光学表面粗糙度轮廓仪测量技术自２０世纪５０年代引入到表面形貌轮廓的测量中，非接触式测量开始快速发展。光学表面粗糙度轮廓仪测量技术是随着全息投影、激光等技术的研究而发展的技术。近几十年计算机技术的飞速发展，数据的高速处理和仪器的智能化促进了光学测量技术的发展。随着理论研究的不断深入，光学表面粗糙度轮廓仪测量技术逐渐应用于工业生产中。目前，光学表面粗糙度轮廓仪测量技术主要有：光学探针法、偏振相移干涉法、显微干涉测量法。
（1）光学探针法
光学探针法又称聚焦法，即光学探针将汇聚的光束模拟机械触针对被测面扫描测量，然后根据不同的原理检测被测面和焦点之间的微小间隙。由不同的光学原理，光学探针法可Ｗ分为几何光学探针法和物理光学探针法。几何光学探针本质上利用像面共親的特性来检测被测面的轮廓特征，分为共焦显微镜和离焦检测ｔｕ’Ｗ两种检测方法。物理光学探针是基于干涉的原理，分为外差干涉和微分干渉ｔＷ。
共焦显微镜
共焦显微镜工作原理是利用点光源对元件照明，如图所示，当元件的被测面位于焦面上时，聚焦的光束被点探测器接收，此时点探测器接收的入射光能量达到最大值；反之当被测表面偏离焦面时，光束不能完全汇聚，点探测器仅接收少量的光能。聚焦物镜在被测面上沿轴向扫描，当点探测器的输出量始终保持最大值，反馈的轴向位移即被测面的轮廓。共焦显微镜具有很强的垂直方向的分辨能力，其横向分辨率是同焦孔比的普通显微镜的１．４倍。
共焦显微镜的特点是光路结构简单，适用于Ｈ维微观轮廓的检测，且测量与物体表面材料基本无关，国内外的很多单位都有较成熟的产品。中国计量科学研究院于２００４年将共焦显微测量法和双频激光干涉测量法相结合，其纵向分辨率优于０．１ｎｍ，能精确地反映被测表面的王维轮廓。德国Ｌｅｉｃａ公司生产的ＤＣＭ３ＤＨ维轮廓仪使用了共焦干涉技术，同时获得Ｏ．ｌｎｍ的测量精度和１０ｍｍ的测量范围，在不到３秒的测量时间完成超光滑表面的构造参数的测量，并且可达到亚纳米分辨率精度。
（２）外差干涉式
外差式光学探针技术是通过参考信号和测量信号沿着相同的光路入射到物体的表面上，机械位移误差、环境振动和空气扰动等误差因素等对两束光信号的影响相同，在恢复被测面形貌时不会引入额外误差，从而提高了仪器的精度和抗干扰能力ＰＵ。外差干涉光学探针根据测量光路的不同可分为两种：一种是同轴外差干涉式，另外一种是不同轴外差干涉式，通过渥拉斯顿棱镜将折射后的两束光分开一段距离。美国洛克希德导弹空间公司的Ｈｕａｎｇ等人Ｐｓｉ研制了同轴外差式干涉轮廓仪，其测量分辨率可达Ｏ．Ｏｌｎｍ。
（３）微分干涉法
微分干涉法是一种横向对比的自相干技术，它将同一被测面发出的具有一定相位分布的光束沿横向分开一段微小的距离，或使其中一束光束沿径向缩小，从而构建出两束相干光，它们的干涉结果可反映相邻位置的表面高度变化。微分干涉法的特点是没有所谓的标准参考反射镜，测量精度不会受参考面精度的限巧ｄ。微分干涉法可ｙＡ获得很高的纵向分辨能力，如图所示Ｎｏｍａｒｓｋｉ干涉显微镜原理图，其垂直分辨率优于1nm。
偏振相移干涉法
偏振相移干涉法是使参考光和测试光成为一对正交偏振光，在两束光中引入相移的方式，同一时刻采集具有不同相位差的干涉图。这样在同一时间采集到的干涉图所受的环境振动、空气扰动等影响相同，避免了额外的误差，从而提高测量精度的目的。
美国在1991年提出的同步移相干涉仪通过偏振相移的方式，如图所示，采用四个ＣＣＤ成像器件同时采集四幅相移干涉图，测量精度优于Ａ／５０。但由于测试中使用四个成像器件采集干涉图，引入了空间不一致的误差源。美国４Ｄ公司推出了ＰｈａｓｅＣａｍ系列的动态干涉仪，如图所示，利用全息衍射光学器件（ＨＯＥ）将光束分成四束光，并采用位相延迟板附加了０°，９０°，１８０°，２７０°的相移量，照射到同一ＣＣＤ铅面上。将一个透射方向与参考光和测试光的偏振方向成４５度的检偏器放置于成像器的前面，即可获得四幅移相干涉图。
（4）显微干渉测量法
显微干涉测量法是干涉测量技术与显微镜相结合的方法，其基本原理是利用两束光相干涉检测被测面，光程差受被测面轮廓调制而变化，通过对一幅或多幅条纹图进行解算得到表面轮廓。与其他用于表面轮廓检测的光学技术相比，干涉显微镜的放大倍数和分辨率较高，可Ｗ获得直观的表面轮廓信息，检测效率和检测精度都较为理想。根据不同的干涉光路的结构，显微干涉测量技术可分为共光路干涉和分光路干涉。共光路干涉是指参考光束和测试光束沿着共同的光路从被测表面上发生反射，具有较强的抗干扰能力。共光路干涉显微镜主要有双焦干涉显微镜（Ｄｙｓｏｎ巧日渥拉斯顿（Ｗｏｌｌａｓｔｏｎ）微分干涉显微镜。
双焦干涉显微镜是在共焦显微镜的基础上，引入了一条对比光束，从而使探测器接收到干涉调制后的光照强度。当入射光使用激光时，系统相当于共焦显微镜与相移干涉仪的组合：系统纵向扫描，确定被测点亚微米量级的纵向深度，然后与参考面对比相位信息，将精度提升至纳米级。
分光路干涉显微镜指发生干涉的参考光束与测试光束不共路，基本原理是通过驱动移相器进行移相，两束光波的光程差产生变化，对应的干涉图会对应的移动一个相位。通过移相机制得到一系列干渉图，采用移相算法对干涉图进行计算，即可恢复出被测表面的轮廓信息分布。、
根据干涉光路的结构主要分为Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ、Ｍｉｒａｕ、Ｌｉｎｎｉｋ型。目前显微干涉系统ＷＭｉｒａｕ型干涉显微镜的应用最为广泛，典型的Ｍｉｒａｕ型轮廓仪的干涉光路如图所示，微位移系统驱动Ｍｉｒａｕ干涉物镜沿着光轴方向扫描，ＣＣＤ相机记录被测表面各点光强值，通过解算干涉条纹图获得被测面的轮廓信息。根据光源的不同，光学显微测量法可分为应用单色光光源的相移千涉法（Ｐ巧和应用白光光源的垂直扫描干涉法（ＶＳＩ）。两种测量方法目前都已达到纳米量级的精度，适用于超光滑表面的离精度测量。
垂直扫描干涉法的基本原理是通过干涉显微镜对被测表面扫描，记录每个样点处于零光程差位置时的位移值，从而获得被测表面的轮廓ＰＳ］。光源通常采用白光，当被测面的深度发生变化时，干涉条纹的光强和对比度也会随之而变。
使用白光光源的干涉显微镜纵向测量范围较大，可Ｗ检测峰谷高度相差较大的表面微观形貌，适用于有台阶面、沟槽等突变表面的表面形貌的测量。相移干涉法的基本原理是通过精密移相系统在两相干光之间引入相位差，使用探测器接收一幅或多幅干涉图的光强信号，然后利用相位提取技术获得物体的包裹相位值，通过相位解包裹算法获得物体真实相位。相移干涉测量纵向测量范围较小，相邻点的髙度不能超过测量光波长的的四分之一，但其精度可Ｗ达Ｘ／１０００，在超光滑表面形貌的测量中广泛应用。如美国Ｗｙｋｏ公司生产的ＮＴ９１００显微干涉轮廓仪配备了双ＬＥＤ照明光源，可Ｗ同时实现ＰＳＩ和Ｖ別两种测量模式，垂直扫描范围为Ｏ．ｌｎｍ－ｌｍｍ，垂直分辨率优于Ｏ．ｌｒｎｎ。
目前，测量表面粗糙度分为两类方法：提供表面图像或层析图，另一种是光散射法，它提供表面定量的统计信息，它也能给出表而RMS粗糙度或功率谱但不是表面层析图。图3示出不同类型表面特性及其适于这些特性的测量技术。其中表面特性横向尺度为表面空间波长或简称表面波长，取对数标尺。
各种显微镜给出表面形貌：从光学显微镜，扫描电子显微镜和透射电子显微镜到扫描触针式显微镜，这种扫描触针式显微镜能提供原子量级的纵向和横向表面层析图。
扫描隧道显微镜（STM-scanning Tunnelling Microscope）.可以用于测量导电表面并给出层析图，对于大多数非导电的光学表面，表面层析图和轮廓可以用原子力显微镜（AFM-atomic Force Microscope）测量。透射电子显微镜（TEM-transmisson Electron Microscope）和一种新型扫描透射电子显微镜（STEM-scanning Transmission Electron Microscpe）给出薄膜表面轮廓图是非常适用的。一种外差式相衬或称Nomarski光学显微镜较之STM观测光滑表面粗糙度更有利，其使用倍率约100X~1000X之间。
各种显微镜给出表面形貌：从光学显微镜，扫描电子显微镜和透射电子显微镜到扫描触针式显微镜，这种扫描触针式显微镜能提供原子量级的纵向和横向表面层析图。
扫描隧道显微镜（STM-scanning Tunnelling Microscope）.可以用于测量导电表面并给出层析图，对于大多数非导电的光学表面，表面层析图和轮廓可以用原子力显微镜（AFM-atomic Force Microscope）测量。透射电子显微镜（TEM-transmisson Electron Microscope）和一种新型扫描透射电子显微镜（STEM-scanning Transmission Electron Microscpe）给出薄膜表面轮廓图是非常适用的。一种外差式相衬或称Nomarski光学显微镜较之STM观测光滑表面粗糙度更有利，其使用倍率约100X~1000X之间。
对于大多数光滑表面，用上述显微镜、机械式或光学式轮廓仪都可以给出表面粗糙度定量信息。此外，用下面将提到的光散射法也能给出表面粗糙度的定量特性。机械式轮廓仪和光学表面粗糙度仪的校准和定标在美国国家标准技术研究所和英国国家物理实验室。
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机械式轮廓仪
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光学式轮廓仪
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优点
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有大的横向和高度测最节园
价格较便宜
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不会损伤表面
使用方便/快速/简单/信息大
在亚纳米区域灵敏度更高
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缺点
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易损伤表面
测量时间长 |
横向分辨率受限于光学系统特性和光束照射表面
被测的不高于入射波长之半
价格贵
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表面粗糙度轮廓仪是选用1条轮廓线中心线做为评判标准，依靠评判主要参数：轮廓线算数平均偏差Ra、微光不平度10点髙度Rz、轮廓线较大 髙度Ry、轮廓线微观不平度的均值间隔Sm、轮廓线的单峰均值间隔S、轮廓线支承的长度率tp等6个主要参数对表面粗糙度进行评判，最后获得所需表面粗糙度的检测测试仪器。
表面粗糙度是机械加工制造中表述表层微观品相最常见的主要参数，它体现的是机械零部件表层的微观几何的外形偏差，伴随着机械加工制造行业领域的进步表面粗糙度测定工艺也获得巨大进步，尤其是七十年代后半期，伴随着微电子技术计算机及应用的逐渐普及化和当代光学技术、激光应用工艺的进步，使表面粗糙度测定工艺在机械加工制造、光学生产加工、电子产品加工等精密机械加工行业领域中的影响力变得更加关键。
表面粗糙度的测试方法通常可分成接触式测定和非接触式测定两大类：在接触式测定中主要有比较分析法、印膜法、触针法等;非接触测量方法中常见的有光切法、散斑法、像散测定法、光外差法、AFM、飞光学传感器法等。
光学表面粗糙度轮廓仪接触式测定就是测定设备的监测部位直接接触被测表面，常用直接地体现被测表面的信息内容，可是这类方法不适用于一些易受损硬性强度高的表面。
传统式的接触式
1、比较法：比较法是装配车间较为常用的方式方法将被测表面参考粗糙度范本，用手去靠体会来评断被制作加工表面的粗糙度;也常用人的眼睛或借助放大镜对比显微镜对比比较法平常只适用于粗糙度评定标准参数值相对较大的情況下，有时更易出现相对较大的数据误差。
2、印模法：借助其他塑性材料作块状印模，贴合在被测表面上，拿下后在印模上留有被测表面的轮廓外观，接下来对印模的表面展开测定，推算出原來零配件的表面精糙度对于其他大型零配件的内表面不便于使用仪器测量，常用印模法来间接测量，但采用这种方式方法的测量精度太低且流程繁杂。
接触式轮廓仪
光学表面粗糙度轮廓仪的接触式，即选用触针法。触针法又称针描法，它是将一个很尖的触针(半经常用作到μm量级的金钢石针尖)竖直安置在被测表面上作橫向移矶触针将伴随着被测表面轮廓外观作竖直波动运魂将采用这种细微位移根据电源电路转换成电子信号并加以扩大和计算处理，就可以获得工作表面粗糙度参数值，具体分为电感式压电式感应式等几种。采用这种仪器设备稳定性能好，示数客观靠谱，方便使用等优势，其竖直分辨力可做到几nm。
其优势：检测范围大、分辩率高、测定结果稳定靠谱、重复性能好。可是也出现不少的弱点：(1)金钢石测定头的硬度平常很高，易割伤工件产品，不适用测定高质和软质的材料表面。(2)为能够满足测定头头部的抗磨损性和刚度系数的需求，测定头不能做的过于细小和尖锐，易影响测量精度。(3)测定微观表面轮廓时，为了保证扫描路径方向上的精度和橫向分辩率，进给步距较小，所以测定速度不高。
接触式光学表面粗糙度轮廓仪的工作原理
触针式光学表面粗糙度轮廓仪由感应器、驱动箱、指示表、记录器和工作台等具体部件组成。电感感应器是轮廓仪的具体部件之一，感应器测杆一端装有触针（因为金钢石耐磨、硬度高的特点，触针多选用金钢石材质），触针的尖端的需求曲率半径较小，便于于全方位的体现表面情況。测定时将触针尖端搭在零件加工的被测表面上，并使针尖与被测面维持竖直接触，借助驱动设备以迟缓、均匀的速度拖动感应器。因为被测表面是一个有峰谷波动的轮廓，所以当触针在被测表面拖动滑行时，将伴随着被测面的峰谷波动而出现上下移動。此运动流程又采用杠杆原理通过支点传递给磁芯，使它同歩地在电感线圈中作反方向上下运动，并将运动波幅扩大，进而使包围在磁芯外面的2个差距。
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