中华人民共和国国家标准
GB/T41869.2—2022
光学和光子学 微透镜阵列第2部分：波前像差的测试方法
Optics and photonics-Microlens array- Part 2:Test methods for wavefront aberrations
(ISO 14880-2:2006,MOD)
2023-05-01实施
2022-10-12发布 目 次
前言引言 1范围 2 规范性引用文件 3 术语和定义
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测试装置及设备 4.1 概述 4.2 照明光源 4.3 标准透镜 4.4 准直镜 4.5 缩束光学系统 4.6 孔径光阑 5 测试前准备
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EE
测试原理及程序 6.1 测试方法的选择 6.2 干涉测量法 6.3 夏克-哈特曼波前传感器测量方法 7测试结果 .+0++00 附录A（资料性）横向剪切干涉测量法 A.1测试装置及测试设备 A.2测试原理及程序附录B（资料性）微透镜阵列一致性测量方法 B.1测试装置及测试设备 B.2测试原理及程序 B.3微透镜阵列波像差的同时测量参考文献
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EEE
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12 13
14 前言
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件是GB/T41869《光学和光子学微透镜阵列》的第2部分。GB/T41869已经发布了以下部分：
一第1部分：术语：一第2部分：波前像差的测试方法。 本文件修改采用ISO14880-2：2006《光学与光子学微透镜阵列第2部分：波前像差的测试
方法》。
本文件与ISO.14880-2：2006相比做了下述结构调整：一第3章对应ISO14880-2：2006中的第3章和第4章；第4章对应ISO14880-2：2006中的第5章；第5章对应ISO14880-2：2006中的7.3、7.4；
第6章对应ISO14880-2:2006中的第6章、第8章、附录A、附录B、附录D和附录E的部分内容，其中6.1对应ISO14880-2：2006中的第6章、第8章及规范性附录A的微透镜阵列测量要求，6.2.2.1对应ISO14880-2:2006中的规范性附录B的马赫-曾德干涉测量的两种方法， 6.2.2.2对应ISO14880-2：2006中的规范性附录E的泰曼-格林微透镜阵列测量法，6.3对应 ISO14880-2:2006中的规范性附录D的夏克-哈特曼波前传感器测量法；第7章对应ISO14880-2:2006中的第9～11章，其中7.1.1～7.1.3对应ISO14880-2：2006中的第9章，7.1.4对应ISO14880-2：2006中的第10章，7.1.5对应ISO14880-2：2006中的第11章。
本文件与ISO14880-2：2006的技术差异及其原因如下： a）删除了ISO14880-2：2006表1中@的缩写术语及符号，全文均未出现该参数故删除； b）删除了ISO14880-2：2006"术语和定义”引导语的引用文件ISO14880-1，同时将表1的符号更
改为术语和定义形式列人第3章； c）将ISO14880-2：2006中5.2的注调整为条文［见4.2d)、4.2e)，以适应我国技术条件； d) 删除了ISO14880-2：2006中7.1、7.2相关内容，微透镜阵列和微透镜单元的程序相同，只有数
据处理方法不同： e）删除了ISO14880-2:2006附录B中的测试结果示例图B.3、图B.4、图B.5及图B.6，因为测试
结果的示例图具有特殊性，故删除以增强标准通用性； f) 更改了ISO14880-2:2006规范性附录C、附录F的性质，均改为资料性附录（见附录A、附录
B），以适应我国技术条件。 本文件的某些内容可能涉及专利，本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中国机械工业联合会提出。 本文件由全国光学和光子学标推化技术委员会（SAC/TC103）归口。 本文件起草单位：中国兵器工业标准化研究所、电子科技大学。中国科学院重庆绿色智能技术研究
院、南京迈得特光学有限公司、西安西谷微电子有限责任公司、浙江伟星光学有限公司·上海瑞立柯信息 引言
微透镜阵列是阵列光学器件中一类重要的光学元件，以单个透镜、两个或多个透镜阵列的形式，广泛应用于三维显示、与阵列光辐射源和光探测器相关的耦合光学、增强液晶显示和光并行处理器元件。 随着科技不断进步，有必要制定一套技术内容与国际接轨的国家标准，这样既有利于推动我国微透镜阵列行业规范有序发展，又能更好地促进相关领域的贸易、交流和技术合作。GB/T41869《光学和光子学
微透镜阵列》就是在此背景下起草制定的，微透镜阵列标准拟由以下几个部分组成。
第1部分：术语。目的在于通过定义微透镜及其阵列的基本术语，促进微透镜阵列产品的应用。有助于科研工作和行业从业者在共同理解的基础上交流概念。 一第2部分：波前像差的测试方法。目的在于通过规范波前像差的测试方法，明确微透镜的基本性能特征。 第3部分：光学特性测试方法。目的在于通过确定光学特性重要指标的测试方法，为供货方产品交付提供依据。 一一第4部分：几何特性测试方法。目的在于通过确定几何特性重要指标的测试方法，为供货方产
品交付提供依据。 光学和光子学微透镜阵列第2部分：波前像差的测试方法
1范围
本文件描述了微透镜阵列中微透镜波前像差测试的测试装置及设备、测试前准备、测试原理及测试程序等内容。
本文件适用于在共同基底的内部或一个或多个表面上形成的由非常小的透镜组成的微透镜阵列的波前像差测试。
2规范性引用文件
2
本文件没有规范性引用文件。
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
波前像差 wavefront aberration $ 波前与理想球面波前或其他波前的偏差。 注：波前像差用波长来度量。
3.2
波前像差峰-谷值 peak-to-valley of wavefront aberration pp-v 波前与理想球面波前或其他波前偏差的峰-谷值。 注：波前像差峰-谷值用波长来度量。
3.3
波前像差均方根值 Iroot-mean-square wavefront aberration p rms 波前与理想球面波前或其他波前偏差的均方根值。 注：波前像差均方根值用波长来度量。 ［来源：GB/T41869.12022,3.2.4］
3.4
波长 wavelength 入 3.5
数值孔径 numerical aperture NA 透镜孔径相对焦点位置张角的半角正弦值。
4测试装置及设备
4.1概述
通用测试装置及设备主要包括照明光源，标准透镜，准直镜缩束光学系统，孔径光阑、传感器、干涉图样分析系统。
4.2照明光源
照明光源要求如下 a）用于测试微透镜波前像差的照明光源在微透镜孔径区域的波前像差均方根值应不大于十分之
一工作波长： b）需要明确光源的特性包括中心波长，光谱半宽度，光源类型，偏振态（随机偏振，线偏振、圆偏
振等），发散角（单位为mrad），光斑尺寸或束腰参数；照明光源的参数需要在试验报告中说明
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d）光源通常采用氨氛气体激光器，也使用其他气体激光器，固态激光器、半导体激光器（LD）和发
光二极管（LED）
e）半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）需经过波前像差补偿系统补偿后使用。 4.3标准透镜
标准透镜要求如下：
标准透镜用作参考，产生一个理想球面波或平面波，标准透镜的波前像差应至少比待测透镜的
a2
波前像差小一个数量级，或者均方根值应小于或等于^/10C为波长，单位为μm： b）用作标准透镜的光学显微镜物镜，应规定有效数值孔径，需要给出有效口径和工作波长处的
有效焦距； c) 波前像差测试中，微透镜阵列应与标准透镜共轭。
4.4准直镜
准直镜的数值孔径应大于待测样品的最大数值孔径，以避免衍射效应的影响。且在工作波长处的波前像差均方根值应小于入/20，其他参数都应在测试报告中描述。 4.5缩束光学系统
包含两个正透镜的望远系统应能使光束截面与阵列探测器匹配。焦距的比率就是缩束比。 注：被测透镜区域的直径能通过软件设置为有效孔径以避免额外物理孔径的衍射效应影响。
4.6孔径光阑 5测试前准备
5.1测试装置及设备应放置在控温环境中，并避免振动以获得一致的结果。 5.2＇待测微透镜表面应保持清洁。未镀膜光学玻璃表面可用酒精棉布进行清洁擦拭。棉絮接触表面前应先用少量溶剂浸泡，擦拭一次即丢弃。这样可最大限度地减少划伤表面的机会。灰尘需用干净的驼毛刷或过滤过的压缩空气清除。 5.3镀膜光学表面，如增透表面，应非常小心处理，除非绝对必要，否则不要清洗。可用过滤压缩空气除尘。 5.4应按有关指导正确使用溶剂、棉絮或其他擦拭材料。 5.5应设置或调节待测微透镜及其耦合光学系统与波前测量仪器同轴对准。
6测试原理及程序
6.1测试方法的选择 6.1.1微透镜波前像差测试方法的选择应与微透镜的应用场景相匹配，如单通道应用则应使用单通道的干涉仪进行测试。
注：现代干涉仪使用激光光源，考虑到干涉仪测试的安装设置，如果在反射光学辐射中选择双通道，就会导致一些
严重的问题。
6.1.21 微透镜波前像差的测试方法主要包括干涉测量法、夏克-哈特曼波前传感器测量法、横向剪切干涉测量法。横向剪切干涉测量法见附录A。通常干涉测量法和横向剪切干涉测量法通过直接测量光学相位而获得波前像差，适合需要高空间分辨率的波面测量：夏克-哈特曼波前传感器测量法通过测量波前斜率而获得波前像差，空间分辩率受限于子孔径数量，适合需要较大量程的波面测量。 6.1.3干涉测量法、夏克-哈特曼波前传感器测量法、横向剪切干涉测量法均可采用反射式和透射式测量。虽然透射式有利于抑制杂散光，提高测量信号的信噪比。但当测量系统中的透射光路无法排布时，如空间限制、被测透镜为反射式等，应采用反射式测量方法。
注：对于反射式系统，如果反射面为镜面，仅能测量波前像差的偶次波像差，例如球差、离焦等，但不能测量奇次波
像差，如彗差等。这种限制的原因是由于平面镜对聚焦光束反射造成的。
6.1.4干涉测量法一般按照干涉仪的种类，还可分为马赫-曾德干涉测量法、泰曼-格林干涉测量法等。 6.1.5微透镜阵列一致性指标是微透镜的重要参数，微透镜阵列一致性测试方法见附录B。 6.2干涉测量法 6.2.1测试原理
个理想的波面（球面波或平面波）分成两路，一路作为采样光束经过被测样品，另一路作为参考光
束，两光束合束后在探测器表面产生干涉条纹。具有理想波面的参考光束和携带像差信息的采样光束所形成的干涉条纹，经过图像处理（如相移法）可解算出微透镜像差。
为了提高精度，一般可采用与被测样品具有相近光焦度的补偿透镜，补偿透镜的面形，经过被测样品后使得采样光束接近平面波。
理想波面有效数值孔径应大于被测微透镜的数值孔径。 6.2.2测试程序 前面的孔径光阑调节光束尺寸：由半透反射镜1将光束分成两个光束；干涉仪测试臂的光束照射在光束整形物镜上，产生球面波前用于照射被测微透镜或者没有像差但大小相同的假想透镜；微透镜或假想透镜放置于共焦位置，在被测透镜的出瞳处产生近似平面的波前。该波前与平面参考波叠加，产生干涉图案；干涉仪出口处的成像物镜以合适的比例因子将透镜孔径锐利地成像到探测器上，以利用阵列探测器的大部分光敏区域，提供足够的采样数据用于表征透镜像差；干涉仪前面的物理孔径光阑应位于光轴上，与测试臂的照射物镜相距一定距离，以使该光阑的清晰图像与被测透镜孔径重合。
注1：在图1所示的构型中，能在第二个标准透镜或被测微透镜的瞳孔位置或附近放置光圈。 注2：该光阑确定了第二个标准透镜或被测微透镜的测试区域的直径。通过将光圈放置在图像传感器（探测器）位
置或通过使用软件产生光圈，还能确定第二标准透镜和被测微透镜的测试区域。
标引序号说明： 1 一 一光源： 2 一扩束器： 3 一反射镜2； 4 标准透镜； 5
-
标准透镜或待测微透镜：反射镜4；
6 7 一成像透镜； 8 图像传感器；
图像处理器；
9 10- 压电传感器（PZT）； 11 反射镜3； 12- 反射镜1
13 一孔径光阑。
图1基于马赫-曾德干涉仪的相移干涉测量原理图
将标准透镜及待测微透镜从光路中移除，采集探测器上干涉条纹，经图像处理后解算出干涉仪系统的静态像差，表示为Φ。把标准透镜和待测样品置于光路中，分别调节两者的横向位置轴向位置以及倾斜，使得二者共焦，采集探测器上的干涉条纹，计算出系统总像差Φ1.由公式（1）计算得出待测微透镜的波前像差。
(1)
Φ=-Φ
式中： Φ 待测微透镜的波前像差： Φ1系统总像差： Φ。系统静态像差。 基于马赫-曾德干涉仪的微透镜波前像差测试有很多种构型，如在干涉仪两臂中使用柔性单模光纤