衍射光學元件（DOE）因其在波前調制和色差校正方面的優勢，廣泛應用于紅外光學系統等領域。然而，其非連續面形結構（如相位突變點和臺階高度）使得傳統檢測方法難以滿足精度要求。費曼儀器致力于為全球工業智造提供提供精準測量解決方案，Flexfilm探針式臺階儀可以實現表面微觀特征的精準表征與關鍵參數的定量測量，精確測定樣品的表面臺階高度與膜厚，為材料質量把控和生產效率提升提供數據支撐。

本文采用探針式臺階儀對口徑120 mm的衍射光學元件進行檢測，分析了探針圓弧（半徑2–5 μm）、刀具“過切”和探針跳躍等誤差源，并通過數據濾波、微分處理和擬合算法，提取了臺階高度誤差（0.1 μm）和位置誤差（1 μm）。最終，將處理后的誤差數據反饋至補償加工過程，實現了面形誤差0.539 μm的精密制造，為DOE的高精度加工提供了有效的檢測與數據處理方法。

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衍射光學元件特征

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光學設計的衍射面形示意圖

工作原理：基于光的衍射效應，通過微浮雕結構調制波前。

數學模型：CODE V中的衍射面方程，包含非球面基底與衍射疊加部分。

結構特點：衍射結構疊加于非球面基底，相位突變由取整函數控制。

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檢測原理及分類

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衍射臺階檢測微區示意圖

接觸式測量：臺階儀，X向光柵尺定位，Z向壓電陶瓷記錄，精度納米級。

非接觸式測量：干涉儀，適用于連續面形，但對突變點檢測困難。

選擇理由：臺階儀能捕捉突變信號，但需處理探針誤差和程序“死區”。

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面形誤差與臺階高度分析

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臺階儀自帶程序處理圖

去除非球面基底后面形及臺階高度計算圖例

通過臺階儀檢測獲取的原始數據經基底去除后，得到衍射面形誤差分布。進一步通過擬合突變點兩側平臺高度差，計算臺階高度誤差為0.1 μm，面形總誤差為0.539 μm。結果表明，臺階儀能有效捕捉高度信息，但需通過算法補償探針圓弧引起的測量偏差。

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突變點位置誤差分析

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衍射突變點位置數據

補償加工后面形

為獲取影響衍射效率的關鍵位置參數，對濾波后的數據進行微分處理，提取相位突變點位置。結果顯示，位置誤差控制在1 μm以內，滿足光學設計對相位突變點的精度要求。該方法克服了干涉儀在突變點檢測中的局限性，凸顯了臺階儀在非連續面形檢測中的優勢。

臺階儀在光學元件衍射面檢測中發揮了關鍵作用，通過數據處理有效提取了臺階高度與位置誤差，支撐了面形誤差0.539 μm的高精度加工。該方法為衍射光學元件的精密制造提供了可靠的檢測與補償依據。

Flexfilm探針式臺階儀

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在半導體、光伏、LED、MEMS器件、材料等領域，表面臺階高度、膜厚的準確測量具有十分重要的價值，尤其是臺階高度是一個重要的參數，對各種薄膜臺階參數的精確、快速測定和控制，是保證材料質量、提高生產效率的重要手段。

• 配備500W像素高分辨率彩色攝像機
• 亞埃級分辨率，臺階高度重復性1nm
• 360°旋轉θ平臺結合Z軸升降平臺
• 超微力恒力傳感器保證無接觸損傷精準測量

費曼儀器作為國內領先的薄膜厚度測量技術解決方案提供商，Flexfilm探針式臺階儀可以對薄膜表面臺階高度、膜厚進行準確測量，保證材料質量、提高生產效率。

原文參考：《衍射光學元件檢測及數據處理》

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