光學和光子學 微透鏡陣列 第3部分：光學特性測試方法

ICS31.260

L51

中華人民共和國國家標準

GB/T××××.3—XXXX

光學和光子學微透鏡陣列

第3部分：光學特性測試方法

OpticsandphotonicsMicrolensarrayPart3:Testmethodsforoptical

properties

（ISO14880-3:2006，Opticsandphotonics-Microlensarrays-Part

3:Testmethodsforopticalpropertiesotherthanwavefrontaberrations，

MOD）

（征求意見稿）

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

1

GB/T41869.3-××××

何特性測試方法”，修改為“光學和光子學微透鏡陣列第3部分：光學特性測試方法”；

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。

本文件由全國光學和光子學標準化技術(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

3

GB/T41869.3—XXXX

引言

微透鏡陣列是陣列光學器件中一類重要的光學元件，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、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《光學和光子學微透鏡陣列》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：光學特性測試方法。目的在于通過確定光學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，

提高不同供應(yīng)商鏡頭陣列的兼容性和可互換性，并增強使用微透鏡陣列的技術(shù)開發(fā)。

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

范。本文件主要規(guī)定了微透鏡陣列光學特性的測試方法，是在術(shù)語及波前像差的基礎(chǔ)上，

進一步規(guī)范微透鏡的重要學光參數(shù)的測試方法。

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GB/T41869.3-××××

光學和光子學微透鏡陣列

第3部分：光學特性測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了微透鏡的光學特性（波前像差以外的）的測試設(shè)備、測試程序、測量結(jié)果

處理等內(nèi)容。

本文件適用于在表面浮雕結(jié)構(gòu)微透鏡和梯度折射率微透鏡。

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，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改單）適用于本文件。

GB/T41869.1光學和光子學微透鏡陣列第1部分：術(shù)語

GB/T2831光學零件的面形偏差

3術(shù)語定義

GB/T41869.1中給出的術(shù)語和定義適用于本文件。

4基板測試

基底的光學質(zhì)量對微透鏡定義的焦點位置的質(zhì)量有貢獻，應(yīng)按照ISO10110-5進行量

化。

5測試方法

5.1測試原理

通過光學手段對被測微透鏡表面進行定位。通過測量定位焦點位置所需的軸向位移來確

定有效后(前)焦距。

微透鏡的測試原理類似于大透鏡的測試。然而，在許多情況下，微小透鏡的測量存在實

際問題，難以使用標準設(shè)備。一般來說，可以采用兩種光學技術(shù)。一種是基于顯微術(shù)，另一

種是基于干涉術(shù)。

第一種技術(shù)是利用顯微鏡通過聚焦來定位微透鏡的頂點。有效后(前)焦距是通過測量顯

微鏡在遠場源圖像上重新聚焦所需的位移來推導的，如圖1所示。

顯微鏡中的聚焦輔助裝置，如分視場聚焦光柵，使微透鏡的無特征頂點在用反射光觀察

時更容易定位。對于焦距測量，遠場點光源可以是光纖的發(fā)射尖端或照明的測試光柵。測試

可采用白光或單色光照明。

第二種波前測量技術(shù)使用波前傳感來定位測試表面或曲率中心。定位測試可借助以下設(shè)

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備之一進行：

a)斐索干涉儀

b)泰曼-格林干涉儀

c)橫向剪切干涉儀；

d)沙克-哈特曼設(shè)備。

GB/T41869.2-2022和ISO/TR14999-1中對此作了更全面的描述。干涉法的一個優(yōu)點

是對于強像差透鏡，通過干涉圖可以很容易地推斷出焦距隨孔徑半徑的變化。缺點是測試受

限于干涉儀光源的波長。

標引序號說明：

1——遠點源；

2——基板和微透鏡產(chǎn)生聚焦點；

3——顯微物鏡；

4——顯微鏡軸向調(diào)整，以定位透鏡表面和焦點

5——分束器；

6——透鏡表面定位光源；批注[l1]:透鏡表面聚焦位置的光源；

7——電荷耦合設(shè)備（CCD）攝像機。

圖1用于測量微透鏡有效后焦距或前焦距的光路示意圖

5.2測試方法選擇

第5至9章側(cè)重于顯微鏡技術(shù)，而波前測量技術(shù)見附錄A到附錄D,附錄A規(guī)定基于斐

索干涉原理的微透鏡有效前后焦距測量方法，附錄B規(guī)定了基于共焦成像原理的微透鏡陣

列有效前后焦距測量方法，附錄C規(guī)定了微透鏡點擴散函數(shù)及MTF曲線測量方法，附錄D規(guī)

定了基于哈特曼波前傳感器的微透鏡陣列焦距均勻性測量方法。

焦距測試方法選擇，對于焦距測量精度要求不高，而且對測量設(shè)備成本限制較大的情況

下，采用顯微鏡測量法是較為便捷的方法。受限測量光學系統(tǒng)的設(shè)計和制作難度，對于數(shù)值

孔徑較大、曲面邊緣較為陡峭（通常大于30°）的微透鏡陣列，同時精度要求較高的情況

下，采用共焦測量技術(shù)為較為合適的方案。對于數(shù)值孔徑較小、曲面邊緣較為平緩（通常小

于30°）的微透鏡，采用干涉測量法可以獲得較高的測量精度

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5.3測試設(shè)備

5.3.1總則

測試系統(tǒng)由裝有位移傳感器的顯微鏡、合適的光源、測試對象、顯微鏡攝像機、監(jiān)視器

和圖像分析儀（線掃描）組成。

5.3.2顯微鏡

顯微鏡符合以下要求：

1）需要配備對焦輔助裝置（如分割圖像測距儀）的顯微鏡，以便在無特征表面（如微

透鏡表面的頂點）上進行對焦設(shè)置；

2）機械設(shè)計應(yīng)允許將遠距離點光源或測試光柵放置在載有測試透鏡的載物臺下方。理

想情況下，測試透鏡與遠處點光源或測試光柵之間不需要額外的光學元件，如玻璃

板；

3）用校準后的位移傳感器測量測試面相對于顯微鏡物鏡的位移；

4）顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑(NA)應(yīng)大于測試透鏡在焦點處的數(shù)值孔徑。

5.3.3光源

光源符合以下要求：

1）輻射的光源發(fā)射波段應(yīng)使用在測試所需的波長或特定波長的波段內(nèi)發(fā)射輻射的光

源；

2）應(yīng)在實驗結(jié)果報告中說明光源的特性；

3）白光可以由石英鹵素燈結(jié)合合適的光闌提供；

4）在需要限制波長范圍的情況下，可以使用窄帶濾波器；

5）激光可用于單色照明和更高的強度。

5.3.4測試對象

測試對象符合以下要求：

a）可以采用遠場點光源作為成像物體，遠場點光源可以用光纖出射端近似。遠距離的

點光源應(yīng)與透鏡一起放置在軸線上并保持有效的長距離，以使焦距得以確定；

b）測試對象可以是一個網(wǎng)格，來研究特定的空間頻率和視場角下的光學特性；

c）探測器陣列采樣頻率足夠；

d）所使用的成像物體特性應(yīng)在測試報告文檔中說明。

5.3.5圖像顯示

圖像顯示符合以下要求：

a)如果顯微鏡產(chǎn)生的圖像被攝像機中繼到視頻顯示器上，可以使用電子強度顯示器來輔

助定位最佳焦點的位置；

b)應(yīng)調(diào)整探測器處的圖像強度，以保持來自探測器系統(tǒng)的線性響應(yīng)。

5.3.6標準表面

標準表面符合以下要求：

a）利用在特定波長下已知焦距的微透鏡作為標準件，來驗證和校準測量系統(tǒng)的性能；

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b）利用已知高度的臺階樣品作為標準件，來驗證和標定位移測量系統(tǒng)的性能。

5.4測試程序

5.4.1準備

準備工作如下：

1）為了達到一致的結(jié)果，測試設(shè)備應(yīng)保持在溫度控制的環(huán)境中，最好在20°C±2℃，

不應(yīng)暴露在振動中；

2）待測試的光學表面應(yīng)清潔。未鍍膜的玻璃表面可以用酒精和棉毛安全地清洗。棉纖

維在接觸表面之前應(yīng)先在極少量的溶劑中浸泡，在光學表面僅擦拭一次后丟棄。這

樣可以最大限度地減少劃傷表面的機會。粉塵可以使用干凈的駝毛刷或過濾的壓縮

空氣去除；

3）鍍膜光學表面（如防反射表面）應(yīng)非必要不清潔。它們可以使用過濾的壓縮空氣進

行除塵；

4）應(yīng)按指導正確使用溶劑和清潔材料。

5.4.2總則

清潔待測透鏡和基板的表面。

5.5測量有效后焦或前焦距

測量有效后焦距或前焦距的步驟如下：

a）標準儀器校準程序應(yīng)定期進行，并對校準不確定度進行估計[4]；

b）驗證測試系統(tǒng)的性能，如下所述，測量標準球面的有效后（前）焦距，并將結(jié)果與

已知值進行比較；

c）顯微鏡聚焦在微透鏡的表面，然后移位聚焦在放置在無窮遠處的光柵或點光源的圖

像上。該圖像的最佳聚焦位置可以通過相機定位，光導攝像管通過線掃描顯示，確

定圖像中峰值強度最大的位移位置，相機系統(tǒng)的空間分辨率應(yīng)足以分辨圖像；

d）軸向位移使用位移傳感器進行測量。

5.6測量色差

a）一般來說，微透鏡相對簡單，不校正色差。焦距會隨著照明波長的變化而變化；

b）對于傳統(tǒng)透鏡，光線在兩個折射率截然不同的光學介質(zhì)之間的接口處折射而偏離。

對于球面焦距f和曲率半徑R符合以下關(guān)系：

（1）

其中n1（λ）和n2（λ）是在波長λ下，界面兩邊的介質(zhì)折射率。微透鏡的色差由兩種介

質(zhì)（n1（λ）和(n2（λ）)的分散特性決定。

光學材料色散的傳統(tǒng)特征化方法是色散系數(shù)，國內(nèi)光學行業(yè)多采用阿貝數(shù)表示,其定義

包括三個波長的材料折射率的值，即d光-波長587.6nm，F(xiàn)光-波長486.1nm,C光-波長在

656.3nm。

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??=(???1)/(?????)(2)

阿貝數(shù)通常介于20和60之間。阿貝數(shù)較高的材料比阿貝數(shù)較低色散較少。

微透鏡材料的阿貝數(shù)可以通過測量相應(yīng)波長的焦距并組合公式（1）和（2）確定，

即：

????（1/??）/(1/???1/??)(3)

實際使用過程中，也可根據(jù)使用激光源的波長定義色散系數(shù)。微透鏡的焦距使用單色照

明在6.2中測量。然后，使用不同波長的單色照明重復測量，以推導出被定義為的色差。

(4)

式中：

Sz（λ）——軸向焦點位置；

λ1、λ2——照明波長；

獲得的值與微透鏡實際應(yīng)用中的性能有關(guān)，需要考慮基板的色散。此方法涉及測量焦距

與波長的微小變化，必須盡可能準確地測量焦距，以減少阿貝數(shù)的不確定性。

5.7測量焦點位置均勻性

微透鏡陣列通常用于波前測量，如夏克-哈特曼傳感器。焦點位置在光軸的橫向偏移表

示被測波面局部傾斜的角度。因此，微透鏡陣列均勻性的可靠數(shù)據(jù)對于精確的波前測量至關(guān)

重要。微透鏡陣列的焦點位置偏移差異決定了陣列的均勻性。

測試設(shè)置見附錄D。

6結(jié)果和不確定度

應(yīng)計算和記錄一組焦距測量值的平均值，對一組測量值的方差進行統(tǒng)計分析，并對標準

差進行無偏估計。這是為了確定A類對擴展不確定度(見參考文獻[4])的貢典型的不確定性

來源見表1。

表1不確定性來源表

來源類型不確定性極值

焦距測量A根據(jù)一組（通常為九個）測量值校準

校準A/B因儀器和校準方法而不同

通過在測量過程中監(jiān)測溫度和相對濕度值，使得設(shè)備在室溫下工作。通過將位移傳感

器布置在盡可能靠近光軸的位置進行測量，使阿貝偏移誤差最小。

7耦合效率、成像質(zhì)量

微透鏡通常用于微小光源的光耦合，將光聚焦到微小孔徑或?qū)⒐怦詈系焦饫w中。在其他

應(yīng)用中，微透鏡也用于成像。關(guān)于微透鏡陣列的耦合效率和成像質(zhì)量的評價見附錄C。

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8測試報告

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

a）一般信息：

1）測試已按照GB/T41869.3-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）認證（如果相關(guān)）；

6）執(zhí)行測試的個人的姓名；

b）有關(guān)被測微透鏡的信息：

1）微透鏡類型；

2）制造商；

3）型號；

4）序列號；

c）環(huán)境測試條件：

1）溫度；

2）相對濕度；

d）關(guān)于測試和評估的信息：

1）使用的測試方法；

2采用的光學系統(tǒng)；

3）光源：

i）光源類型；

ii）波長；

4）使用的位移傳感器；

e）測試結(jié)果：

1）有效后焦距；

2）有效的前焦距；

3）焦點位置偏移ΔSx和ΔSy；

4）色差：ΔSz；

5）不確定度表。

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附件A

（資料性）

波前測量系統(tǒng)的測量

A.1干涉儀測量原理

測量微透鏡焦距的方法有多種多樣[5]?？梢允褂酶缮鎯x定位微透鏡表面的頂點，并找

到最佳對焦位置，并使用線性位移傳感器進行長度測量，從而計算微透鏡焦距。測量設(shè)備

可為以下之一：

a)斐索干涉儀；

b)泰曼-格林干涉儀；

c)橫向剪切干涉儀；

d)夏克-哈特曼設(shè)備。

這里以斐索干涉儀的使用為例加以說明。相干光源的準直光束從平面參考面部分反

射，產(chǎn)生參考波前。透射光被高質(zhì)量透鏡聚焦到一個光斑上，這個光斑用來探測透鏡表面

和焦點的位置。對干涉圖樣進行監(jiān)測，確定兩個位置。

注：對于畸變較大的微透鏡，GB/T41869.1中定義的有效焦距可能與基于波前像差標準測量的值存在明

顯差異。

A.2測量布置和測試設(shè)備

斐索干涉儀如圖A.1所示。

標引序號說明：

1——相干光源和準直器；

2——分束器；

3——參考平面；

4——高品質(zhì)顯微鏡目鏡；

5——被測微透鏡；

6——光學平面。

圖A.1斐索干涉儀

原則上，可用于測試傳統(tǒng)尺寸鏡片的干涉儀也適合使用微透鏡進行測量。實際測量過

程中，由于微透鏡較小，為了聚焦于待測微結(jié)構(gòu)表面，需要較高放大倍率的測量物鏡，距

離被測面較近的次表面雜散反射也會干擾測量結(jié)果。需要專為微表面設(shè)計的干涉儀克服這

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些問題[6]。注意將光學平面盡可能靠近被測微透鏡，以盡量減少孔徑衍射誤差，并將微透

鏡陣列聚焦到探測器陣列上。

A.3有效后焦或前焦距測量

為了測量焦距，被測微透鏡位于測量光路光軸上以便于準直。利用高質(zhì)量平面鏡或光學

平面反射光線，反射光與參考波前結(jié)合形成干涉圖樣。建議首先將平面鏡對準，調(diào)節(jié)平面鏡，

直到干擾模式為零，即強度均勻分布。然后插入顯微鏡物鏡和微透鏡陣列，調(diào)整微透鏡的軸

向位置，直到干擾圖樣再次消失。或者，可以在兩個波面之間引入一個小傾角，以產(chǎn)生干擾

條帶的圖樣，并通過調(diào)整微透鏡的軸向位置進行設(shè)置，直到條帶是直線、平行和等距的。

然后，被測的微透鏡沿軸向移動，直到探測光束聚焦在鏡頭表面。在此位置，光線部分

通過貓眼光路反射回到干涉儀，形成帶狀圖案。調(diào)整微透鏡，直到條帶圖樣是名義上直線或

消失。

焦距測量可從被測微透鏡在以上兩個位置間的位移推導出，位移測量可以通過激光長度

測量干涉儀進行。

注：在實踐中，很少獲得完全直線干涉條帶。被測透鏡中的畸變效果是引入干涉條帶的彎曲，這些干

干涉條帶將視場而異。測試系統(tǒng)（特別是貓眼光路）中的殘余畸變也可能很明顯。

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附件B

（規(guī)范性）

微透鏡陣列有效后焦距或前焦距的共聚焦測量

B.1測量原理

陣列中的單個透鏡的有效后（前）焦距也可以使用共聚焦原理進行測量，如圖B.1所

示。光經(jīng)過陣列中的單透鏡聚焦，通過平面鏡和分束鏡反射，然后經(jīng)過聚焦透鏡及針孔入射

到探測器表面，當平面鏡位于微透鏡焦點位置A處于焦點位置時，通過針孔的光能最大，移

動當平面鏡到B的位置，使得微透鏡焦點反射到微透鏡頂點，此時通過針孔的光強達到另一

個最大值。兩個位置之間的距離是微透鏡有效焦距的一半。

標引序號說明：

1——A面鏡位置

2——B面鏡表面位置

3——微透鏡

4——分束器

5——聚焦透鏡

6——針孔

7——探測器

圖B.1微透鏡陣列有效焦距的測量

B.2微透鏡陣列測量系統(tǒng)

如圖B.2所示，依次將位移傳感器、平面鏡和位置可調(diào)的共焦光學系統(tǒng)進行安裝調(diào)整。

平面反射鏡在微透鏡陣列焦平面和微透鏡陣列表面之間，沿軸向調(diào)整位置，直到針孔傳輸光

能最大。利用探測器陣列（例如CCD）掃描檢測每個微透鏡孔徑光束的空間分布，并記錄每

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個子透鏡在CCD像面最大光強的位置。

標引序號說明：

1——位于微透鏡陣列焦平面處的鏡面；

2——微透鏡陣列；

3——分束器；

4——聚焦透鏡；

5——針孔；

6——探測器陣列。

圖B.2微透鏡陣列的有效后焦或前焦距測量

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附件C

（資料性）

耦合效率、成像質(zhì)量

C.1耦合效率

微透鏡在光耦合功能中也有廣泛應(yīng)用，例如微小光源的耦合，光纖耦合及探測器耦合等，

特別是光通信網(wǎng)絡(luò)中有著重要應(yīng)用。光耦合應(yīng)用中，耦合效率是其中關(guān)鍵的技術(shù)指標，該指

標通常由接收光功率和入射光功率的比值表示。聚焦點的大小是耦合效率的重要影響因素，

聚焦光斑由聚焦波前、波前畸變、照明波長下的數(shù)值孔徑，及于纖的輸入特性所決定。為了

獲得較高的耦合效率，需要考慮光纖數(shù)值孔徑匹配的問題[7]。

當聚焦光斑偏離理想點擴散函數(shù)時，光場能量將分布在更大的區(qū)域，可以采用斯特列爾

比來表示光束質(zhì)量，即實際點擴散函數(shù)與理想點擴散函數(shù)的光強比率[8]，并用幾何斯特列

爾比近似表示

其中σ是對應(yīng)波長波前畸變的均方根。

波前畸變可很容易通過如GB/T41869.2所述的干涉測量方法實現(xiàn)，利用現(xiàn)代波前分析

軟件從干涉圖計算斯特列爾比。

C.2成像質(zhì)量

微透鏡陣列在3D成像、光場成像等應(yīng)用領(lǐng)域也有較多涉及。評價微透鏡陣列的成像質(zhì)

量包括分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）兩種指標。分辨率的測試是通過微透鏡對分辨率測試

圖進行成像，然后利用顯微鏡檢測來量化圖像的質(zhì)量。調(diào)制傳遞函數(shù)可以通過特殊儀器進行

測量，利用微透鏡對小狹縫進行成像，然后將該圖像進行傅立葉分析。MTF也可以根據(jù)ISO

14880-2中所述的干涉測量的波前分析進行計算。MTF測量在ISO15529[3]中描述。

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附件D

（規(guī)范性）

微透鏡陣列焦點位置均勻性的測量

D.1測量原理

通過比較焦點位置的坐標和孔徑中心位置的坐標，獲得焦點位置偏移量。

微透鏡陣列中每個子透鏡（如GB/T41869.1中定義的）的焦點位置偏移通過在夏克-哈

特曼測試設(shè)置中用參考平面波平行照射陣列獲得。參考平面波的質(zhì)量需要通過剪切干涉等方

法進行測試。

D.2測量布置和測試設(shè)備

夏克-哈特曼測量光路布局如圖D.1所示。

標引序號說明：

1——參考平面波；

2——被測微透鏡陣列；

3——探測器陣列。

圖D.1焦點位置均勻性測量

D.3焦點位置均勻性測量

探測器位于微透鏡陣列的有效后焦面，記錄每個焦點的坐標。

將焦點位置的坐標與孔徑中心位置的坐標進行比較，以獲得陣列內(nèi)每個透鏡的焦點位置

偏移量ΔSx和ΔSy。

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參考文獻

[1]ISO14880-2，光學和光子學微透鏡陣列第2部分：波前像差測試方法

[2]ISO/TR14999-1，光學和光子學測量光學元件和光學系統(tǒng)的干涉測量第1部分：定

義和基本關(guān)系

[3]ISO15529，光學和光學儀器光傳輸功能采樣成像系統(tǒng)的模塊化傳輸功能（MTF）測

量原理

[4]測量中不確定性表達指南（GUM）、BIPM、IEC、IFCC、ISO、IUPAC、IUPAP、OIML，

1993年更正和重印

[5]MALACARA,D.OpticalShopTesting.JohnWileyandSons,1992

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13

GB/T41869.3—XXXX

前言

本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第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《光學和光子學微透鏡陣列》的第3部分，GB/T41869已經(jīng)發(fā)布

了以下部分：

——光學和光子學微透鏡陣列第1部分：術(shù)語；

——光學和光子學微透鏡陣列第2部分：波前像差的測試方法；

——光學和光子學微透鏡陣列第3部分：光學特性測試方法；

——光學和光子學微透鏡陣列第4部分：幾何特性測試方法；

本文件修改采用ISO14880-3:2006《光學和光子學微透鏡陣列第3部分：除波前像

差外的光學特性測試方法》。本文件與ISO14880-3:2006相比做了下述結(jié)構(gòu)調(diào)整：

——5.1對應(yīng)ISO14880-3:2006的5.1和5.2.1；

——5.3對應(yīng)ISO14880-3:2006的5.2.2；

——5.3.1對應(yīng)ISO14880-3:2006的5.2.2.1；

——5.3.2對應(yīng)ISO14880-3:2006的5.2.2.2；

——5.3.3對應(yīng)ISO14880-3:2006的5.2.2.3；

——5.3.4對應(yīng)ISO14880-3:2006的5.2.2.4；

——5.3.5對應(yīng)ISO14880-3:2006的5.2.2.5；

——5.3.6對應(yīng)ISO14880-3:2006的5.2.2.6；

——5.4.1對應(yīng)ISO14880-3:2006的5.3；

——5.4.2對應(yīng)ISO14880-3:2006的6.1；

——5.5對應(yīng)ISO14880-3:2006的6.2；

——5.6對應(yīng)ISO14880-3:2006的6.3；

——5.7對應(yīng)ISO14880-3:2006的6.4；

——第6章對應(yīng)ISO14880-3:2006的第7章；

——第7章對應(yīng)ISO14880-3:2006的第8章；

——第8章對應(yīng)ISO14880-3:2006的第9章。

本文件與ISO14880-3:2006的技術(shù)差異和原因如下：

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

——規(guī)范性引用文件用GB/T2831代替ISO10110-5；

——增加5.2測量方法的選擇，由于國際標準中針對微透鏡有效焦距測量，介紹了多種

方法，增加測量方法選擇章節(jié)，有助于界定各種方法最合適的應(yīng)用場景；

——增加5.4章測試程序，根據(jù)GB/T1.1-2020中對測試方法的編寫要求增加該章節(jié)；

——刪除ISO14880-3:2006的第6章；

本文件與ISO14880-3:2006相比，做了下述編輯性修改：

——標準名稱原英文名稱為“光學和光子學微透鏡陣列第3部分：除波前像差外的幾

2

GB/T41869.3-××××

光學和光子學微透鏡陣列

第3部分：光學特性測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了微透鏡的光學特性（波前像差以外的）的測試設(shè)備、測試程序、測量結(jié)果

處理等內(nèi)容。

本文件適用于在表面浮雕結(jié)構(gòu)微透鏡和梯度折射率微透鏡。

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，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改單）適用于本文件。

GB/T41869.1光學和光子學微透鏡陣列第1部分：術(shù)語

GB/T2831光學零件的面形偏差

3術(shù)語定義

GB/T41869.1中給出的術(shù)語和定義適用于本文件。

4基板測試

基底的光學質(zhì)量對微透鏡定義的焦點位置的質(zhì)量有貢獻，應(yīng)按照ISO10110-5進行量

化。

5測試方法

5.1測試原理

通過光學手段對被測微透鏡表面進行定位。通過測量定位焦點位置所需的軸向位移來確

定有效后(前)焦距。

微透鏡的測試原理類似于大透鏡的測試。然而，在許多情況下，微小透鏡的測量存在實

際問題，難以使用標準設(shè)備。一般來說，可以采用兩種光學技術(shù)。一種是基于顯微術(shù)，另一

種是基于干涉術(shù)。

第一種技術(shù)是利用顯微鏡通過聚焦來定位微透鏡的頂點。有效后(前)焦距是通過測量顯

微鏡在遠場源圖像上重新聚焦所需的位移來推導的，如圖1所示。

顯微鏡中的聚焦輔助裝置，如分視場聚焦光柵，使微透鏡的無特征頂點在用反射光觀察

時更容易定位。對于焦距測量，遠場點光源可以是光纖的發(fā)射尖端或照明的測試光柵。測試

可采用白光或單色光照明。

第二種波前測量技術(shù)使用波前傳感來定位測試表面或曲率中心。定位測試可借助以下設(shè)

1

GB/T41869.3—XXXX

備之一進行：

a)斐索干涉儀

b)泰曼-格林干涉儀

c)橫向剪切干涉儀；

d)沙克-哈特曼設(shè)備。

GB/T41869.2-2022和ISO/TR14999-1中對此作了更全面的描述。干涉法的一個優(yōu)點

是對于強像差透鏡，通過干涉圖可以很容易地推斷出焦距隨孔徑半徑的變化。缺點是測試受

限于干涉儀光源的波長。

標引序號說明：

1——遠點源；

2——基板和微透鏡產(chǎn)生聚焦點；

3——顯微物鏡；

4——顯微鏡軸向調(diào)整，以定位透鏡表面和焦點

5——分束器；

6——透鏡表面定位光源；批注[l1]:透鏡表面聚焦位置的光源；

7——電荷耦合設(shè)備（CCD）攝像機。

圖1用于測量微透鏡有效后焦距或前焦距的光路示意圖

5.2測試方法選擇

第5至9章側(cè)重于顯微鏡技術(shù)，而波前測量技術(shù)見附錄A到附錄D,附錄A規(guī)定基于斐

索干涉原理的微透鏡有效前后焦距測量方法，附錄B規(guī)定了基于共焦成像原理的微透鏡陣

列有效前后焦距測量方法，附錄C規(guī)定了微透鏡點擴散函數(shù)及MTF曲線測量方法，附錄D規(guī)

定了基于哈特曼波前傳感器的微透鏡陣列焦距均勻性測量方法。

焦距測試方法選擇，對于焦距測量精度要求不高，而且對測量設(shè)備成本限制較大的情況

下，采用顯微鏡測量法是較為便捷的方法。受限測量光學系統(tǒng)的設(shè)計和制作難度，對于數(shù)值

孔徑較大、曲面邊緣較為陡峭（通常大于30°）的微透鏡陣列，同時精度要求較高的情況

下，采用共焦測量技術(shù)為較為合適的方案。對于數(shù)值孔徑較小、曲面邊緣較為平緩（通常小

于30°）的微透鏡，采用干涉測量法可以獲得較高的測量精度

2

GB/T41869.3-××××

5.3測試設(shè)備

5.3.1總則

測試系統(tǒng)由裝有位移傳感器的顯微鏡、合適的光源、測試對象、顯微鏡攝像機、監(jiān)視器

和圖像分析儀（線掃描）組成。

5.3.2顯微鏡

顯微鏡符合以下要求：

1）需要配備對焦輔助裝置（如分割圖像測距儀）的顯微鏡，以便在無特征表面（如微

透鏡表面的頂點）上進行對焦設(shè)置；

2）機械設(shè)計應(yīng)允許將遠距離點光源或測試光柵放置在載有測試透鏡的載物臺下方。理

想情況下，測試透鏡與遠處點光源或測試光柵之間不需要額外的光學元件，如玻璃

板；

3）用校準后的位移傳感器測量測試面相對于顯微鏡物鏡的位移；

4）顯微鏡物鏡的數(shù)值孔徑(NA)應(yīng)大于測試透鏡在焦點處的數(shù)值孔徑。

5.3.3光源

光源符合以下要求：

1）輻射的光源發(fā)射波段應(yīng)使用在測試所需的波長或特定波長的波段內(nèi)發(fā)射輻射的光

源；

2）應(yīng)在實驗結(jié)果報告中說明光源的特性；

3）白光可以由石英鹵素燈結(jié)合合適的光闌提供；

4）在需要限制波長范圍的情況下，可以使用窄帶濾波器；

5）激光可用于單色照明和更高的強度。

5.3.4測試對象

測試對象符合以下要求：

a）可以采用遠場點光源作為成像物體，遠場點光源可以用光纖出射端近似。遠距離的

點光源應(yīng)與透鏡一起放置在軸線上并保持有效的長距離，以使焦距得以確定；

b）測試對象可以是一個網(wǎng)格，來研究特定的空間頻率和視場角下的光學特性；

c）探測器陣列采樣頻率足夠；

d）所使用的成像物體特性應(yīng)在測試報告文檔中說明。

5.3.5圖像顯示

圖像顯示符合以下要求：

a)如果顯微鏡產(chǎn)生的圖像被攝像機中繼到視頻顯示器上，可以使用電子強度顯示器來輔

助定位最佳焦點的位置；

b)應(yīng)調(diào)整探測器處的圖像強度，以保持來自探測器系統(tǒng)的線性響應(yīng)。

5.3.6標準表面

標準表面符合以下要求：

a）利用在特定波長下已知焦距的微透鏡作為標準件，來驗證和校準測量系統(tǒng)的性能；

3

GB/T41869.3—XXXX

b）利用已知高度的臺階樣品作為標準件，來驗證和標定位移測量系統(tǒng)的性能。

5.4測試程序

5.4.1準備

準備工作如下：

1）為了達到一致的結(jié)果，測試設(shè)備應(yīng)保持在溫度控制的環(huán)境中，最好在20°C±2℃，

不應(yīng)暴露在振動中；

2）待測試的光學表面應(yīng)清潔。未鍍膜的玻璃表面可以用酒精和棉毛安全地清洗。棉纖

維在接觸表面之前應(yīng)先在極少量的溶劑中浸泡，在光學表面僅擦拭一次后丟棄。這

樣可以最大限度地減少劃傷表面的機會。粉塵可以使用干凈的駝毛刷或過濾的壓縮

空氣去除；

3）鍍膜光學表面（如防反射表面）應(yīng)非必要不清潔。它們可以使用過濾的壓縮空氣進

行除塵；

4）應(yīng)按指導正確使用溶劑和清潔材料。

5.4.2總則

清潔待測透鏡和基板的表面。

5.5測量有效后焦或前焦距

測量有效后焦距或前焦距的步驟如下：

a）標準儀器校準程序應(yīng)定期進行，并對校準不確定度進行估計[4]；

b）驗證測試系統(tǒng)的性能，如下所述，測量標準球面的有效后（前）焦距，并將結(jié)果與

已知值進行比較；

c）顯微鏡聚焦在微透鏡的表面，然后移位聚焦在放置在無窮遠處的光柵或點光源的圖

像上。該圖像的最佳聚焦位置可以通過相機定位，光導攝像管通過線掃描顯示，確

定圖像中峰值強度最大的位移位置，相機系統(tǒng)的空間分辨率應(yīng)足以分辨圖像；

d）軸向位移使用位移傳感器進行測量。

5.6測量色差

a）一般來說，微透鏡相對簡單，不校正色差。焦距會隨著照明波長的變化而變化；

b）對于傳統(tǒng)透鏡，光線在兩個折射率截然不同的光學介質(zhì)之間的接口處折射而偏離。

對于球面焦距f和曲率半徑R符合以下關(guān)系：

（1）

其中n1（λ）和n2（λ）是在波長λ下，界面兩邊的介質(zhì)折射率。微透鏡的色差由兩種介

質(zhì)（n1（λ）和(n2（λ）)的分散特性決定。

光學材料色散的傳統(tǒng)特征化方法是色散系數(shù)，國內(nèi)光學行業(yè)多采用阿貝數(shù)表示,其定義

包括三個波長的材料折射率的值，即d光-波長587.6nm，F(xiàn)光-波長486.1nm,C光-波長在

656.3nm。

4

GB/T41869.3-××××

??=(???1)/(?????)(2)

阿貝數(shù)通常介于20和60之間。阿貝數(shù)較高的材料比阿貝數(shù)較低色散較少。

微透鏡材料的阿貝數(shù)可以通過測量相應(yīng)波長的焦距并組合公式（1）和（2）確定，

即：

????（1/??）/(1/???1/??)(3)

實際使用過程中，也可根據(jù)使用激光源的波長定義色散系數(shù)。微透鏡的焦距使用單色照

明在6.2中測量。然后，使用不同波長的單色照明重復測量，以推導出被定義為的色差。

(4)

式中：

Sz（λ）——軸向焦點位置；

λ1、λ2——照明波長；

獲得的值與微透鏡實際應(yīng)用中的性能有關(guān)，需要考慮基板的色散。此方法涉及測量焦