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【应用知识】利用激光共焦扫描显微镜如何进行非接触式表面粗糙度测量
光学传感器的普及
由于使用传统触针无法测量或无法保证测量结果的技术性表面的应用激增 ，因此转向光学形貌测量就变得非常重要 。包括人类学 、考古学 、生物技术和工程学等领域中很多感兴趣的表面 ，都要使用光学方法 。
例如高压阀座 、电池电极 、乃至牙齿等 。微机电系统（MEMS）器件和其他较小部件也需要使用光学技术进行测量 。
每种应用均存在不同的要求和操作方法 ，而光学传感器现已成为常识之选 。甚至一些小规模企业也在采用光学技术测量 ，他们或者借用其他公司的设备 ，或者自己购买设备 。这些公司正在将光学技术扩大到牙科以及增材制造表面检查等各种应用上 。
表面测量分析的趋势
表面测量在发现性能及工艺与粗糙度之间的关系方面具有非常重要的意义
。能否发现这些关联性取决于能否在良好的测量准确度和分辨率
，以及适当尺度条件下对几何特征的正确分析
。数据分析方法与测量仪器的数据采集能力同样重要
。三维表面结构参数是确定不规则表面特征必不可少的参数
，所以三维表面结构分析日趋重要
。
不再依赖于Ra
、Rz和类似的常规的表面粗糙度参数
，借助高质量的测量仪器
，现代的表面测量科学正发展成为一种创新的分析方法
。
奥林巴斯激光扫描显微镜的优势
奥林巴斯的高品质光学器件有助于消除多种异常值 。在包含最细微尺度的多尺度分析中 ，测量质量有目共睹 。
奥林巴斯设备获得的高质量数据能够将斜率和曲率导数有限近似计算中的误差放大问题降低到最低限度 。光学观察中常见的尖峰噪声和其他异常值通常可利用平滑滤波和类似方法消除 。然而 ，这种滤波方法往往会将正确的测量数据连同噪声一并消除 ，因此往往效果不尽人意 。奥林巴斯激光显微镜可以仅消除尖峰噪声和其他异常值 ，而保留详细的观察数据 。激光显微镜的数据处理能力是其所拥有的突出优势 。
奥林巴斯激光显微镜的宽广测量范围及精密和低噪特性能够确保获得满足表面结构分析基本要求的测量结果 。
什么是表面粗糙度 ？
表面粗糙度代表加工表面的状况 。表面状况通过视觉外观和触觉感受确定 ，通常用镜状光泽面 、雾状镜面 、或镜面等词语描述 。外观和结构的变化源于物体表面的不规则性 。
不规则性会导致表面粗糙 。表面粗糙度是代表表面光泽（或结构）状况的数值指标 ，与视觉或触觉感受无关 。表面粗糙度在确定表面特征时起着关键性作用 。
零件和材料的表面不规则性既可能是特意要求的 ，也可能是因刀具振动 、刀刃咬边或材料物理特性等各种因素导致的 。不规则性包括各种尺寸和形状以及多层叠加 ；凸凹状况也会影响物体的表面质量和功能 。其结果 ，不规则性对产品的摩擦特性 、耐久性 、工作噪声和气密性等方面性能均会产生影响 。对于装配组件 ，表面特征还会对包括摩擦 、耐久性 、工作噪声 、能耗和气密性在内的最终产品性能产生影响 。表面特征也会影响油墨/颜料以及印刷纸和面板材料光泽度等产品质量 。
为什么要测量表面粗糙度 ？
表面特征的尺寸和状况对加工表面质量和功能以及成品性能具有显著的影响。因此 ，为满足成品高性能标准要求 ，进行表面粗糙度测量非常重要 。
通过对表面特征的高度/深度及间距进行分类的方式测量表面不规则性 ，并对凹/凸状况进行评估 ，然后根据预定方法分析结果 ，完成工业定量（*）计算 。
表面粗糙程度有益与否与不规则状况的尺寸和形状以及产品用途有关 。
粗糙度水平必须依据所需要的表面质量和性能进行管理 。
表面粗糙度的测量和评定是一个老生常谈的概念 ，其包括用于指示各种粗糙度水平的传统参数 。加工技术的进步及先进测量仪器的推出让表面粗糙度的全方位评定成为可能 。
* 测量方法（cf ：粗糙度 ；硬度）所确定的定量特性是由工业量而非质量和长度等物理量决定的 。
表面粗糙度测量的趋势
随着纳米技术的发展 、电子器件尺寸的缩小以及性能要求的不断提高 ，工业产品和部件表面特征测量及数据质量管理要求不断提高 。传统触针式粗糙度测量仪以及其他通过接触被测表面采集高度信息的仪器只能大致测量表面高度/特征以及表面浅层状况 。而薄膜之类软质样品以及比触针尖端更小的表面特征测量需求的增加推动了从线性测量到非破坏性/精确区域非接触式测量的发展 。为了满足这些需求 ，能够在自然状态下进行样品表面特征精确非接触3D测量的激光显微镜得以问世 。
表面结构参数的分类和适用国际标准
表面不规则性（粗糙度和起伏波动） 、凹痕 、平行沟槽以及其他一些表面特征被统称为“表面结构” 。由这些表面特征所转换的测量值被称为表面结构参数 。表面结构参数的测量大致分为轮廓法和区域法两种 。
轮廓法（线粗糙度测量）
从传统上讲 ，表面结构参数是根据轮廓曲线（由曲面交点确定的曲线）确定的 。这种测量方法的正式名称为轮廓法 ，也被称为线粗糙度测量 。表面轮廓通常使用触针式测量仪器进行测量 。ISO和其他一些国际标准均适用于这种测量方法 。
区域法
时至今日 ，表面结构参数越来越多地通过包含丰富区域信息的三维表面结构数据获得 ，而不再使用测量二维轮廓曲线的轮廓法 。这种测量方法被称为区域法 。在大多数情况下 ，区域法需要使用基于光学观测的非接触式测量仪器 。
轮廓法与区域法对比
由于通过机械式触针追踪表面进行直接测量 ，轮廓法的测量数据具有可靠性 。在可预见的将来 ，轮廓法可能仍是经常使用的测量技术 。该方法的缺点在于触针可能会损坏被测表面 ，因此不适用于软质材料 。另外 ，由于测量表面根据单一截面的纹理信息进行评估 ，数据未必能够体现出整个表面区域的不规则特征 。
与此相比 ，大多数非接触式三维测量仪器均可在不损坏测量表面的情况下对软质材料进行测量 。并且三维数据采集能够测量大尺寸区域的表面特征 ，用户能够获得使用轮廓法无法测量的平行沟槽和划痕方向信息 。区域法能够提供的信息非常丰富 ，并可建立表面功能要求（如耐磨性 、固体间粘附性和润滑剂保持能力）与表面参数之间的关联 。
国际标准化
国际标准化组织（ISO）正在推动制定区域法测量标准 ，许多基本标准已经获得采纳 。下表列出了轮廓法和区域法所适用的主要标准 。
轮廓法标准基于接触式触针测量仪而制定 。这些标准对包括评估长度 、截止值 、探针尖端半径等的测量条件要求做出统一规定 。但对于使用采用各种工作原理的区域法，则无法确定测量条件统一要求 。因此 ，用户需要根据测量目的确定适当的测量条件 。有关确定测量条件的技巧请参阅“使用激光显微镜评定表面粗度的要点”一节 。
关于测量表面粗糙度的各种仪器
表面粗糙度测量仪分为接触式和非接触式两种 。这两种方式各有优点和缺点 ，因此关键在于根据您的应用需求选择最合适的仪器 。
粗糙度测量更精细
非接触式粗糙度测量
局部区域的粗糙度测量
相比相干扫描干涉仪的优势
能检测陡峭斜坡
能够测量低反射表面
较高的水平分辨率
相比扫描探针显微镜（SPM）的优势
快速精确的测量
宽视场测量
OLS5000 3D激光扫描共焦显微镜测量表面粗糙度的优势
OLS5000显微镜的特点
特点一 ：非接触 ，无损 ，且快捷
特点二 ：全面的样品信息
特点三 ：捕捉细微的不规则性
抛光处理是一种让半球抛光工具（金刚石车刀）沿金属表面移动获得光滑镜面表面的方法
。
抛光工具尖端随使用时间产生的磨损会影响所加工表面的平滑性 。管理受损情况以及评定刀具尖端的表面粗糙度非常关键 。
新旧金刚石刀具尖端粗糙度的对比 ：
日常使用的圆珠笔品质取决于书写时圆珠是否滑动良好 、握笔感觉以及使用舒适性 。 容纳旋转笔尖球座体的表面粗糙度与摩擦力（阻力）直接相关 ，对于圆珠笔质量至关重要 。
工业产品的品质可通过各种方式获得提升 。汽车内饰和建筑材料是通过改善纹理获得高品质体验的两种常见应用 。化妆品公司是通过分析人体皮肤表面结构了解化妆品对皮肤的影响的一个其他案例 。
皮肤纹理的量化 ：
智能手机 、汽车和移动电子设备及工业产品喷涂成各种颜色和色泽 ，很多时候采用透明涂层 。表层涂层下方光泽底漆的表面状态对产品纹理存在显著影响 。
