衍射光學(xué)元件（DOE）因其在波前調(diào)制和色差校正方面的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于紅外光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域。然而，其非連續(xù)面形結(jié)構(gòu)（如相位突變點(diǎn)和臺(tái)階高度）使得傳統(tǒng)檢測(cè)方法難以滿足精度要求。費(fèi)曼儀器致力于為全球工業(yè)智造提供提供精準(zhǔn)測(cè)量解決方案，Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以實(shí)現(xiàn)表面微觀特征的精準(zhǔn)表征與關(guān)鍵參數(shù)的定量測(cè)量，精確測(cè)定樣品的表面臺(tái)階高度與膜厚，為材料質(zhì)量把控和生產(chǎn)效率提升提供數(shù)據(jù)支撐。

本文采用探針式臺(tái)階儀對(duì)口徑120 mm的衍射光學(xué)元件進(jìn)行檢測(cè)，分析了探針圓弧（半徑2–5 μm）、刀具“過(guò)切”和探針跳躍等誤差源，并通過(guò)數(shù)據(jù)濾波、微分處理和擬合算法，提取了臺(tái)階高度誤差（0.1 μm）和位置誤差（1 μm）。最終，將處理后的誤差數(shù)據(jù)反饋至補(bǔ)償加工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了面形誤差0.539 μm的精密制造，為DOE的高精度加工提供了有效的檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理方法。

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衍射光學(xué)元件特征

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光學(xué)設(shè)計(jì)的衍射面形示意圖

工作原理：基于光的衍射效應(yīng)，通過(guò)微浮雕結(jié)構(gòu)調(diào)制波前。

數(shù)學(xué)模型：CODE V中的衍射面方程，包含非球面基底與衍射疊加部分。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：衍射結(jié)構(gòu)疊加于非球面基底，相位突變由取整函數(shù)控制。

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檢測(cè)原理及分類

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衍射臺(tái)階檢測(cè)微區(qū)示意圖

接觸式測(cè)量：臺(tái)階儀，X向光柵尺定位，Z向壓電陶瓷記錄，精度納米級(jí)。

非接觸式測(cè)量：干涉儀，適用于連續(xù)面形，但對(duì)突變點(diǎn)檢測(cè)困難。

選擇理由：臺(tái)階儀能捕捉突變信號(hào)，但需處理探針誤差和程序“死區(qū)”。

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面形誤差與臺(tái)階高度分析

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臺(tái)階儀自帶程序處理圖

去除非球面基底后面形及臺(tái)階高度計(jì)算圖例

通過(guò)臺(tái)階儀檢測(cè)獲取的原始數(shù)據(jù)經(jīng)基底去除后，得到衍射面形誤差分布。進(jìn)一步通過(guò)擬合突變點(diǎn)兩側(cè)平臺(tái)高度差，計(jì)算臺(tái)階高度誤差為0.1 μm，面形總誤差為0.539 μm。結(jié)果表明，臺(tái)階儀能有效捕捉高度信息，但需通過(guò)算法補(bǔ)償探針圓弧引起的測(cè)量偏差。

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突變點(diǎn)位置誤差分析

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衍射突變點(diǎn)位置數(shù)據(jù)

補(bǔ)償加工后面形

為獲取影響衍射效率的關(guān)鍵位置參數(shù)，對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行微分處理，提取相位突變點(diǎn)位置。結(jié)果顯示，位置誤差控制在1 μm以內(nèi)，滿足光學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)相位突變點(diǎn)的精度要求。該方法克服了干涉儀在突變點(diǎn)檢測(cè)中的局限性，凸顯了臺(tái)階儀在非連續(xù)面形檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。

臺(tái)階儀在光學(xué)元件衍射面檢測(cè)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，通過(guò)數(shù)據(jù)處理有效提取了臺(tái)階高度與位置誤差，支撐了面形誤差0.539 μm的高精度加工。該方法為衍射光學(xué)元件的精密制造提供了可靠的檢測(cè)與補(bǔ)償依據(jù)。

Flexfilm探針式臺(tái)階儀

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在半導(dǎo)體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領(lǐng)域，表面臺(tái)階高度、膜厚的準(zhǔn)確測(cè)量具有十分重要的價(jià)值，尤其是臺(tái)階高度是一個(gè)重要的參數(shù)，對(duì)各種薄膜臺(tái)階參數(shù)的精確、快速測(cè)定和控制，是保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機(jī)
• 亞埃級(jí)分辨率，臺(tái)階高度重復(fù)性1nm
• 360°旋轉(zhuǎn)θ平臺(tái)結(jié)合Z軸升降平臺(tái)
• 超微力恒力傳感器保證無(wú)接觸損傷精準(zhǔn)測(cè)量

費(fèi)曼儀器作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的薄膜厚度測(cè)量技術(shù)解決方案提供商，Flexfilm探針式臺(tái)階儀可以對(duì)薄膜表面臺(tái)階高度、膜厚進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，保證材料質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。

原文參考：《衍射光學(xué)元件檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理》

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