衍射光学元件DOE：台阶高度与位置误差的测量

衍射光学元件（DOE）因其在波前调制和色差校正方面的优势，广泛应用于红外光学系统等领域。然而，其非连续面形结构（如相位突变点和台阶高度）使得传统检测方法难以满足精度要求。费曼仪器致力于为全球工业智造提供提供精准测量解决方案，Flexfilm探针式台阶仪可以实现表面微观特征的精准表征与关键参数的定量测量，精确测定样品的表面台阶高度与膜厚，为材料质量把控和生产效率提升提供数据支撑。

本文采用探针式台阶仪对口径120 mm的衍射光学元件进行检测，分析了探针圆弧（半径2–5 μm）、刀具“过切”和探针跳跃等误差源，并通过数据滤波、微分处理和拟合算法，提取了台阶高度误差（0.1 μm）和位置误差（1 μm）。最终，将处理后的误差数据反馈至补偿加工过程，实现了面形误差0.539 μm的精密制造，为DOE的高精度加工提供了有效的检测与数据处理方法。

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衍射光学元件特征

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光学设计的衍射面形示意图

工作原理：基于光的衍射效应，通过微浮雕结构调制波前。

数学模型：CODE V中的衍射面方程，包含非球面基底与衍射叠加部分。

结构特点：衍射结构叠加于非球面基底，相位突变由取整函数控制。

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检测原理及分类

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衍射台阶检测微区示意图

接触式测量：台阶仪，X向光栅尺定位，Z向压电陶瓷记录，精度纳米级。

非接触式测量：干涉仪，适用于连续面形，但对突变点检测困难。

选择理由：台阶仪能捕捉突变信号，但需处理探针误差和程序“死区”。

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面形误差与台阶高度分析

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台阶仪自带程序处理图

去除非球面基底后面形及台阶高度计算图例

通过台阶仪检测获取的原始数据经基底去除后，得到衍射面形误差分布。进一步通过拟合突变点两侧平台高度差，计算台阶高度误差为0.1 μm，面形总误差为0.539 μm。结果表明，台阶仪能有效捕捉高度信息，但需通过算法补偿探针圆弧引起的测量偏差。

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突变点位置误差分析

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衍射突变点位置数据

补偿加工后面形

为获取影响衍射效率的关键位置参数，对滤波后的数据进行微分处理，提取相位突变点位置。结果显示，位置误差控制在1 μm以内，满足光学设计对相位突变点的精度要求。该方法克服了干涉仪在突变点检测中的局限性，凸显了台阶仪在非连续面形检测中的优势。

台阶仪在光学元件衍射面检测中发挥了关键作用，通过数据处理有效提取了台阶高度与位置误差，支撑了面形误差0.539 μm的高精度加工。该方法为衍射光学元件的精密制造提供了可靠的检测与补偿依据。

Flexfilm探针式台阶仪

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在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，Flexfilm探针式台阶仪可以对薄膜表面台阶高度、膜厚进行准确测量，保证材料质量、提高生产效率。

原文参考：《衍射光学元件检测及数据处理》

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