面对镜面、黑色及透明材料，如何实现高精度纳米级表面形貌的非接触式在线测量？【光学粗糙度】

光学粗糙度测量是工业生产中非常关键的一环，它能帮助我们评估产品表面的微观形貌，确保零部件的功能性和可靠性。然而，在测量像镜子一样光滑的表面（高反射表面）和像炭一样漆黑的材料（低反射材料）时，现有的光学测量方法确实会遇到挑战，导致测量精度下降。要理解这个问题，我们首先需要从被测物本身和测量技术原理入手。

表面（被测物）的基本结构与技术要求

想象一下，一个产品的表面就像它的皮肤。这层“皮肤”的微观结构，也就是我们常说的粗糙度、波纹度、形貌等，直接决定了产品的使用性能和寿命。比如，活塞在发动机气缸里上下运动，如果气缸内壁不够光滑，摩擦力过大，活塞就容易磨损，影响发动机效率甚至导致故障；又比如，光学镜片如果表面有微小的划痕或不平，就会影响光的折射和成像质量。

在精密制造领域，对产品表面的要求极高。这不仅包括肉眼可见的尺寸和形状，更包括微米甚至纳米级的表面微观特征。这些特征影响着材料的耐磨性、耐腐蚀性、密封性能、美观度以及光学性能等。因此，精准测量这些微观特征，是确保产品质量和性能的关键。

针对表面的相关技术标准简介

为了有一个统一的评判标准，工程界定义了许多参数来量化表面的微观特性。这些参数通常是从测得的表面轮廓数据中计算出来的，帮助我们更客观地评价表面质量。

• 算术平均偏差 Ra (Arithmetic Mean Deviation)：这是最常用、也最容易理解的粗糙度参数。它表示在取样长度内，所有轮廓点偏离理想中线的绝对值的平均值。你可以把它想象成测量一系列高高低低的“山峰”和“山谷”后，这些“山峰”和“山谷”距离平均水平线的平均高度。Ra值越小，表面越光滑。

• 最大轮廓高度 Rz (Maximum Profile Height)：这个参数描述了在取样长度内，最高的“山峰”到最深的“山谷”之间的垂直距离。Rz值能直观反映表面粗糙度的峰谷起伏程度。

• 均方根偏差 Rq (Root Mean Square Deviation)：Rq是Ra的另一种统计学表达，它对轮廓的较大起伏（即偏离平均线较大的点）更为敏感。如果说Ra是“平均身高”，那么Rq就像是考虑了“身高分布的离散程度”，更能反映那些突出的高点或深谷对整体粗糙度的影响。

• 轮廓峰高 Rp (Peak Height)：表示在取样长度内，最高轮廓峰的高度。

• 轮廓谷深 Rv (Valley Depth)：表示在取样长度内，最深轮廓谷的深度。

• 减小峰高 Rpk (Reduced Peak Height)、核心粗糙度深度 Rk (Core Roughness Depth)、减小谷深 Rvk (Reduced Valley Depth)：这些是用于描述负载面积曲线的参数，更细致地反映了表面在不同深度上的支撑和储油能力，在磨损和润滑分析中非常重要。

在进行这些参数的计算时，还会涉及“取样长度”和“截止波长”等概念，它们就像是我们在评估表面时设定的“放大倍数”和“筛选标准”，确保我们只关注特定尺度的表面特征。

实时监测/检测技术方法

在测量粗糙度时，市场上有多种主流技术方案。每种方案都有其独特的工作原理、优缺点和适用场景。理解这些原理能帮助我们更好地应对镜面和黑色材料的测量难题。

市面上各种相关技术方案

• 触针式测量法

  这种方法就像用一根非常细的探针（通常是金刚石）轻轻地在被测表面上“走”过，记录探针的上下起伏。

  • 工作原理：传感器会控制一根极细的金刚石触针，以恒定的力沿着被测表面进行线性扫描。当触针遇到表面的“山峰”和“山谷”时，会发生垂直位移。这个垂直位移通过一个精密的传感器（比如电感式传感器）转换为电信号。这些电信号经过放大、滤波和数字化处理后，就可以用来计算各种粗糙度参数，重构出二维的表面轮廓。

  • 物理基础：基于机械接触和位移传感原理。探针的微小形变或位移被传感器精确捕捉。

  • 核心性能参数典型范围：测量范围通常在±150 µm左右，分辨率能达到8 nm到几十纳米，触针尖端半径可小至 2 µm，测量速度相对较慢，一般在0.15 mm/s到1 mm/s。

  • 优点：

    • 结果可靠稳定：作为历史悠久且广泛使用的标准方法，其测量结果具有很高的可信度和追溯性。

    • 不受光学特性影响：由于是物理接触，所以无论表面是镜面、黑色还是透明，都不会影响其测量能力。

    • 操作简便：设备通常易于操作，适合车间和生产现场的质量控制。

  • 缺点：

    • 可能损伤表面：金刚石触针虽然硬度高，但对于非常柔软或易划伤的材料（如一些高分子薄膜、精密光学元件）可能会造成测量损伤。

    • 测量速度慢：触针需要逐点扫描，效率较低，不适合在线高速检测。

    • 无法测量微小特征：触针有一定半径，无法进入非常狭窄的深孔、细槽或微小特征内部。

    • 探针磨损：长时间使用会导致触针磨损，需要定期校准或更换。

  • 成本考量：中等，设备相对稳定耐用。

• 激光三角测量法

  这种方法就像用一束激光笔照射物体，然后从旁边观察光点的位置变化来判断距离。

  • 工作原理：传感器发射一束聚焦的激光束照射到被测物体表面。当光束接触表面后，会产生一个光斑。这个光斑的反射光经过一个接收镜头，聚焦到一个光敏探测器（如CMOS或CCD）上。如果被测物体的表面高度发生变化，反射光斑在探测器上的位置也会相应地发生移动。通过精确地计算光斑在探测器上的位置变化，并结合光学三角几何原理，就可以实时、非接触地测量出物体表面的高度信息。通过快速扫描，可以构建出二维轮廓甚至三维形貌数据，进而分析粗糙度。

  • 物理基础：基于几何光学中的三角测量原理。激光器、被测表面和探测器构成一个虚拟的三角形，根据几何关系，光斑在探测器上的位移可以转换为高度变化。

  • 核心性能参数典型范围：Z轴重复精度可达0.2 µm到数微米，X轴分辨率在10 µm到几十微米，测量速度高达64 kHz（每秒64000次采样），测量范围从±0.3 mm到±50 mm不等。

  • 优点：

    • 高速、非接触：能够进行在线实时检测和批量检测，不损伤被测物。

    • 对多种材料适应性：适用于金属、塑料、橡胶等多种材质的漫反射表面。

    • 操作简便：易于集成到自动化生产线中。

  • 缺点：

    • 镜面反射问题：当测量镜面（高反射）材料时，反射光路单一且强度极高，容易导致反射光偏离接收镜头或使探测器饱和，难以获得稳定信号。

    • 黑色材料问题：黑色（低反射）材料吸收大部分激光，反射光信号非常微弱，导致信噪比低，测量精度下降。

    • 对倾斜角敏感：当表面倾斜度过大时，反射光可能无法有效返回接收镜头，影响测量。

  • 成本考量：中等偏低，应用广泛。

• 白光干涉法

  这种方法就像用两束光（一束照镜子，一束照被测物）相互“比较”，找出它们路径上的细微差异来判断高度。

  • 工作原理：系统发射宽带白光（包含多种波长的光）。这束光通过一个分束器被分为两束：一束照射到被测表面，另一束照射到一个已知平整的参考镜。这两束光反射回来后，会在探测器处重新叠加，产生干涉条纹。由于白光的相干长度非常短（只有在光程差接近零时才能看到清晰的干涉条纹），通过精确垂直扫描参考镜或被测表面，寻找最清晰的干涉条纹（包络峰）出现的位置，就能精确计算出被测表面每个点的高度信息。通过对整个视场进行扫描，可以重构出高精度的三维表面形貌并计算粗糙度。

  • 物理基础：基于波动光学的干涉原理。当两束光的光程差 OPD （Optical Path Difference）满足 OPD = m * lambda （其中 m 是整数，lambda 是波长）时，会产生相长干涉，形成亮条纹；反之则产生相消干涉，形成暗条纹。白光干涉的关键在于，只有当光程差接近零时，所有波长的光都能产生相长干涉，从而形成一个高对比度的包络峰。

  • 核心性能参数典型范围：垂直分辨率可达0.01 nm，横向分辨率高达0.37 µm，测量范围典型可达10 mm，视场范围从0.36 mm x 0.36 mm到7.2 mm x 7.2 mm。

  • 优点：

    • 极高的垂直测量精度：可达到亚纳米级分辨率，能捕捉极其微小的表面起伏。

    • 非接触式测量：对被测物无损伤。

    • 三维形貌测量：能直接获取被测表面的三维数据。

  • 缺点：

    • 对环境敏感：容易受到振动、气流等环境因素的影响，需要稳定的测量环境。

    • 对表面反射率有要求：反射率过低（如黑色材料）会导致信号微弱，反射率过高（如镜面且倾斜）可能导致饱和或信号丢失，难以形成清晰干涉条纹。

    • 测量陡峭斜面能力有限：当表面倾斜度过大时，反射光难以返回并与参考光形成有效干涉。

  • 成本考量：高，属于精密测量设备。

• 色散共焦法

  这种方法很巧妙，它用一种特殊的镜头把不同颜色的光聚焦在不同的高度上。然后，它只接收那些“恰好”聚焦到被测表面上，并且被反射回来的特定颜色的光。通过识别这束光的颜色，就能知道被测表面在哪里。

  • 工作原理：色散共焦传感器内部含有一个特殊的色散光学系统。当一束宽带白光（或彩色激光）通过这个系统时，会发生色散现象，就像棱镜将白光分解成彩虹一样。这个色散效应使得不同波长的光被聚焦在沿着光轴的不同高度上。这意味着在光轴上，每一个特定的高度都对应着一个特定的聚焦波长。 当被测表面位于某个特定波长光的焦点处时，只有这个波长的光能够被表面反射，并通过一个共焦针孔（一个非常小的孔径）到达光谱仪（或光电探测器）。共焦针孔的作用是滤除掉所有来自非焦平面的离焦光和背景噪声，确保只有焦平面上的光信号能够被有效检测。光谱仪会分析接收到的反射光的波长成分。由于每个波长都唯一对应一个聚焦高度，通过精确识别反射光信号最强的波长，传感器就能够高精度地确定被测表面的距离。通过点扫描，可以构建出精确的二维轮廓或三维形貌。

  • 物理基础：

    • 色散效应：光在介质中传播时，不同波长的光具有不同的折射率，导致它们在通过透镜时聚焦位置不同。

    • 共焦原理：通过在探测器前放置一个共焦针孔，只有来自焦平面上的光才能通过，从而有效抑制离焦光和背景噪声，提高轴向分辨率和信噪比。

  • 公式（概念性）：可以理解为存在一个经过精密标定后的波长-距离映射关系，即 Z = f(λ_detected)。其中，Z 代表被测表面的高度，λ_detected 代表传感器接收到的反射光的主导波长。这个函数关系是传感器出厂时通过校准建立的。

  • 核心性能参数典型范围：轴向分辨率可达纳米级，测量频率可达数十kHz，测量范围宽泛，最小光斑尺寸可达几微米，并且部分特殊设计的型号可测量较大的陡峭斜面。

  • 优点：

    • 多材质适应性强：这是其最突出的优势之一。

      • 镜面材料：在测量镜面材料时，色散共焦法由于其共焦原理，即使反射光集中在一个狭窄的角度，只要能精确聚焦到表面，并反射回微弱的光线进入共焦针孔，就能被有效检测。这不像激光三角法可能因反射光偏离接收器而信号丢失。

      • 黑色材料：对于黑色材料，虽然光吸收率高导致反射信号非常弱，但色散共焦的共焦效应大大提高了系统的信噪比。它能够有效地滤除背景噪声和杂散光，使得即使是非常微弱的有效反射信号也能被高精度地检测和识别。

      • 还适用于透明材料、陶瓷等多种材质。

    • 高轴向分辨率：通过精确识别波长来确定距离，而不是依赖光强变化，因此具有极高的轴向精度。

    • 非接触式测量：对被测物无损伤。

    • 多层测量能力：能够识别并测量透明材料内部不同层面的距离和厚度，甚至无需已知材料折射率。

    • 测量倾斜面：部分型号具备测量大倾角表面的能力。

  • 缺点：横向分辨率通常不如光学显微镜，且设备成本相对较高。

  • 成本考量：高。

市场主流品牌/产品对比

• 德国马尔（采用触针式测量法）

  • 核心参数：测量范围典型±150 µm，分辨率8 nm ，触针尖端半径2 µm，测量速度0.15-1 mm/s。

  • 应用特点：作为行业标准，广泛应用于机械加工和制造行业，尤其适用于车间和生产现场的质量控制，对金属、陶瓷等常见工程材料的表面粗糙度进行可靠测量。

  • 独特优势：测量结果可靠稳定，操作简便，具有良好的便携性，而且其测量原理不受材料光学特性（如颜色、透明度、反射率）的影响。

• 英国泰勒霍普森（采用白光干涉法）

  • 核心参数：垂直分辨率0.01 nm，横向分辨率高达0.37 µm ，测量范围典型可达10 mm。

  • 应用特点：主要应用于光学元件、半导体晶圆、医疗器械等超精密制造领域，对这些部件表面的亚纳米级粗糙度、微观台阶高度和薄膜厚度进行高精度非接触式测量。

  • 独特优势：能够提供极高的垂直测量精度和亚纳米级分辨率的三维表面形貌数据，在超精密测量领域享有盛誉，产品稳定可靠。

• 法国斯蒂尔（采用色散共焦法）

  • 核心参数：轴向分辨率高达3 nm ，测量频率高达 70 kHz，测量点尺寸约2 µm，可测量高达±85°的陡峭斜面。

  • 应用特点：在半导体、玻璃、医疗器械、微电子等高精度测量领域有广泛应用，尤其擅长对镜面、透明、粗糙以及黑色等多种挑战性材质的表面进行非接触式、高速度的形貌和厚度测量。

  • 独特优势：极高的轴向分辨率，对多种材质表面（包括光学特性复杂的表面）具有良好的适应性，同时具备非接触、高速度和结构紧凑易于集成的特点。

• 日本基恩士（采用激光三角测量法）

  • 核心参数：Z轴重复精度高达0.2 µm，X轴分辨率10 µm，测量速度64 kHz，测量范围宽泛。

  • 应用特点：适用于生产线上的各种材料，包括金属、塑料、橡胶等，进行高速、高精度的在线实时检测和批量检测，例如测量物体的高度、轮廓和振动。

  • 独特优势：高速、高精度、非接触测量，操作简便，抗环境干扰能力强，在自动化检测和质量控制方面具有显著优势。

• 奥地利艾利康（采用焦点变化法）

  • 核心参数：垂直分辨率10 nm ，横向分辨率1.5 µm，测量范围可达330 mm x 330 mm x 330 mm，可测量高达87°的陡峭斜面。

  • 应用特点：广泛应用于工具制造、医疗技术、航空航天等领域，能够对具有挑战性的表面，如陡峭斜坡、复杂几何形状和粗糙表面进行非接触式三维测量。

  • 独特优势：非接触式三维测量能力强，特别擅长处理高倾角和复杂几何形状的表面，测量速度快，可用于生产环境中的质量控制。

选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在选择粗糙度测量设备时，仅仅了解技术原理还不够，还需要结合实际需求，关注一些关键技术指标：

• 分辨率 (Resolution)

  • 实际意义：传感器能识别的最小高度或横向距离变化。就像我们用不同像素的相机拍照，像素越高，照片细节越清晰。对于粗糙度测量，它决定了我们能捕捉到表面多细微的“山峰”和“山谷”。

  • 对测量效果的影响：直接影响测量结果的精细程度和准确性。如果分辨率不够高，就可能漏掉表面微小的缺陷或纹理，导致测量结果与真实情况有偏差。

  • 选型建议：对于微米甚至纳米级粗糙度的高精度测量，应选择轴向分辨率在10nm甚至1nm以下的传感器，横向分辨率也应控制在几微米以内。

• 精度 (Accuracy)

  • 实际意义：测量结果与被测物理量真实值之间的符合程度。可以理解为测得值与“真理”有多接近。

  • 对测量效果的影响：直接关系到测量结果的可靠性和可信度。低精度的测量数据，即使分辨率再高，也可能无法反映真实情况。

  • 选型建议：在需要严格控制公差的场景，例如航空航天、半导体等，应选择高精度传感器。

• 量程 (Measurement Range)

  • 实际意义：传感器能够测量的最大高度（Z轴）范围。

  • 对测量效果的影响：决定了传感器能够应对的表面起伏范围。如果被测物表面高低落差较大，而传感器量程太小，就可能无法完整测量，导致数据不全。

  • 选型建议：根据被测件的整体尺寸和最大高度变化来选择。如果仅测量微观粗糙度且表面相对平坦，小量程高分辨率型号可能更优；若涉及大尺寸部件的整体形貌测量或需要穿透厚透明材料，则需要选择大量程传感器。

• 光斑尺寸 (Spot Size) / 横向分辨率 (Lateral Resolution)

  • 实际意义：传感器测量光点的大小。光斑越小，能检测的表面细节越精细，能“看到”的最小特征尺寸越小。

  • 对测量效果的影响：决定了传感器能分辨的表面微观结构细节。例如，测量非常细的划痕或微电路的线宽时，光斑尺寸至关重要。

  • 选型建议：测量精细纹理、微小缺陷或对横向细节要求高的应用，应选择小光斑尺寸。

• 采样频率 (Sampling Frequency) / 测量速度 (Measurement Speed)

  • 实际意义：传感器每秒能进行多少次测量。

  • 对测量效果的影响：决定了测量效率，尤其是在线检测和高速扫描时。高采样频率意味着可以在更短的时间内获取更多的数据点，从而更快地完成检测或获得更密集的轮廓数据。

  • 选型建议：对于在线检测、需要快速获取大量数据或要求高吞吐量的自动化生产线，应选择高采样频率的设备。

• 材质适应性 (Material Adaptability)

  • 实际意义：传感器对不同光学特性的材料（如镜面、透明、黑色、漫反射等）的测量能力。

  • 对测量效果的影响：直接决定了传感器能否胜任特定材料的测量任务，尤其是在测量那些传统光学方法难以处理的表面时。

  • 选型建议：如果需要测量镜面或黑色材料，或者透明材料的厚度或内部结构，可考虑色散共焦传感器。

实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了合适的传感器，在实际应用中仍可能遇到各种挑战。了解这些问题并提前准备解决方案至关重要。

• 问题：镜面材料测量时信号丢失或过强。

  • 原因及影响：当光束照射到镜面材料上时，光线会发生高度集中的镜面反射。如果反射角度与传感器的接收角度不完全匹配，光信号就可能偏离接收器，导致信号丢失。反之，如果反射光束过于集中且强度极高，可能会使探测器瞬间饱和，同样无法获取有效数据，或数据失真。这就像用手电筒照镜子，如果眼睛不在反射线上，就看不到光；如果直射眼睛，则会感到刺眼。

  • 解决建议：

    • 微调传感器角度：在安装和调试时，精确调整传感器的入射角和接收角，确保反射光能够准确地进入接收孔径。

    • 选用色散共焦传感器：这类传感器对镜面适应性更强。其共焦原理使得只有聚焦到表面上的光才能被有效检测，即使反射光强度变化大，也能通过波长分析准确识别距离。

    • 降低光源强度：如果信号过强导致探测器饱和，可以在不影响信噪比的前提下适当降低光源输出功率。

    • 使用偏振滤光片：在某些情况下，引入偏振滤光片可以帮助减少镜面反射带来的杂散光干扰。

• 问题：黑色材料测量时信号微弱，噪声大。

  • 原因及影响：黑色材料由于其高吸收特性，大部分入射光会被吸收，导致反射回传感器的光信号非常微弱。这使得有效的信号淹没在背景噪声中，导致信噪比（SNR）低，测量结果不稳定，精度大幅下降，甚至无法测量。这就像在光线很暗的地方试图用相机拍照，照片会模糊不清且有很多噪点。

  • 解决建议：

    • 选用高灵敏度传感器或色散共焦传感器：选择专门针对低反射率材料优化设计的传感器，或者色散共焦传感器，它们通过共焦原理能有效提升信噪比，在微弱信号下也能工作。

    • 增加光源强度：在设备允许和不损伤被测物的前提下，适当提高入射光功率，以期获得更强的反射信号。

    • 多次测量平均：对同一位置进行多次测量，然后取其平均值。这种方法可以有效降低随机噪声的影响，提高测量结果的稳定性。

    • 优化信号处理算法：利用传感器内置或外部软件的高斯滤波、中值滤波、滑动平均等数据处理功能，进一步降噪并优化信号质量。

• 问题：倾斜表面测量困难。

  • 原因及影响：许多光学测量方法（如激光三角法）对入射光线的垂直度有较高要求。当表面倾斜度过大时，反射光可能偏离传感器的接收光路，导致无法获取有效信号。

  • 解决建议：

    • 选择具备大倾角测量能力的传感器

    • 采用多角度测量或机械臂辅助：通过机械臂或旋转平台改变传感器或被测物的相对角度，进行多次测量后，通过软件拼接数据来构建完整的三维形貌。

• 问题：透明材料或多层结构测量复杂。

  • 原因及影响：光线会穿透透明材料，并在不同介质界面（如玻璃表面、玻璃内部薄膜层、底部表面）处产生反射。这会导致传感器接收到多个回波信号，难以区分哪个是目标表面，从而无法准确识别特定层的表面位置或厚度。

  • 解决建议：

    • 使用具备多层测量能力的传感器：色散共焦传感器在这方面有显著优势，它能够同时识别多个不同介质的反射信号，并直接测量各层厚度，甚至无需已知材料的折射率，大大简化了测量过程。

应用案例分享

光谱共焦传感器因其高精度、多材质适应性和非接触特性，在多个高科技产业中发挥着关键作用：

• 3C电子：在智能手机、平板电脑等产品制造中，可用于精确测量手机摄像头模组的镜片厚度、显示屏玻璃的平面度以及电子板上的漆层厚度，确保产品的组装精度和外观质量。

• 半导体：在半导体制造过程中，对晶圆的厚度、平整度以及微观沟槽的深度进行纳米级高精度检测，这对于保证半导体器件的性能和提高生产良率至关重要。

• 光学：用于精密光学镜片的厚度、平面度和弧高测量，以及蓝玻璃等特殊光学材料的检测，确保光学产品的成像质量和性能符合设计要求。

• 新能源：在锂电池生产中，可对电池封边厚度、铜箔和石墨导热膜的厚度一致性进行精确测量，这对于提升电池的安全性、能量密度和循环寿命具有重要意义。

• 精密制造：广泛应用于金属件的台阶高度差、各种孔的深度、螺纹孔的深度测量以及复杂轮廓的扫描，确保机械加工件的尺寸精度和形貌符合设计规范，提升产品可靠性。