[发明专利]光谱共焦法实现GRIN透镜厚度的测量方法及测量系统

说明书

本发明提供一种光谱共焦法实现GRIN透镜厚度的测量方法及测量系统，解决现有方法对GRIN透镜厚度测量不准确的问题。本发明为实现径向GRIN透镜基于光谱共焦法的厚度测量，依据光谱共焦法的色散原理，结合径向GRIN透镜的光线传播特性，建立了光谱共焦法的径向GRIN透镜测厚模型，基于光谱共焦法得到透镜上下表面空气中的焦点位置的差值，利用梯度折射率以及焦点位置的差值h₀与透镜厚度H的函数关系，解算径向GRIN透镜的厚度H，实现径向GRIN透镜基于光谱共焦法的厚度测量。

技术领域

本发明属于光电传感系统精密测量领域，具体涉及一种光谱共焦法实现 GRIN透镜厚度的测量方法及测量系统。

背景技术

径向梯度折射率(Gradient Index,GRIN)透镜是一种折射率连续变化、平端面的圆柱状透镜，光线在其内部呈曲线传播；该径向GRIN透镜具有超短焦距、成像性能优良等特点，同时该径向GRIN透镜外形结构简单、体积小便于集成，可广泛应用于光纤传感、光通讯等微型集成光学仪器领域。

图1所示为1/4周期长度即0.25节距的径向GRIN透镜的光线传播轨迹及折射率分布，折射率在透镜轴面沿直径方向呈梯度变化，从中心到边缘逐渐减小，在中心轴线处折射率最大，等折射率面是中心轴对称的圆柱面，入射的光束能够平滑且连续的汇聚到端面中心，GRIN透镜也称为自聚焦透镜，常用于微小光学、集成光学领域中光束的准直、聚焦或耦合。径向GRIN透镜的折射率分布函数为：n(r)为距离轴心r处的折射率，n₀为轴心折射率，α为折射率分布系数，又称聚焦常数。

随着纳米材料聚合工艺、3D打印等新技术应用于径向GRIN透镜的制备，使径向GRIN透镜在微小体积内实现了前所未有的折射率调制，同时高精度的测量厚度参数有助于指导径向GRIN透镜的准确应用并把控相关超精密光学仪器的性能，因此对径向GRIN透镜的厚度要求越来越精确。

近年来，为实现透镜厚度非接触精密测量，学者们提出了光谱共焦显微法、激光自动对焦扫描法、光谱干涉法、共面电容法等；除光谱共焦法外，其他测量方法的主要缺点表现为测量精度低(μm量级)、测量过程复杂，而光谱干涉法易受杂光、振动等环境因素干扰导致设备性能不可靠亦无法满足高准确度的测量需求。

共焦显微术的概念首先是由美国的Minsky于1955年提出，光谱共焦技术在共焦显微术基础上发展而来。1984年Molesini等学者使用一组色差经特殊设计的镜头，搭建了一台基于波长位移编码原理的表面轮廓仪，随后国内外许多学者利用色差共焦技术在测量领域做了许多深入研究，并衍生出许多应用实例：如表面轮廓及形貌的测量、精细结构的测量、位移测量、光学玻璃及生物薄膜的厚度测量等。

光谱共焦显微法使用宽谱光源照射物体表面，利用光学色散原理使色散物镜产生轴向色差，建立色散距离与波长间的对应关系，利用光谱仪探测聚焦于物体表面并反射回来的光谱峰值波长，获得精确的轴向位置或微小位移数据，该系统能够突破普通光学显微镜的衍射极限，达到nm量级的超高距离测量分辨率，且不受物体表面弯曲、倾斜的影响，对环境及材料具有广泛的适应性。在进行透明材料测量时，前后表面均会反射回特定波长的光，根据光谱曲线的两个峰值对应于前后表面的空间位置，即可推算出玻璃或金属薄膜的厚度及其分布情况，具有多表面层析的特点。

如图2所示，光谱共焦系统中复色光源发出宽光谱复色白光，通过光纤、耦合器，把发出的探测光传输到色散探头中的色散物镜，经色散物镜产生轴向色散，各光谱形成对应的单色聚焦点，在一定范围内的出射光轴方向形成聚焦位置z_λ与波长λ之间的精确对应关系，波长λ与其聚焦位置z_λ之间的对应关系可通过光谱共焦系统的精确标定得到。