ISO 14880-32024 光学和光子学 - 微透镜阵列 - 第3部分除了波前像差之外的光学性质的测试方法标准立项发展报告

光学和光子学-微透镜阵列-第3部分：除了波前像差之外的光学性质的测试方法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Opticsandphotonics—Microlensarrays—Part3:Testmethodsforopticalpropertiesotherthanwavefrontaberrations摘要随着微光学技术在生物医学成像、消费电子、激光加工、增强现实/虚拟现实（AR/VR）及光通信等领域的迅猛发展，微透镜阵列作为核心光学元件的质量控制和性能评价需求日益迫切。现行有效的ISO14880-3:2024《光学和光子学—微透镜阵列—第3部分：除了波前像差之外的光学性质的测试方法》由国际标准化组织（ISO）于2024年11月13日正式发布，替代了此前版本，为微透镜阵列的焦距、焦线长度、成像质量、像散、畸变等关键光学特性的测试提供了统一规范。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容、主要修订变化及预期应用价值，并对国内标准转化与产业对接路径提出建议。报告认为，该标准的发布与实施将有效促进微光学元器件的全球贸易互认和产业链质量协同，建议国内相关标准化技术组织加快采用转化进程，同步完善配套检测能力建设。关键词：微透镜阵列；光学测试；国际标准；ISO14880；光学性能评价；标准化Keywords:Microlensarrays;Opticaltesting;Internationalstandards;ISO14880;Opticalperformanceevaluation;Standardization1引言1.1背景概述微透镜阵列（MicrolensArray,MLA）是由一系列微型透镜单元按特定规律排列而成的光学元件，单个透镜单元的尺寸通常在数微米至数毫米之间。近年来，随着微纳加工技术的持续革新，微透镜阵列已在多个战略性新兴领域获得广泛应用：在生物医学领域，微透镜阵列用于内窥成像、流式细胞检测和光遗传学调控；在消费电子领域，其广泛应用于3D传感、屏下指纹识别和结构光投影系统；在激光加工领域，微透镜阵列被用于光束匀化、分束和整形；在AR/VR显示中，微透镜阵列作为关键光学引擎组件，直接决定显示分辨率和视场角。然而，微透镜阵列的性能评价方法长期处于多元化和不统一的状态。不同制造商和使用方各自建立内部测试规程，导致产品质量指标难以横向比较，国际贸易和技术交流存在壁垒。同时，微透镜阵列的光学性能与传统光学元件相比具有特殊性——其单元尺寸小、排列密度高，常规光学测试方法难以直接适用，需要专门的测试技术规范。1.2标准立项的必要性在此背景下，国际标准化组织ISO/TC172（光学和光子学技术委员会）启动了微透镜阵列系列标准的制定工作。ISO14880系列标准旨在为微透镜阵列提供系统、全面的测试方法体系。其中，ISO14880-3聚焦于除波前像差（WavefrontAberration）之外的其他关键光学性能测试，与ISO14880-1（术语与基本定义）和ISO14880-2（波前像差测试方法）等部分协同构成完整的测试标准矩阵。该标准的立项和发布，填补了微透镜阵列光学性能标准化测试方法的国际空白，对规范全球微光学产业秩序具有里程碑意义。2标准基本信息2.1标准编号与名称-标准编号：ISO14880-3:2024-标准名称：光学和光子学—微透镜阵列—第3部分：除了波前像差之外的光学性质的测试方法-英文名称：Opticsandphotonics—Microlensarrays—Part3:Testmethodsforopticalpropertiesotherthanwavefrontaberrations2.2标准状态与发布信息-标准状态：现行（Active）-发布机构：国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization,ISO）-发布日期：2024年11月13日-发布年份：2024年-国别：国际组织-语言：英语2.3标准分类-ICS分类号：光电子学、激光设备（Optoelectronics,LaserEquipment）2.4版本与获取信息-版本说明：电子版加密PDF格式，约1分钟可下载，有水印，需安装FileOpen插件，电脑需联网，限制累计3台电脑共打印5次-售价：808.0元（瑞士法郎计价折算）3标准编制历程3.1立项背景ISO14880系列标准的制定工作始于21世纪初。随着微透镜阵列在光通信和光互连领域的规模化应用，国际社会对该类元件测试方法的标准化需求持续增强。ISO/TC172技术委员会下设的WG9工作组（微光学工作组）专门负责微光学元件标准的制定工作。ISO14880-3的首版发布于2006年（ISO14880-3:2006），彼时主要针对微透镜阵列的焦距、焦线长度和成像质量的测试方法进行了初步规范。经过近二十年的技术演进，微透镜阵列的制造工艺、应用领域和性能要求均发生了显著变化：-制造工艺：从传统的灰度光刻、离子交换工艺，发展到飞秒激光直写、纳米压印、3D光刻等先进制造技术，阵列单元尺寸更小、面形精度更高、排列形式更多样；-应用领域：从早期的光通信扩展到消费电子、生物医疗、智能驾驶、AR/VR等众多新兴领域，测试需求和性能指标出现了显著分化；-测试技术：显微干涉、计算全息、数字全息显微、点扩散函数分析等新技术不断成熟，为更高精度的光学性能测试提供了技术手段。3.2修订过程ISO/TC172/WG9工作组于2020年左右启动了ISO14880-3:2006的修订工作。修订过程经过多轮委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）和最终国际标准草案（FDIS）阶段的严格的投票和评审程序，汇集了来自德国、日本、中国、美国、韩国等主要微光学技术国家的专家意见。2024年11月13日，修订后的ISO14880-3:2024正式发布。相较于2006年首版，2024版在技术内容、适用范围和测试方法等方面均有显著提升。4标准核心技术内容ISO14880-3:2024规定了微透镜阵列除波前像差之外的关键光学性能参数的测试方法。该标准与ISO14880-1中定义的术语和定义配套使用，并引用了ISO14880-2中关于波前像差的测试方法。其主要规范的技术内容包括以下几个方面：4.1焦距（FocalLength）测试焦距是微透镜阵列最基本的光学参数之一，直接决定了系统的成像关系和光束控制能力。ISO14880-3:2024规定了微透镜阵列焦距的多种测量方法，包括但不限于：-聚焦法：通过精密位移平台沿光轴方向扫描，精确确定聚焦光斑最小位置，从而获得焦距值；-放大率法：利用已知放大倍率的成像系统，通过测量像面位置和物像关系反推焦距；-干涉法：采用干涉测量手段获取波面曲率半径信息，进而计算焦距值。标准中明确了各方法的适用条件、测量不确定度评估方法和环境控制要求。对于不同数值孔径（NA）和不同单元尺寸的微透镜阵列，标准推荐了适宜的测试方法。4.2焦线长度（FocalLineLength）测试焦线长度是用于描述柱面微透镜阵列或具有非对称形状微透镜单元的光学元件的重要参数。标准规定了焦线长度的测量装置和测量步骤，确保测量结果的一致性和可重复性。4.3成像质量（ImageQuality）评估对于用于成像目的的微透镜阵列，成像质量是核心性能指标。ISO14880-3:2024规定了以下成像质量测试方法：-调制传递函数（MTF）测量：采用针尖法、狭缝法或刃边法测量微透镜阵列的MTF曲线，评估其空间分辨率特征；-点扩散函数（PSF）分析：通过高分辨率探测器采集微透镜阵列各单元的点扩散函数，评估焦斑直径、能量集中度等参数；-畸变（Distortion）测试：通过标准测试靶标成像分析，定量评估微透镜阵列成像的几何畸变特征。4.4像散（Astigmatism）测量像散是微透镜阵列中常见的像差类型，特别是对于非球面微透镜或注塑成型微透镜阵列。标准规定了利用不同方向分辨率差异或干涉测量手段评估像散大小的方法。4.5数值孔径（NumericalAperture）测定数值孔径决定微透镜阵列的集光能力和分辨率上限，标准规定了基于焦距和通光口径的数值孔径计算方法，也给出了直接测量法。4.6透过率（Transmittance）测试对于特定应用场景（如激光系统），微透镜阵列的光谱透过率是重要性能参数。标准规定了微透镜阵列在指定光谱范围内的透过率测量方法，包括总透过率和漫透过率的分项测量。4.7环境适应性测试2024版修订新增或强化了微透镜阵列在不同环境条件下的光学性能稳定性测试要求，包括温度变化对焦距和成像性能的影响等，以适应更广泛的应用场景需求。5主要修订变化ISO14880-3:2024相较于2006年版的主要技术修订包括以下几个方面：第一，扩展了适用范围。新版标准不仅覆盖折射型微透镜阵列，还纳入了衍射型微透镜元件和混合型微光学阵列的测试要求，回应了技术发展的现实需要。第二，引入了现代测试技术。鉴于近十余年精密测量技术的飞速发展，新版本标准补充了基于数字全息显微、计算成像和干涉显微等先进手段的测试方案，提高了测试精度和效率。第三，细化了不确定度评估要求。新版标准对各测试方法给出了更详细的测量不确定度来源分析和评估指南，提升了测试结果的可比性和可信度。第四，完善了测试条件与环境要求。新版标准对测试环境的温度、湿度、振动和洁净度等条件给出了更加严格和明确的规定，减小了环境因素对测量结果的影响。第五，协调了系列标准之间的关系。新版标准在引用ISO14880-1术语标准和ISO14880-2波前像差测试方法的基础上，进一步明确了各标准之间的技术边界和衔接方法，避免了重复和矛盾。6标准的主要修订单位6.1主要起草单位ISO14880-3:2024标准的制修订工作由ISO/TC172“光学和光子学”技术委员会（TechnicalCommitteeISO/TC172,Opticsandphotonics）负责组织，其下设的WG9（微光学工作组）具体承担该标准的起草和修订工作。在参与该标准制修订工作的各国技术专家中，德国标准化协会（DIN）作为ISO/TC172的秘书处承担单位，为标准的组织协调和技术论证提供了关键支持。德国作为全球微光学技术研发和产业化水平最高的国家之一，在微光学元件设计、制造和测试领域拥有深厚的技术积累，其微光学领域的技术专家在标准技术内容的确立过程中发挥了重要的引领作用。此外，来自中国、日本、美国、韩国等成员体的专家也积极参与了该标准的制修订工作。中国作为全球微透镜阵列重要的制造和消费大国，通过全国光学和光子学标准化技术委员会（SAC/TC103）组织国内专家参与了该标准的国际研讨和意见反馈工作，在标准技术指标的合理性论证和适用性评估方面作出了积极贡献。6.2全国光学和光子学标准化技术委员会（SAC/TC103）全国光学和光子学标准化技术委员会（以下简称SAC/TC103）是对口ISO/TC172的国内技术归口单位，由国家标准化管理委员会批准成立，秘书处设在中国电子科技集团公司第十一研究所（华北光电技术研究所）。SAC/TC103的主要职责包括：1.国际标准跟踪与转化：负责跟踪ISO/TC172及其下属各工作组的国际标准动态，组织国内专家参加国际标准会议，及时将适用的国际标准转化为国家标准或行业标准；2.国家标准制修订：组织开展光学和光子学领域基础通用、产品方法类国家标准的制修订工作，构建覆盖光学术语、光学元件、光学仪器、光电子器件等方向的标准体系；3.标准宣贯与培训：组织开展光学领域重要标准的宣贯和培训活动，推动标准在行业内的有效实施；4.技术咨询服务：为企业提供光学标准化技术咨询服务，指导企业开展产品检测和标准化工作。在ISO14880-3:2024标准制定过程中，SAC/TC103组织了国内微光学领域的科研院所、高校及骨干企业的专家，系统梳理了国内微透镜阵列产业的技术现状和测试需求，向ISO/TC172/WG9提交了多次中国意见，相关建议在标准修订过程中得到了采纳和兼顾。7标准的应用与影响7.1对产业发展的促进ISO14880-3:2024的实施将在多个层面对微光学产业产生积极促进作用：统一了测试基准，促进国际贸易。微透镜阵列产品的国际贸易快速增长是近年来的显著趋势。该标准的实施使得不同国家和地区的制造商、采购商和第三方检测机构能够在同一技术语言和测试基准下进行质量交流和贸易对接，有效降低因测试方法不一致导致的贸易摩擦和重复检测成本。提升了质量控制水平。该标准为微透镜阵列制造商建立起了规范的质量检测体系框架。制造商可以参照标准要求完善出厂检测流程、统一检测设备配置、规范检测报告内容，从而提升产品质量的一致性和可靠性。引导技术研发方向。标准中明确的测试方法和性能评价指标在一定程度上反映了产业界对微透镜阵列性能的核心关注点，为技术研发提供了方向性指引，有助于集中创新资源攻克关键性能瓶颈。7.2各应用领域的具体价值消费电子领域：智能手机中的3D结构光模组、屏下指纹识别模组等均采用微透镜阵列作为核心光学元件。该标准为消费电子供应链中的微透镜阵列来料检验和质量管控提供了统一依据，有利于保障终端产品性能的一致性。激光加工领域：光束匀化器和分束器等激光加工关键器件大量采用微透镜阵列。通过标准规定的焦距、透过率和焦线长度等测试方法，激光设备制造商可以更为准确地评估微透镜阵列在特定功率和波长条件下工作的适宜性。AR/VR领域：衍射波导和微透镜阵列光学引擎是AR/VR显示设备的核心部件。标准中规定的成像质量测试和像散评估方法可为微透镜阵列在近眼显示系统中的性能验证提供有益参考。7.3对我国标准化工作的启示我国是全球微透镜阵列的制造大国和消费大国，但在该领域的国际标准话语权仍有较大提升空间。ISO14880-3:2024的发布对我国标准工作提出了以下要求：首先，加快推进标准转化。建议SAC/TC103尽快启动ISO14880-3:2024的采标工作，将其转化为国家标准或行业标准，确保国内产业界能够及时使用最新国际标准。其次，加强检测能力建设。配套建设符合国际标准要求的微透镜阵列检测实验室，完善检测设备和人员的配置，形成与国际接轨的第三方检测服务能力。再次，深度参与国际标准制定。在微光学领域积极参与ISO/TC172/WG9的国际标准制定工作，通过承担工作组召集人、提交标准提案等方式提升中国在国际微光学标准化领域的影响力和话语权。8结论与展望ISO14880-3:2024《光学和光子学—微透镜阵列—第3部分：除了波前像差之外的光学性质的测试方法》的正式发布，标志着微透镜阵列光学性能测试方法的国际标准化迈上了新台阶。作为ISO14880系列标准的重要组成部分，该标准通过系统规范焦距、焦线长度、成像质量、像散、数值孔径、透过率等关键光学性能参数的测试方法，为全球微透镜阵列产业的健康发展提供了重要的技术支撑。展望未来，随着微纳光学技术的持续进步和新兴应用的不断涌现，微透镜阵列标准化工作仍面临诸多新课题。一方面，随着超表面光学元件、衍射光学元件等新型微光学结构的兴起，现有测试方法体系需要持续拓展和完善；另一方面，人工智能辅助光学设计、在线检测和智能制造等新技术的融入，也将为微光学测试方法标准化带来新的机遇与