光學(xué)和光子學(xué) 微透鏡陣列 第4部分：幾何特性測試方法

CS31.260

L51

中華人民共和國國家標準

GB/T××××.4—XXXX

光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列

第4部分：幾何特性測試方法

Opticsandphotonics-Microlensarray-Part4:Testmethodsfor

geometricalproperties

（ISO14880-3:2006，MOD）

（征求意見稿）

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

1

GB/T41869.4-××××

前言

本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導(dǎo)則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》

的規(guī)定起草。

本文件是GB/T41869《光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列》的第4部分，GB/T41869已經(jīng)發(fā)布

了以下部分：

——光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列第1部分：術(shù)語；

——光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列第2部分：波前像差的測試方法；

——光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列第3部分：光學(xué)特性測試方法

——光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列第4部分：幾何特性測試方法

本文件修改采用ISO14880-4:2006《光學(xué)與光子學(xué)微透鏡陣列第4部分：幾何特性

測試方法》。本文件與ISO14880-4:2006相比，做了下述結(jié)構(gòu)調(diào)整：

——5對應(yīng)ISO14880-4:2006中的5.1

——5.1對應(yīng)ISO14880-4:2006中的5.1.1；

——5.2對應(yīng)ISO14880-4:2006中的5.1.2

——第6章對應(yīng)ISO14880-4:2006中的6.2；

——第7章對應(yīng)ISO14880-4:2006中的6.3；

——第12章對應(yīng)ISO14880-4:2006中的第7章；

——第13章對應(yīng)ISO14880-4:2006中的第8章；

本文件與ISO14880-4:2006的技術(shù)差異及其原因如下：

——規(guī)范性引用文件用GB/T41869.1代替ISO14880-1；

——刪除了原ISO14880-4:2006中第4章坐標系，原因是隨著技術(shù)進步，微透鏡陣列

發(fā)展出許多復(fù)雜形貌和排布種類，這些形貌和排布特征通常是坐標系選擇依據(jù)，原文規(guī)定笛

卡爾直角坐標系過于局限；不考慮方便性，微透鏡陣列幾何特性測試理論上可以采取任何坐

標系，不適合在標準中限定，且該圖在該系列標準的第1部分已有解釋；

——增加第4章，增加測試項目的描述，根據(jù)國標1.1-2020測試方法的編制要求，明

確測試的項目；

——增加了“填充因子”（見3.5），因高填充因子、均勻填充因子是迅速發(fā)展的圖像

傳感器、照明等微透鏡陣列重要應(yīng)用場景追求的關(guān)鍵指標，且與制造工藝高度相關(guān)。填充因

子低會導(dǎo)致光線逃逸、雜散光、降低信噪比等，而填充因子均勻性可導(dǎo)致微透鏡陣列性能變

化。填充因子是生產(chǎn)、應(yīng)用環(huán)節(jié)驗收不可或缺的幾何特性。

——增加了第8章面形精度測量的概述、設(shè)備及程序，面型精度是表示微透鏡三維幾何

輪廓實際加工值與設(shè)計值之間的偏離情況，決定微透鏡產(chǎn)品對光場聚焦、成像、準直等性能，

是需要控制得重要技術(shù)指標之一；

——增加了第9章表面粗糙度測量的概述、設(shè)備及程序，表面粗糙度表示微透鏡表面輪

廓光滑程度，影響微透鏡對光的散射作用，也是需要控制的重要技術(shù)指標之一；

——增加第11章，微透鏡的質(zhì)量直接影響測量結(jié)果，因此微透鏡陣列測量前的準備工

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GB/T41869.4—XXXX

作需專門說明。

請注意本文件的某些部分可能涉及專利，本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別這些專利的責任。

本文件由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出。

本文件由全國光學(xué)和光子學(xué)標準化技術(shù)委員會（SAC/TC103）歸口。

本文件起草單位：xxx、xxx、xxx。

本文件主要起草人：xxx、xxxx。

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光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列

第4部分：幾何特性的測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了微透鏡陣列中微透鏡幾何特性的測試項目、測試裝置及設(shè)備、測試準備、

測試原理及測試程序等內(nèi)容。

本文件適用于表面浮雕結(jié)構(gòu)微透鏡陣列和梯度折射率微透鏡陣列。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期

的引用文件，僅本文引用版本適用；未注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的補充文

件）適用。

GB/T41869.1光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列第1部分：術(shù)語

3術(shù)語和定義

GB/T41869.1界定的，以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

注1：從GB/T41869部分采用的符號針對微透鏡陣列幾何特性描述，但有些符號可能不通用于表面形

貌測量。

注2：GB/T41869使用Px，Py和h來描述表面紋理測量幾何參數(shù)。Px，Py是間距參數(shù)，為包含輪廓頂點

和相鄰谷底的截面線性長度的平均值。幅值參數(shù)h為鏡頭輪廓頂點和輪緣之間的平均差值。微透鏡陣列的

幾何特性見圖1。

標引序號說明：

1——基板；

Tc——物理厚度；

Rc——曲率的半徑；

Px，Py——間距；

h——表面調(diào)制深度（鏡頭下垂）。

圖1微透鏡陣列的幾何參數(shù)

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3.1

間距pitch

Px，Py

相鄰鏡頭中心之間的距離，可能因方向而異，如圖1。

注1：間距單位為毫米。

[來源：GB/T41869.1-2022，術(shù)語3.3.1.5]

注2：對于接觸式輪廓儀，這通常等同于根據(jù)粗糙度輪廓RSm計算的輪廓元素的平均寬度RSm（參見

ISO4287：1997中的3.2.2和4.3.1）。

3.2

表面浮雕深度surfacemodulationdepth

h

微透鏡陣列表面高度峰谷值的差，如圖1。

注1：對于純折射微透鏡即為鏡頭矢高。

注2：表面調(diào)制深度單位為毫米。

[來源：GB/T41869.1-2022，3.3.1.8]

注3：接觸式輪廓儀，通常等同于Rz（參見ISO4287：1997中的4.1.3）。

3.3

微透鏡陣列厚度physicalthickness

Tc

透鏡陣列的最大局部厚度。

注:微透鏡陣列厚度單位為毫米。

[來源：GB/T41869.1-2022，3.3.1.9]

3.4

曲率半徑radiusofcurvature

Rc

從微透鏡頂點到微透鏡表面曲率中心的距離。

注1：曲率半徑單位為毫米。

注2：適用于旋轉(zhuǎn)不變性微透鏡或圓柱形微透鏡。

3.5

填充因子fillfactor

FF

微透鏡單元覆蓋的全部區(qū)域與整個為透鏡陣列面積的比值。

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4測試項目

測試項目包括：

a)間距和表面浮雕深度（矢高）；

b)物理厚度；

c)曲率半徑；

d)面形精度；

e)表面粗糙度；

f)填充因子。

5間距和表面浮雕深度的測量

5.1使用接觸式輪廓儀測量

5.1.1測量概述

基本原理是使用接觸式輪廓儀獲取微透鏡陣列表面的輪廓。應(yīng)確保輪廓通過每個透鏡的

中心，探針在整個測量過程中與表面保持接觸。間距和曲面浮雕深度確定測量量程的設(shè)置。

5.1.2測量準備

微透鏡陣列的幾何特性的測量原則上與使用接觸式輪廓儀測量其他任意表面相似。典型

的接觸式輪廓儀包括一個探針（用于物理接觸表面）和一個傳感器（把垂直運動轉(zhuǎn)化為電信

號）。其他部件見圖3，包括：電機和變速箱驅(qū)動的拾取組件，以恒定的速度將探針在表面上

繪制；電子放大器，將探針傳感器的信號提升到有用的水平；用于記錄放大信號的設(shè)備或自

動收集數(shù)據(jù)的計算機。

與微透鏡陣列表面接觸的探針部分通常是精密制造的金剛石尖端。由于微透鏡形狀限制，

在某些陣列上探針端可能無法接觸谷底，使得測量結(jié)果失真或被過濾。探針壓力會對測量結(jié)

果產(chǎn)生顯著影響。壓力過高可能會損壞陣列表面。壓力過低，探針無法可靠地與表面接觸。

接觸式輪廓儀應(yīng)當盡可能遠離灰塵、振動和陽光直射等環(huán)境中使用，環(huán)境溫度保持在

20°C±2°C范圍內(nèi)（無冷凝濕度低于70%相對濕度）。最好用過濾的空氣吹表面，清除儀器

表面的任何嚴重臟污。并使用合適的溶劑去除油或油脂。

在環(huán)境較差條件下進行測試，應(yīng)充分考慮環(huán)境的影響。

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標引序號說明：

1——底座；

2——夾具；

3——被測試微透鏡；

4——探針；

5——探頭（拾?。?/p>

6——測量回路；

7——支架；

8——驅(qū)動單元。

圖3典型接觸式輪廓儀的組成

接觸式輪廓儀上的電氣單元在進行測量前應(yīng)至少提前半小時打開。這將使儀器有時間穩(wěn)

定（制造商的說明通常會指定給定儀器的最小穩(wěn)定時間）。在測量之前，對儀器進行校準至

關(guān)重要。在校準儀器之前，應(yīng)檢查探針是否有磨損或損毀的跡象。損壞的探針尖端可能導(dǎo)致

嚴重的錯誤。

校準測量后，應(yīng)將指示值與被測試對象標稱值進行比較。如果測量值與校準證書上顯示

的值不同，則需要重新校準。

5.1.3探針大小和形狀

正確選擇探針的尺寸和形狀非常重要，因為它通過多種方式影響測量準確性。在具有深

而窄凹陷的陣列上，因為筆尖半徑或探針側(cè)面角太大，探針可能無法完全滲透到底部。在這

種情況下，曲面浮雕深度的值將小于實際值。理想的探針形狀是帶有球形尖端的圓錐體。這

通常具有60°或90°的錐角，典型尖端半徑為1μm、2μm、5μm或10μm。

5.2用共聚焦顯微鏡測量

5.2.1測量概述

共聚焦原理可用于測量表面形貌。通過移動物體表面對焦，使用探測器和共聚焦針孔測

量反射強度，可以區(qū)分深度。當樣品點位于焦點處時，將檢測到最大強度，而當樣品點離焦

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時，信號減小。該原理已在掃描共聚焦顯微鏡中得到確認。通過掃描物體上的成像光點，可

以逐點測量區(qū)域。

5.2.2測量準備

共聚焦顯微鏡的原理可通過多針孔掩碼（尼普科夫盤）在物體上生成一陣列光點實現(xiàn)，

該掩碼允許對多個對象點進行并行數(shù)據(jù)采集。如圖4所示，尼普科夫盤可以替換為微透鏡陣

列以提高光能利用率。

標引序號說明：

1——光源；

2——分束器；

3——旋轉(zhuǎn)微透鏡盤（模擬尼普科夫盤）；

4——目標；

5——樣本；

6——成像鏡頭；

7——針孔；

8——探測器。

圖4共聚焦顯微鏡測量系統(tǒng)A

圖5為使用微透鏡陣列和針孔陣列的共聚焦顯微鏡的另一種配置。依靠針孔陣列并行

掃描，可以提高光輻射與收集效率，提高掃描速度。

5

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標引序號說明：

1——光源；

2——旋轉(zhuǎn)微透鏡盤；

3——波束分路器；

4——針孔陣列（尼普科夫盤）；

5——目標；

6——樣本；

7——成像鏡頭；

8——電荷耦合設(shè)備（CCD）攝像機。

圖5共聚焦顯微鏡測量系統(tǒng)B

圖6為一個測量示例。

圖6使用共聚焦顯微鏡測量微透鏡陣列表面結(jié)構(gòu)示例

5.3測量程序

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5.3.1初步測量

初步測量程序如下：

a）執(zhí)行儀器校準程序[7][8]；

b）微透鏡陣列的軸應(yīng)與探頭（接觸式輪廓儀的探針、或共聚焦顯微鏡的針孔）的橫向

（x、y）掃描方向?qū)R，并在儀器的垂直工作范圍內(nèi)；

c）為了評估表面輪廓，對陣列進行初步測量；

d）調(diào)整陣列的位置和擺放高度，以確保探頭掃描每個透鏡的中心，并在儀器的工作范

圍內(nèi)；如果陣列的擺放高度不在儀器范圍內(nèi)，則無法進行測量；

e）對陣列表面進行多次測量，并對其位置進行微調(diào)，以確保陣列的正確對齊；

f）采樣掃描距離（探頭穿過表面的距離）應(yīng)與所評估長度相同，所選擇的掃描距離要

確保表面形貌少于2個峰值；

g）參考儀器操作手冊，選擇適當?shù)臏y量參數(shù)（機器速度、頻率等）；

h）不要使用粗糙度濾波器。

5.3.2進行測量并解釋結(jié)果

在透鏡陣列表面（避開缺陷）均勻的沿著x和y軸測量大量的剖面線軌跡，剖面線需通

過微透鏡頂點。測量后，應(yīng)通過線性擬合校正可能的傾斜，在計算任何參數(shù)之前，應(yīng)通過儀

器軟件完成此操作。整個陣列的Px、Px（間距）和h（表面浮雕深度）參數(shù)（x和y方向）剖

面線軌跡特征點差值計算。

6物理厚度的測量

6.1測量概述

千分尺的兩個測砧與陣列的頂部和底部表面接觸，以測量給定點陣列的物理厚度。千分

尺的測砧可以是平行的，也可以是球形的。

6.2測量準備

測量準備如下：

a）在測量之前，應(yīng)使用標準塊或類似步驟校準千分尺；

b）使用干凈的無絨紙或布徹底擦拭千分尺的主軸和測量面；

c）使儀器和微透鏡陣列保持足夠長的時間，以調(diào)整到室溫（至少半小時）；

d）應(yīng)注意確保千分尺不受可能導(dǎo)致顯著溫度變化的突然變溫、陽光直射、熱輻射或氣

流影響。

6.3測量程序

測試程序如下：

a）在測量前，應(yīng)使用標準塊或類似的樣品校準千分尺；

b）選擇最適合千分尺。應(yīng)小心確保對透鏡的中心進行測量，并盡量減少視差誤差；

c）測量點均勻分布在微透鏡陣列上，至少取9個測量值。

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7曲率半徑的測量

7.1測量概述

如圖7所示，基本原理是通過光學(xué)手段定位被測微透鏡的頂點，然后測量曲面的焦點位

置或曲率中心相對頂點的位移?？纱_定其曲率半徑Rc的。應(yīng)小心避免如圖b）和c）情形的

不正確的設(shè)置。

注：只有鏡頭表面是球形時，可使用此方法定位被測表面的曲率中心。否則，光線不會反射形成共聚

焦圖像。如果懷疑測試表面不是球形，可以使用干涉儀對局部區(qū)域分析來估計面型。

a)正確設(shè)置示例

b)設(shè)置不正確的示例

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c)設(shè)置不正確的示例。

標引序號說明：

1——基板表面；

2——光學(xué)探頭；

Rc——曲率半徑。

圖7用光學(xué)探頭定位球形透鏡表面的曲率中心位置

7.2測量設(shè)備

7.2.1概述

通?？梢允褂蔑@微和干涉兩種光學(xué)技術(shù)：

a）第一種技術(shù)使用顯微鏡，裝配有位移傳感器、合適的光源、被測對象、像機、監(jiān)視

器和圖像分析儀（線性強度變化分析）。它通過聚焦來定位微透鏡的頂點。如圖8所示，曲

率半徑由透鏡頂點到定位曲面曲率中心顯微鏡所需的位移推導(dǎo)計算。。

顯微鏡中的對焦輔助物（如裂像對焦分劃板）使微透鏡的無特征頂點在使用反射光進行

觀察時更易于定位。當顯微鏡焦點出現(xiàn)，則靠近曲面中心位置，因為在鏡頭表面接近正入射

時，此時表面的反射光線形成共聚焦點。測試可使用白光或單色光照明。

b）第二種技術(shù)使用干涉法來通過表面或曲率中心產(chǎn)生干涉圖案來定位。測試干涉儀可

能是幾種類型之一，例如邁克爾遜、斐索、橫向剪切或泰曼-格林。ISO14880-2和ISO/TR

14999-1中對此作了更全面的描述。干涉測量的一個優(yōu)點是，對于具有嚴重像差的透鏡，可

以通過干涉圖案很容易推斷出曲率半徑的變化。干涉測量對光學(xué)路徑長度的微小變化很敏

感，通常需要將干涉儀安裝在隔振臺上，并盡量減少空氣傳播擾動。

第5至8章側(cè)重于顯微鏡技術(shù)，而干涉測量技術(shù)見附件錄A。

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標引序號說明：

1——用于照亮鏡頭表面的光源；

2——顯微鏡物鏡；

3——被測試微透鏡；

4——分束器；

5——CCD相機；

6——橫向（x，y）調(diào)整到中心微透鏡；

7——z軸顯微鏡調(diào)整，以定位透鏡頂點和曲率中心。

圖8用于測量微透鏡表面曲率半徑的顯微鏡

7.2.2測量系統(tǒng)

7.2.2.1顯微鏡

裝有對焦輔助裝置（如裂像對焦儀）的顯微鏡用于在無特征表面上對焦，并通過共聚焦

成像定位曲率中心。測試表面相對于顯微鏡物鏡的位移使用校準的位移傳感器測量。

注：半徑測量時采樣的透鏡表面區(qū)域大小受限于顯微鏡物鏡的NA（數(shù)值孔徑）。

7.2.2.2光源

寬波段（如白熾燈源）或特定波長的光源均適用。

7.2.2.3圖像顯示

成像系統(tǒng)的分辨率應(yīng)足以識別最佳對焦圖像。

7.2.2.4標準球面

應(yīng)當用曲率半徑已知的球面應(yīng)作為參考樣品，以驗證測量系統(tǒng)的性能。樣品偏離球面的

均方根誤差典型值應(yīng)小于λ/2。參考樣品的的半徑應(yīng)近似于被測對象。

7.3準備

為了保證測量結(jié)果一致性，測試設(shè)備應(yīng)保持在溫度受控的環(huán)境中，最好是20°C左右，

避免環(huán)境振動。

7.4測量程序

測量程序如下：

a)通過測量標樣球形曲率半徑來驗證測試系統(tǒng)的性能。標樣的半徑應(yīng)與要測量的微透

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鏡半徑相似；

b)將顯微鏡聚焦在被測表面頂點上，然后在曲面曲率中心重新聚焦，見圖8；

c)在第二個位置（曲率中心共聚焦成像），通過顯微鏡物鏡在正入射入照明表面，反

射光線進入物鏡自身；顯微鏡中分劃板或裂像對焦裝置的共聚焦圖像可定位曲率中心

位置；

d)測試表面連續(xù)調(diào)整與顯微鏡的光軸橫向?qū)R，直到共聚焦圖像居中；

e)曲率半徑是兩個測試位置之間的軸向位移。

8面形精度的測量

8.1測量概述

在實際工程應(yīng)用中，面型精度是評價微透鏡質(zhì)量的核心指標之一。面型精度的測量原理，

是利用干涉測量或激光共焦測量等方法獲得微透鏡表面浮雕輪廓三維坐標點云數(shù)據(jù)，然后將

點云數(shù)據(jù)進行平移或旋轉(zhuǎn)等坐標變換，使得點云數(shù)據(jù)模型底面平面與所設(shè)計的微透鏡底面平

面平行，點云數(shù)據(jù)模型的頂點坐標與設(shè)計的微透鏡頂點重合，然后將相同（x,y）底面坐標

對應(yīng)的測試數(shù)據(jù)高度坐標z與設(shè)計高度h相減，獲得面型誤差曲面數(shù)據(jù)，其中誤差曲面峰谷

值為面型精度PV值，誤差曲面均方根作為面型誤差RMS值。

8.2測量設(shè)備

8.2.1白光干涉儀

白光干涉儀主要由光源、分束器、反射鏡、透鏡和探測器等部分組成，基于邁克爾遜干

涉原理，光源發(fā)出的光經(jīng)過擴束準直后經(jīng)分光棱鏡后分成兩束，一束經(jīng)被測表面反射回來，

另外一束光經(jīng)參考鏡反射，兩束反射光通過分光棱鏡合束并發(fā)生干涉，顯微鏡將被測表面的

形貌特征轉(zhuǎn)化為干涉條紋信號，通過測量干涉條紋的變化來測量表面三維形貌。為了實現(xiàn)較

大陡度的微透鏡面型測試，樣品臺需具有精確旋轉(zhuǎn)、俯仰、傾斜等位置調(diào)整功能，算法具有

精確拼接功能。

8.2.2激光掃描共聚焦顯微鏡

激光掃描共聚焦顯微鏡以激光作為光源，激光器發(fā)出的激光通過照明針孔形成點光源，

經(jīng)過透鏡、分光鏡形成平行光后，再通過物鏡聚焦在樣品上，并對樣品聚焦面上的每一點進

行掃描。樣品聚焦表面反射光可通過分光鏡，經(jīng)過透鏡再次聚焦，到達探測針孔，被探測器

檢測到，并在顯示器上成像。

8.3測量程序

根據(jù)微透鏡的特征參數(shù)選擇白光干涉儀或激光共聚焦顯微鏡的模式，其中對于口徑較大、

面型精度要求較低（z方向分辨率差于10nm）的微透鏡測量，激光掃描共聚焦顯微鏡及白光

干涉儀均可滿足測量要求，而對于面型精度要求較高（z方向分辨率優(yōu)于10nm）的微透鏡，

則需要采用白光干涉儀測量。

以白光干涉儀為例，首先利用標準樣品對檢測儀器進行校準，然后將待測微透鏡放于樣

品臺，根據(jù)測量視場和分辨率需求選擇合適倍率的顯微物鏡及目鏡，調(diào)整物鏡到樣品距離，

使其能夠觀察到樣品表面干涉條紋，通過調(diào)整樣品臺姿態(tài)使得微透鏡底面平面與物鏡光軸垂

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直，z向掃描測量后，對測量結(jié)果進行分析，獲得面型精度的PV值及RMS值。

9表面粗糙度的測量

9.1測量概述

表面粗糙度是微透鏡的表面光滑程度衡量指標，也是其局部起伏的表現(xiàn)形式。微透鏡表

面粗糙度由實測面型參數(shù)與其擬合的高階光滑曲面差值的算數(shù)平均數(shù)表示。

9.2測量設(shè)備

表面粗糙度檢測設(shè)備為白光干涉儀，縱向分辨率需達亞納米量級，設(shè)備同8.2白光干涉

儀。

9.3測量程序

測試程序如下：

a)將8.3中獲取的微透鏡表面數(shù)據(jù)，用作計算微透鏡表面實測數(shù)據(jù)與其最佳擬合曲

面的算數(shù)平均數(shù)，為表面粗糙度Ra。

b)需要注意，利用白光干涉儀測量微透鏡表面粗糙度時，微透鏡的面積較小，白光干

涉儀的測量視場通常覆蓋微透鏡表面比例較大，對于曲率半徑較小的微透鏡，常規(guī)粗糙

度的計算方法會將微透鏡的面型誤差包含在內(nèi)，不夠準確，需要根據(jù)實際情況定義分析；

c)實際工程應(yīng)用中，需要選取一定的區(qū)域分析表面粗糙度，通常根據(jù)測量精度要求選

取分析區(qū)域。例如測量精度要求a，白光干涉儀測量橫向分辨率為r,選擇區(qū)域的邊緣處

斜率角度為θ，則需要滿足r*tanθ≤a。

10微透鏡陣列填充因子的測量

10.1測量概述

填充抑制是微透鏡有效區(qū)域的衡量指標，為所有微透鏡有效幾何孔徑占據(jù)的面積與陣列

總面積的比值，對于周期性排布的微透鏡，也可表示為一個單元內(nèi)有效微透鏡的面積與單面

面積的比值。

10.2測量設(shè)備

填充因子的測量設(shè)備為常用設(shè)備顯微鏡，也可采用臺階儀、白光干涉儀或激光共聚焦顯

微鏡測量。

10.3測量程序

測試程序如下：

a）可利用具有面積計算功能的顯微鏡，測量微透鏡的單元面積和有效面積，

b）需要注意，為了保證測量的準確性，原則上所選擇顯微鏡的分辨率，應(yīng)優(yōu)于相鄰微

透鏡間隔尺寸一個數(shù)量級；

c）實際工程應(yīng)用中，也可通過測量微透鏡的邊長和單元間距的辦法，計算微透鏡的填

充因子。

12

GB/T41869.4-××××

11微透鏡陣列的測量準備

待測光學(xué)表面應(yīng)清潔。可以使用酒精和脫脂棉安全地清潔未鍍膜的玻璃表面。脫脂棉

在接觸表面之前應(yīng)浸泡在極少量的溶劑中，并在丟棄前僅在光學(xué)表面擦拭一次。這最大限度

地減少了刮擦表面的機會?？梢允褂酶蓛舻鸟劽⒒蜻^濾后的壓縮空氣去除灰塵。

鍍膜光學(xué)表面（如抗反射表面）應(yīng)非常小心地處理，除非絕對必要，否則不要清潔?？?/p>

以使用過濾后的壓縮空氣對它們進行除塵。

正確使用溶劑和清潔材料的方法請遵有關(guān)指導(dǎo)。

12結(jié)果和不確定度

應(yīng)計算和記錄一組曲率半徑測量值的平均值。為了確定A型不確定度來源的貢獻（見參

考[9]），應(yīng)對一組測量值的方差進行統(tǒng)計分析，并計算標準偏差的無偏估計。。

典型的不確定性來源見表1。

表1不確定性來源

來源類型不確度極值

曲率半徑測量A根據(jù)一組（通常為九組）測量值計算

校準A/B因儀器和校準方法而不同

校準因子將糾正余弦誤差和阿貝數(shù)誤差。不確定性估計可能是A型或B型[9]。選擇最佳

測量條件，一般要在測量過程中監(jiān)測溫度和相對濕度，并始終給設(shè)備時間達到室溫。通過將

位移傳感器盡可能接近光軸，使阿貝數(shù)偏移誤差最小化。

應(yīng)計算和記錄測量值集的平均值以及均值標準差（SEOM）。

綜合標準不確定性，應(yīng)通過增加表面重復(fù)測量平均值的標準誤差與儀器造成的標準不確

定性的正交性來計算。

13測試報告

測試結(jié)果應(yīng)記錄在案，并應(yīng)包括以下信息（如適用）：

a）一般信息：

1）測試已按照GB/T41869.4-XXXX執(zhí)行；

2）校準日期、校準程序和校準不確定性評估；

3）測試日期；

4）測試機構(gòu)的名稱和地址；

5）相關(guān)認證；

6）執(zhí)行測試的個人的姓名；

b）被測微透鏡的信息：

1）微透鏡類型；

2）制造商；

3）制造商型號；

4）序列號；

c）測試條件：

13

GB/T41869.4—XXXX

1）使用測試方法；

2）測試設(shè)備：

i）接觸表面輪廓儀;制造商和型號；

ii）千分尺；制造商和型號；

iii)白光干涉儀；制造商和型號

ⅳ)激光共焦顯微鏡;制造商和型號

ⅴ）顯微鏡；制造商和型號

3）測量參數(shù)：

i）探針半徑；

ii）儀器速度；

iii）采樣頻率；

iv）采樣長度；

ⅴ）測量物鏡及目鏡倍率

4）測量時的環(huán)境條件：

i）溫度；

ii）相對濕度。

d）測試結(jié)果：

1）間距；

2）表面浮雕深度；

3）物理厚度；

4）曲率半徑；

5）面型精度；

6）表面粗糙度；

7）填充因子；

8）不確定表。

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附件A

（規(guī)范性）

使用斐索干涉儀系統(tǒng)的測量

A.1測量結(jié)構(gòu)和測試設(shè)備

可以使用干涉儀測量曲率半徑，以幫助定位透鏡表面的頂點并查找共聚焦位置，使用線

性位移傳感器進行長度測量。以下設(shè)備之一可用于此目的：

——斐索干涉儀；

——泰曼-格林干涉儀；

——橫向剪切干涉儀；

——夏克-哈特曼設(shè)備。

此處將使用如圖A.1所示的斐索干涉儀描述為示例。來自相干光源的準直光束從平面

參考表面部分反射生成參考波前。透射光通過高質(zhì)量透鏡匯聚到焦點，該點用于探測透鏡表

面的位置和曲率中心。監(jiān)控干涉圖案以確定確切位置。

原則上，用于測試大尺寸透鏡的干涉儀（例如斐索干涉儀）也可能適合微透鏡的測量。

但是，在實踐中來自靠近被測表面的二級表面的雜散光反射可能導(dǎo)致干擾。所需的相對較高

的放大率可能導(dǎo)致難以對焦鏡頭的出瞳。專為微透鏡設(shè)計的干涉儀克服了這些問題。

標引序號說明：

1——準直光

2——分束器

3——參考表面

4——對焦鏡頭

5——測試表面

6——伸縮成像系統(tǒng)

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7——CCD相機

8——干涉圖案

Rc——曲率的半徑

圖A.1斐索干涉儀

A.2曲率半徑測量

首先將測試透鏡移動到微透鏡的曲率中心與干涉儀光束的焦點重合的位置。然后，照

明光垂直入射到表面，并通過系統(tǒng)部分反射回光，形成干涉圖樣。然后調(diào)整透鏡的位置以

產(chǎn)生名義上是直線、平行和等距的干涉條紋，或者干涉圖案消失。然后，微透鏡沿z軸（光

學(xué)軸）移動，直到光束焦點與微透鏡表面重合。在此位置，光線以貓眼模式部分反射回干涉

儀，與參考光束結(jié)合并形成干涉圖案。調(diào)整鏡頭位置，使條紋平行和等距，或強度變得均勻。

曲率半徑是上述兩個位置之間的測試透鏡的軸向位移。位移測量可以方便地使用激光測

長干涉儀進行。

注：在實踐中，很少獲得完全直的干涉條紋。被測鏡頭的像差效應(yīng)將導(dǎo)致一定程度的曲率，該曲率會

隨視場變化。測試系統(tǒng)中的殘余像差也可能很明顯，尤其是在使用貓的眼睛效應(yīng)時，波前會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

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附件B

（資料性）

微透鏡陣列間距的均勻性

B.1陣列幾何形狀的均勻性

測試微透鏡陣列幾何形狀的均勻性，方法之一是對比已知品質(zhì)的透鏡陣列進行測試。相

對快速和簡單的測試是將被測和參考透鏡陣列對齊形成一個摩爾條紋。

當使用一組透鏡觀察位于焦平面的相同透鏡陣列時，會產(chǎn)生摩爾紋圖案。當參考透鏡陣

列與被測陣列對齊時，會觀察到摩爾紋，其中每個摩爾圖案由被測陣列的重復(fù)元素的放大圖

像組成。當陣列相對旋轉(zhuǎn)時，摩爾紋圖案的放大倍數(shù)和方向會發(fā)生變化。如果可以"消除"摩

爾條紋，則這兩個數(shù)組具有相似的幾何形狀。測量時必須將觀察方向排布為與陣列平面垂直，

以避免視差引起的誤差，如圖B.1所示。

標引序號說明：

1——光源；

2——攝像機或觀察系統(tǒng)。

圖B.1查看由一對相似透鏡陣列生成的圖案

B.2原理

考慮兩個具有略微不同間距的透鏡陣列摩爾效應(yīng)，可以簡單的理解摩爾放大鏡。間距或

周期定義為陣列中相鄰單元之間的距離。每個鏡頭的作用是對目標陣列采樣，并在焦點處使

用目標陣列有關(guān)的信息填充鏡頭的孔徑。

如果透鏡陣列的間距與目標陣列完全相同且正確對齊，則所有鏡頭都將看到其相應(yīng)對象

的相同區(qū)域，并且視場將是均勻的，如圖B.2所示。這對應(yīng)于”條紋消失。

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標引序號說明：

a——目標陣列的周期；

b——透鏡陣列的周期。

圖B.2具有類似間距的一對鏡頭陣列

圖B.3具有不同間距的一對鏡頭陣列

如果兩個陣列的間距不同，如圖B.3所示，則每個鏡頭將看到其下方目標陣列的相鄰

區(qū)域。

其中：

a——目標陣列的周期；

b——透鏡陣列的周期。

當掃描整個透鏡陣列時，將生成目標陣列的摩爾條紋對齊圖像。這一直持續(xù)到透鏡陣列

錯位一個周期，對應(yīng)于一個摩爾條紋，然后新條紋再次開始。

這發(fā)生在第n個透鏡，其中：

na=（n+1）b（B.1）

其中：

n——透鏡編號；

a——對象陣列的周期;

b——透鏡陣列的周期，其中a≈b。

(B.2)

其中Δ是周期偏差

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Δ=a-b

?2

放大摩爾紋的尺寸；

?

（B.3）

放大倍數(shù)是?；

?

由此可以清楚地看出，隨著周期偏差趨于零，放大倍數(shù)趨于無窮大。“無限”放大對

應(yīng)于消失的莫爾條紋。

放大的圖像是通過在多個離散點對物體進行采樣來構(gòu)建的，這些點等于莫爾條紋中的

透鏡數(shù)量。然而，可以通過平移透鏡陣列來掃描整個物體。在這種情況下，分辨率由數(shù)值

孔徑和微透鏡的質(zhì)量決定。

B.3測試設(shè)備

需要與被測陣列具有相似間距的標準透鏡陣列、準直照明、平移臺、觀察系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)

臺。

B.4步驟

要進行快速評估，請將標準透鏡陣列近距離接觸并在淺色背景下查看。用薄墊片墊片

調(diào)整陣列的分離，直到看到測試陣列的放大圖像。橫向調(diào)整并相對于另一個陣列旋轉(zhuǎn)一個

陣列以生成波紋帶圖案。如果可以“弄松”條紋以實現(xiàn)均勻強度，則這兩個陣列具有相似

的幾何形狀。為了進行更精確的評估，請將透鏡陣列安裝在平移臺上，并仔細對齊并拍攝

莫爾圖案。

19

GB/T41869.4—XXXX

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20

GB/T41869.4-××××

fabricatedbyvariousmethods",Proc.SPIE6185,Micro-Optics,VCSELs,and

PhotonicInterconnectsII:Fabrication,Packaging,andIntegration,61850C(21

April2006)

21

GB/T41869.4-××××

引言

微透鏡陣列是陣列光學(xué)器件中一類重要的光學(xué)元件，以單個透鏡、兩個或多個透鏡陣列

的形式，廣泛應(yīng)用于三維顯示、與陣列光輻射源和光探測器相關(guān)的耦合光學(xué)、增強液晶顯示

和光并行處理器元件。隨著科技不斷進步，有必要制定一套技術(shù)內(nèi)容與國際接軌的國家標準，

這樣既有利于推動我國微透鏡陣列行業(yè)規(guī)范有序發(fā)展，又能更好地促進相關(guān)貿(mào)易、交流和技

術(shù)合作。GB/T41869《光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列》就是在此背景下起草制定的，微透鏡陣

列標準擬由以下幾個部分組成。

——第1部分：術(shù)語。目的在于通過定義微透鏡及其陣列的基本術(shù)語，促進微透鏡陣列

產(chǎn)品的應(yīng)用，有助于科研工作和行業(yè)從業(yè)者在共同理解的基礎(chǔ)上交流。

——第2部分：波前像差的測試方法。目的在于通過規(guī)范波前像差的測試方法，明確微

透鏡的基本特性。

——第3部分：光學(xué)特性測試方法。目的在于通過確定光學(xué)特性重要指標的測試方法，

為供貨方產(chǎn)品交付提供依據(jù)。

——第4部分：幾何特性測試方法。目的在于通過確定幾何特性重要指標的測試方法，

為供貨方產(chǎn)品交付提供依據(jù)。

微透鏡陣列系列標準是對微透鏡術(shù)語、波前像差、光學(xué)特性和幾何特性測試方法的規(guī)

范。本文件主要規(guī)定了微透鏡陣列幾何特性的測試方法，是在波前像差、光學(xué)特性之外，

從結(jié)構(gòu)特性的維度定義微透鏡另一特性的測量。本文件規(guī)定了微透鏡陣列幾何特性的測試

裝置、測試設(shè)備、測試原理、測試程序、測試結(jié)果處理等內(nèi)容，用于規(guī)范國內(nèi)微透鏡陣列

的幾何特性測試方法。

5

GB/T41869.4-××××

光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列

第4部分：幾何特性的測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了微透鏡陣列中微透鏡幾何特性的測試項目、測試裝置及設(shè)備、測試準備、

測試原理及測試程序等內(nèi)容。

本文件適用于表面浮雕結(jié)構(gòu)微透鏡陣列和梯度折射率微透鏡陣列。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期

的引用文件，僅本文引用版本適用；未注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的補充文

件）適用。

GB/T41869.1光學(xué)和光子學(xué)微透鏡陣列第1部分：術(shù)語

3術(shù)語和定義

GB/T41869.1界定的，以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。

注1：從GB/T41869部分采用的符號針對微透鏡陣列幾何特性描述，但有些符號可能不通用于表面形

貌測量。

注2：GB/T41869使用Px，Py和h來描述表面紋理測量幾何參數(shù)。Px，Py是間距參數(shù)，為包含輪廓頂點

和相鄰谷底的截面線性長度的平均值。幅值參數(shù)h為鏡頭輪廓頂點和輪緣之間的平均差值。微透鏡陣列的

幾何特性見圖1。

標引序號說明：

1——基板；

Tc——物理厚度；

Rc——曲率的半徑；

Px，Py——間距；

h——表面調(diào)制深度（鏡頭下垂）。

圖1微透鏡陣列的幾何參數(shù)

1

GB/T41869.4—XXXX

3.1

間距pitch

Px，Py

相鄰鏡頭中心之間的距離，可能因方向而異，如圖1。

注1：間距單位為毫米。

[來源：GB/T41869.1-2022，術(shù)語3.3.1.5]

注2：對于接觸式輪廓儀，這通常等同于根據(jù)粗糙度輪廓RSm計算的輪廓元素的平均寬度RSm（參見

ISO4287：1997中的3.2.2和4.3.1）。

3.2

表面浮雕深度surfacemodulationdepth

h

微透鏡陣列表面高度峰谷值的差，如圖1。

注1：對于純折射微透鏡即為鏡頭矢高。

注2：表面調(diào)制深度單位為毫米。

[來源：GB/T41869.1-2022，3.3.1.8]

注3：接觸式輪廓儀，通常等同于Rz（參見ISO4287：1997中的4.1.3）。

3.3

微透鏡陣列厚度physicalthickness

Tc

透鏡陣列的最大局部厚度。

注:微透鏡陣列厚度單位為毫米。

[來源：GB/T41869.1-2022，3.3.1.9]

3.4

曲率半徑radiusofcurvature

Rc

從微透鏡頂點到微透鏡表面曲率中心的距離。

注1：曲率半徑單位為毫米。

注2：適用于旋轉(zhuǎn)不變性微透鏡或圓柱形微透鏡。

3.5

填充因子fillfactor

FF

微透鏡單元覆蓋的全部區(qū)域與整個為透鏡陣列面積的比值。

2

GB/T41869.4-××××

4測試項目

測試項目包括：

a)間距和表面浮雕深度（矢高）；

b)物理厚度；

c)曲率半徑；

d)面形精度；

e)表面粗糙度；

f)填充因子。

5間距和表面浮雕深度的測量

5.1使用接觸式輪廓儀測量

5.1.1測量概述

基本原理是使用接觸式輪廓儀獲取微透鏡陣列表面的輪廓。應(yīng)確保輪廓通過每個透鏡的

中心，探針在整個測量過程中與表面保持接觸。間距和曲面浮雕深度確定測量量程的設(shè)置。

5.1.2測量準備

微透鏡陣列的幾何特性的測量原則上與使用接觸式輪廓儀測量其他任意表面相似。典型

的接觸式輪廓儀包括一個探針（用于物理接觸表面）和一個傳感器（把垂直運動轉(zhuǎn)化為電信

號）。其他部件見圖3，包括：電機和變速箱驅(qū)動的拾取組件，以恒定的速度將探針在表面上

繪制；電子放大器，將探針傳感器的信號提升到有用的水平；用于記錄放大信號的設(shè)備或自

動收集數(shù)據(jù)的計算機。

與微透鏡陣列表面接觸的探針部分通常是精密制造的金剛石尖端。由于微透鏡形狀限制，

在某些陣列上探針端可能無法接觸谷底，使得測量結(jié)果失真或被過濾。探針壓力會對測量結(jié)

果產(chǎn)生顯著影響。壓力過高可能會損壞陣列表面。壓力過低，探針無法可靠地與表面接觸。

接觸式輪廓儀應(yīng)當盡可能遠離灰塵、振動和陽光直射等環(huán)境中使用，環(huán)境溫度保持在

20°C±2°C范圍內(nèi)（無冷凝濕度低于70%相對濕度）。最好用過濾的空氣吹表面，清除儀器

表面的任何嚴重臟污。并使用合適的溶劑去除油或油脂。

在環(huán)境較差條件下進行測試，應(yīng)充分考慮環(huán)境的影響。

3

GB/T41869.4—XXXX

標引序號說明：

1——底座；

2——夾具；

3——被測試微透鏡；

4——探針；

5——探頭（拾?。?/p>

6——測量回路；

7——支架；

8——驅(qū)動單元。

圖3典型接觸式輪廓儀的組成

接觸式輪廓儀上的電氣單元在進行測量前應(yīng)至少提前半小時打開。這將使儀器有時間穩(wěn)

定（制造商的說明通常會指定給定儀器的最小穩(wěn)定時間）。在測量之前，對儀器進行校準至

關(guān)重要。在校準儀器之前，應(yīng)檢查探針是否有磨損或損毀的跡象。損壞的探針尖端可能導(dǎo)致

嚴重的錯誤。

校準測量后，應(yīng)將指示值與被測試對象標稱值進行比較。如果測量值與校準證書上顯示

的值不同，則需要重新校準。

5.1.3探針大小和形狀

正確選擇探針的尺寸和形狀非常重要，因為它通過多種方式影響測量準確性。在具有深

而窄凹陷的陣列上，因為筆尖半徑或探針側(cè)面角太大，探針可能無法完全滲透到底部。在這

種情況下，曲面浮雕深度的值將小于實際值。理想的探針形狀是帶有球形尖端的圓錐體。這

通常具有60°或90°的錐角，典型尖端半徑為1μm、2μm、5μm或10μm。

5.2用共聚焦顯微鏡測量

5.2.1測量概述

共聚焦原理