用进行了实验;以光刻胶作为牺牲层进行表面加工获得了各种玻璃光栅及光掩模板;利用光学显微镜和原子力显微镜(AFM)对实验结果进行检测,得到微米量级的特征线宽;所得光栅的光学性能通过He-Ne激光器进行检测,实验结果与理论值一致.该研究为微光学元件的加工制作提供了新的方法.
10.学位论文 董里 基于PMAC的宽幅高速激光直写系统的控制研究 2008
激光直写技术作为一种先进的光学制作技术,已经在许多领域有了广泛的应用。从国内外激光直写系统的研究情况来看,其研究及应用领域略有不同,国外的研究工作集中在集成电路制造、微光学元件加工、激光直写布线技术、光学检测等领域。国内也有多家研究机构对激光直写系统及工艺进行了大量的研究,主要应用在数码光变图像制作、二元光学元件制作以及各种掩模板制作等领域。
本课题设计了一种高速度、大幅面的激光直写系统,在提高光刻幅面的同时,提升光刻速度,并且保证激光刻蚀精度,系统可以应用于单光束激光直写以及干涉型激光直写。本文采用直线电机控制直写平台运动,并且使用高精度光栅尺实现全闭环定位控制。针对高性能直线电机的控制特点,使用PAMC多轴控制卡对激光直写多轴运动系统实现了高速、高精度的控制。本系统达到的点与点间的精度为1um,点内精细度为0.5um,逐点光刻速度可达500dots/s,矢量化速度可达3000dots/s。利用半导体泵浦全固态脉冲激光器(DPSSL)作为光源,在VC++6.0中把图像文件转换成PMAC控制信号,从而控制激光脉冲输出和运动系统的运行,并采用连续脉冲曝光模式进行了高速干涉光刻直写实验,获得了最大幅面为800mm×610mm具有动态或立体效果的宽幅衍射光变图像。
本系统已达到工程化水平,具有很高的工业化价值,上述技术指标处于行业领先水平。目前本系统已可以实现大面积点阵正交彩虹全息图及其通用光柱版的制作,并通过后续工艺把所得产品成功投入市场。本文对单光束激光直写在大规模集成电路制造以及激光紧密加工领域的应用也作了一些探索性的研究。
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jljs200909004.aspx
下载时间:2010年6月21日