深度解析：光学轮廓、共聚焦与干涉测量在表面形貌分析中的应用

在精密制造、材料科学与质量控制领域，对工件表面的微观形貌进行精确表征是至关重要的。光学测量技术凭借其非接触、高效率的优势，已成为与传统探针式方法并驾齐驱的主流选择。本文将深入探讨三种核心的光学测量技术：光学探针轮廓测量法、共聚焦显微镜技术以及干涉显微镜技术，并剖析它们各自的原理、适用场景与内在局限。

在具体展开之前，有必要了解所有光学显微方法都面临的一些共性问题，这些因素从根本上决定了测量的可行性与精度。

• 材料响应：光学探测的前提是探测器能接收到足够强的反射信号。因此，待测材料的反射率是一个决定性因素。过高或过低的反射率都可能导致信号饱和或低于探测阈值。

• 横向分辨率：任何光学系统的横向分辨率都受限于光的衍射极限。其理论极限 d 由瑞利判据给出，它与光源波长 λ 和物镜的数值孔径 NA 直接相关：

  d = 1.22λ / NA

  这个公式意味着，我们无法分辨小于此计算值的两个相邻点。波长越短、数值孔径越大，分辨率越高。

• 最大可测斜率：仪器能够有效测量的表面最大倾斜角度，取决于反射类型（镜面反射或漫反射）、表面形貌、材料特性，以及物镜的工作距离和数值孔径。

• 全振幅调制波长：此参数用于定义可测量的表面结构的最大高宽比。

光学探针轮廓测量法 (Optical Stylus Profilometry)

光学探针轮廓测量法可以看作是传统接触式轮廓仪的“非接触”版本。其核心技术基于激光束的自动对焦系统。

工作时，一束直径约 1 μm 的激光通过一个高数值孔径（NA）的物镜聚焦到样品表面。散射光由同个物镜收集并送至焦点探测器，该探测器驱动一个控制系统。当样品台水平移动时，通常由压电陶瓷制成的控制器会实时调整物镜与样品表面的距离，以确保激光束始终精确聚焦。这样，物镜的垂直运动轨迹便忠实地复现了表面的轮廓，如图1所示。

图1 自动对焦法的工作原理示意

这种方法的垂直分辨率可达 5 nm 级别。由于是非接触式测量，它天然适用于柔软或易划伤的表面。然而，该技术也存在一些棘手的问题。对于高反光或对激光透明的表面，获取稳定有效的反射信号会变得非常困难。研究表明，自动对焦法与传统探针法的测量结果相关性并不总是很好，光学法倾向于高估“波峰”的高度，而探针法倾向于低估“波谷”的深度。在测量非常平坦的样品时，光学探针法表现尚可，但当表面粗糙度低于1微米时，其测量误差会显著增大。此外，使用自动对焦探针仪器可测量的最大表面斜率约为15°。

共聚焦显微镜技术 (Confocal Microscopy)

共聚焦显微镜是另一种基于焦点探测原理的光学技术。它在生物科学领域应用广泛，常用于观察组织中细胞等较厚的荧光标记样品。通过探测反射光而非荧光，该技术同样能胜任三维表面形貌的评估工作。

“共聚焦”的精髓在于，光源出射点的小孔（图2中的P1）和探测器前的小孔（P2）在光学上都精确聚焦于样品表面上的同一点。在激光扫描共聚焦显微镜中，每次只对表面上的一个像素点进行成像，最终图像是逐点扫描顺序构建的。这种工作方式对形貌测量产生了重要影响：一方面测量时间相对较长，但另一方面，它极大地提升了可测量的最大表面斜率。

图2 共聚焦原理示意图

其三维形貌的重建过程类似于医学中的CT扫描，通过叠加一系列在不同Z轴高度上获取的“光学切片”来构建。每个光学切片由该焦平面上所有发生反射的像素点构成。理论上，共聚焦针孔（P2）只允许来自焦平面的光通过，而将非焦平面的杂散光完全阻挡。但现实中，针孔尺寸不可能无限小，总会有少量离焦光进入探测器，这使得光学切片具有一定的“厚度”。操作者可以调整针孔直径，在反射共聚焦模式下，其直径通常可调整至接近衍射极限。

在仪器设计上，有些系统采用单色激光光源，有些则使用发射白光的氙灯。后者配合CCD传感器，无需横向扫描即可成像。对于激光扫描系统，通常使用振镜来横向移动光斑，无需移动样品台。Z轴的驱动方式决定了垂直分辨率：压电驱动器可在几百微米的范围内实现纳米级分辨率；而直流电机驱动物镜则可覆盖高达100 mm的量程，分辨率约为100 nm。

共聚焦显微镜的一大优势是能够评估陡峭的表面细节，其最大可测斜率高达75°。当然，它也受限于横向分辨率，并且部分商用仪器的垂直分辨率也可能有限。要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对样品制备、设备参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测表面形貌与粗糙度检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

干涉显微镜技术 (Interference Microscopy)

干涉显微镜将光学显微镜与干涉物镜巧妙地结合在一起，提供了亚纳米级的超高垂直分辨率。它被广泛用于测量平均粗糙度低至0.1 nm，峰谷值高达数毫米的表面。

干涉测量作为一种成熟的光学计量原理，近年来在表面计量学中得到了深入应用。大多数干涉系统源于斐索（Fizeau）干涉显微镜的设计，如图3所示。光束通过显微物镜照射到样品表面，一部分入射光被一个半透明的参考镜面反射。来自样品表面的光束与来自参考镜面的光束在CCD探测器上相遇并发生干涉。压电传感器垂直移动物镜和干涉仪，引起干涉条纹的调制。

图3 干涉测量系统的光路布局

干涉图中任意一点 (x,y) 的光强 I 正比于：

I(x,y) = cos[φ(x,y) + α(t)]

其中 φ(x,y) 是初始相位，α(t) 是随时间变化的相位。通过分析条纹调制，可以计算出每个点的初始相位，进而利用下式得到对应点的高度 z(x,y)：

z(x,y) = φ(x,y)λ / 4π

式中 λ 是光源的波长。在表面测量领域，主要使用两种干涉技术：

• 相移干涉测量法 (PSI)：PSI 使用单色光源（如激光），具有最高的解析能力。但其动态范围（相邻像素间可测量的最大深度差）受限于 λ/4，通常约为150 nm。清晰的干涉条纹只能在光滑表面上观察到，当表面粗糙度大于 λ/4 时，干涉条纹会因散斑效应而变得模糊不清。
• 扫描白光干涉测量法 (SWLI)：SWLI 可视为PSI的扩展，它使用宽带光源（白光）进行形貌测量。使用白光后，动态范围不再受限于 λ/4。这可以通过频域分析（FDA）来解释，即系统使用一个波长区间而非单一波长来评估斜率。SWLI中的FDA通常基于离散傅里叶变换（DFT）实现。

应用上，PSI 主要用于高精度、快速（测量时间小于1秒）地检测光学元件和硅晶圆等超光滑表面。而绝大多数工业技术表面则可以通过SWLI进行检测。

无论哪种干涉技术，其横向分辨率都因衍射极限而通常劣于0.3 μm。同时，有限的数值孔径也限制了它们对表面斜率的测量能力，最大可测斜率约为30°。总的来说，这些光学方法能够在基本平坦的表面上实现快速、非接触的精密测量。