面向工程师和技术人员的实用指南
过去，选择光学轮廓仪是一件很简单的事——每种技术都有其明确的适用范围。 如今，情况已不再如此。白光干涉测量（WLI/CSI）、共聚焦显微镜和焦距变化技术都得益于更优质的光学元件、更智能的算法以及更先进的信号处理技术。这些技术的功能重叠程度比以往任何时候都更深。
这意味着，关键问题不再是哪种技术能够测量您的表面，而是哪种技术能以最高的精度、重复性和工作流程效率进行测量。
决定你选择的四个问题
您是否需要测量陡峭侧壁？
典型应用
刀具检测 · 增材制造 · 涡轮叶片特征 · 纹理及喷砂表面
工程要点
如果陡峭侧壁分析在您的工作中占主导地位，焦点变化或共聚焦通常更具优势。
您测量的是粗糙度、镀层还是精密表面？
典型应用
纳米级粗糙度 · 光学表面 · 薄膜及镀层 · 半导体结构 · 台阶高度测量
工程要点
当垂直灵敏度和低噪声至关重要时，WLI/CSI 仍是目前最强的可用方案。
您的主要任务是形状、波纹度还是尺寸计量？
典型应用
平面度 · 平行度 · 翘曲与变形 · 波纹度 · 大面积形貌
工程要点
对于这些应用，系统架构——拼接质量、扫描范围、稳定性——比单纯的测量原理更为重要。建议从 WLI 入手。
这是生产计量环境吗？
典型应用
合格/不合格检测 · 厚度控制 · 多零件测量 · 凹陷特征与孔
工程要点
生产计量往往更取决于工作流的稳健性和吞吐量，而非最高分辨率。建议从 WLI 宏观轮廓仪入手。
技术视角及其差异
白光干涉测量法——最适合精密表面和生产需求
由于其高可靠性和高且稳定的垂直分辨率，白光干涉仪（WLI）已成为工业领域的首选解决方案。但它们不太适合用于陡峭的侧壁或强散射表面。
- 最高垂直分辨率（亚纳米级）
- 光滑且具有高反射率的表面
- 非常适合大面积的形状、平整度、平行度、厚度及涂层检测
- 沿z轴方向的分辨率恒定
焦距变化——最适合陡峭和带纹理的表面
基于焦距变化的轮廓仪在需要测量陡峭侧壁表面时表现最佳。但在光滑、精加工或镜面表面上，其测量能力存在局限。
- 可处理高达80°及以上的斜度
- 在粗糙和带纹理的表面上表现卓越
- 切削工具、增材制造零件、成形工具
- 在生产环境中表现稳健
共聚焦显微镜——适用于多种任务的多功能系统
基于共焦技术的轮廓仪虽无特定专长，但适用于多种表面计量任务。该技术的局限在于垂直分辨率稍低，且沿Z轴存在变化。
- 适用于多种表面类型
- 能很好地处理中等坡度
- 混合材料及通用工业计量
- 分辨率与灵活性兼顾
多技术系统——灵活性更高，但成本略高
多技术系统将所有技术集成于一台轮廓仪中。因此，这类系统虽能提供最大的灵活性，但也要求操作人员了解何时使用哪种技术——以及当同一零件在不同日期测得不同结果时，如何解读这些差异。对于大多数实验室和生产环境而言，一款匹配得当的单技术系统能够更可靠地完成大部分任务，且工作流程更简单，总体拥有成本更低。
- 所有技术集成于单一系统
- 成本增加
- 技术和操作复杂度更高
计量标准与技术性能
| 标准 | WLI / CSI | 共聚焦 | 焦距变化 |
| 垂直分辨率 | 最高 | 高 | 中等至高 |
| 光滑的反射表面 | 极佳 | 良好 | 具有挑战性 |
| 陡峭的侧壁 | 中等 | 良好 | 极佳 |
| 膜厚 | 极佳 | 良好 | 有限 |
| 大面积成型 | 极佳 | 良好 | 中等 |
| 生产计量 | 优秀 | 良好 | 视应用而定 |
要评估的是系统，而不仅仅是技术
技术营销往往倾向于在理想样品上展示最佳性能。有意义的评估应基于您的零件，并参照您的验收标准进行。这些标准才能揭示实际性能：
- 粗糙度重复性——对同一工件进行10次测试
- 实际工件几何形状上的无效像素率
- 实际侧壁上可测量的最大斜率
- 包括拼接在内的测量时间
- 与参考方法（接触式、三坐标测量机）的相关性
- 培训工作量及对操作人员的依赖性
我们的建议：请针对 您最关键的零部件进行调研 ，并至少向制造商申请可行性评估。最佳方案是租用一套系统，在您所在的环境中由专家团队进行全面测试。Polytec 提供免费的可行性评估服务，您可轻松租用系统——若该系统经证实符合您的使用需求，相关费用可从后续购买价格中抵扣。
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下一步：确定合适的 WLI 分析仪
对于大多数工业测量任务——精密零件的表面粗糙度、光学元件的形状、涂层和薄膜厚度、平整度——WLI/CSI 能够提供最高的精度和最低的测量不确定度。 当几何形状有特殊要求时，共焦和焦距变化技术是理想的选择，但这两种技术在精密计量最关键的标准上都存在取舍。
若选择WLI技术，接下来的问题就是决定微型还是宏观轮廓仪才是最佳解决方案。为此，我们编制了一份指南，详细说明了不同系统的特点及其优缺点。
常见问题解答
白光干涉测量法（WLI/CSI）的工作原理是什么？
白光干涉法，也称为相干扫描干涉法（CSI），将一束宽带光分成参考光路和从表面反射的光路。随着物镜沿垂直方向扫描，这两束光发生干涉，且干涉对比度在光程相等的精确高度处达到峰值。 通过追踪每个像素处的该峰值，系统可构建出垂直分辨率达亚纳米级且沿Z轴保持恒定的高度图，这正是WLI/CSI技术在光滑、反光及精密表面上表现如此优异的原因。该仪器类别在ISO 25178-604标准中进行了定义。
共聚焦显微镜是如何用于表面测量的？
共聚焦显微镜通过一个针孔照射表面，并通过第二个针孔收集反射光，因此只有来自精确焦平面的光才能到达探测器，而失焦光则被排除。通过在焦平面上进行扫描并记录每个点最清晰的位置，该系统能够逐点重建表面高度。 这使得共聚焦显微镜成为一种适用于多种表面类型和中等坡度的多功能全能型仪器，其垂直分辨率略低于白光干涉显微镜（WLI），且沿Z轴方向可能存在变化。该仪器类别在ISO 25178 –607中有所描述。
焦距变化是如何实现的？
焦距变化法利用了具有浅景深的光学系统，并结合垂直扫描。当光学系统沿焦平面移动时，仪器会分析每个点处图像清晰度（对比度）的变化；该点最清晰的高度即为其高程。 由于该方法依赖于表面纹理和反射率的变化而非干涉效应，因此对陡峭的坡面（坡度可达约80°及以上）以及粗糙或具有纹理的表面处理效果极佳，但对非常光滑或镜面般的表面则不太适用。该仪器类别在ISO 25178-606中进行了定义。
什么是共焦色差（点）传感器？它与共焦显微镜有何区别？
共焦色散传感器采用一种具有刻意设计的轴向色差的透镜，因此白光中的每种波长都会聚焦在略有不同的距离上。 只有在表面上处于焦平面的波长才能通过针孔清晰地反射回来，光谱仪通过读取该波长来测定高度。与捕获区域图像的成像共聚焦显微镜不同，色散探头是一种点传感器，常用于快速测量距离、厚度和凹陷特征。其标准在ISO 25178-602中单独规定。
这些光学轮廓测量方法是否已标准化？
是的。ISO 25178 系列（几何产品规范，表面粗糙度：面状）定义了面状表面粗糙度的测量方法，以及各类仪器的设计和计量特性：第604部分规定了相干扫描干涉法，第607部分规定了共焦显微镜法，第606部分规定了焦距变化法，第602部分规定了共焦色差探头法。 由于可以从面状形貌数据中提取表面轮廓，这些方法也适用于轮廓测量，这使得在采用相同参数和设置时，不同仪器测得的结果具有可比性。该系列标准由ISO/TC 213 负责维护。
表面计量入门指南
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