芯耀
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1 、引言
菲尼尔透镜凭借轻薄、大视场、低成本的优势，广泛应用于光学成像、太阳能聚光、激光准直等领域，其表面螺纹结构的轮廓精度直接决定光学聚焦效率、像差控制及成像质量。菲尼尔透镜螺纹多为微纳尺度的环形或螺旋形凸起/凹槽结构，传统二维测量方法仅能获取局部尺寸，无法完整表征螺纹的三维轮廓特征，难以满足高精度光学应用的质量管控需求。3D白光干涉仪凭借非接触测量特性、纳米级分辨率及全域三维形貌重建能力，可快速精准捕捉菲尼尔透镜螺纹的完整3D轮廓，为透镜制备工艺优化提供可靠数据支撑。本文重点探讨3D白光干涉仪在菲尼尔透镜螺纹光学3D轮廓测量中的应用。
2 、3D白光干涉仪测量原理
3D白光干涉仪以宽光谱白光为光源，经分束器分为参考光与物光两路。参考光射向固定参考镜反射，物光经高数值孔径物镜聚焦后照射至菲尼尔透镜螺纹表面，反射光沿原路径返回并与参考光汇交产生干涉条纹。因白光相干长度极短（仅数微米），仅在光程差接近零时形成清晰干涉条纹。通过压电陶瓷驱动装置带动参考镜进行精密扫描，高灵敏度探测器同步采集干涉条纹强度变化，形成干涉信号包络曲线，曲线峰值位置精准对应螺纹表面各点的三维坐标。结合环形扫描拼接与轮廓拟合技术，可完整重建菲尼尔透镜螺纹的全域3D轮廓，精准提取螺纹高度、螺距、齿宽、侧壁倾角等核心光学参数，其垂直分辨率可达亚纳米级，适配微纳尺度菲尼尔螺纹的高精度测量需求。
3 、3D白光干涉仪在菲尼尔透镜螺纹测量中的应用
3.1 螺纹3D轮廓精准重建与参数提取
针对菲尼尔透镜螺纹（高度50 nm-10 μm、螺距100 nm-50 μm）的测量需求，3D白光干涉仪可通过优化测量策略实现精准表征。测量时，根据透镜尺寸选取环形扫描路径与适配物镜倍率，对螺纹区域进行全域扫描，通过三维点云拼接技术重建完整的螺纹3D轮廓。采用轮廓分割与特征提取算法，自动识别螺纹的齿顶、齿谷及侧壁轮廓，精准计算螺纹高度（齿顶与齿谷高度差）、螺距（相邻螺纹齿顶间距）、齿宽及侧壁倾角等参数。实验数据表明，其螺纹高度测量误差≤2 nm，螺距测量误差≤5 nm，可有效捕捉注塑、切削等制备工艺中参数波动导致的轮廓偏差，为工艺优化提供精准量化依据，同时支持全口径透镜的螺纹均匀性评估。
3.2 螺纹形貌缺陷同步检测
菲尼尔透镜制备过程中易出现的螺纹齿顶塌陷、齿谷残留、侧壁不平整、局部缺齿等缺陷，会严重影响光学聚焦性能。3D白光干涉仪在重建螺纹3D轮廓的同时，可同步识别此类缺陷。当检测到齿顶塌陷深度超过50 nm、侧壁倾斜角度偏差超过1°，或存在长度超过200 nm的缺齿缺陷时，可判定为不合格产品。通过缺陷的尺寸、位置量化分析，可追溯模具精度、注塑压力、冷却速度等制备环节的问题。例如，当出现大面积齿谷残留时，可反馈调整模具抛光精度或注塑工艺参数，提升螺纹成型质量。
相较于传统光学显微镜的二维观测局限，3D白光干涉仪可提供完整的螺纹3D轮廓信息，实现多维度参数的精准量化；相较于原子力显微镜的点扫描低效率缺陷，其具备更快的全域扫描速度（单口径透镜测量时间≤10 s），可满足产业化批量检测需求。同时，非接触测量模式可避免划伤菲尼尔透镜精密光学表面，保障样品完整性。通过为菲尼尔透镜螺纹提供全面、精准的3D轮廓测量数据及缺陷检测结果，3D白光干涉仪可助力构建严格的质量管控体系，提升透镜制备良率与光学性能稳定性，为光学器件产业化发展提供关键技术支撑。
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（以上数据为新启航实测结果）
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