定义
用于精确测量表面轮廓的光学非接触式仪器。
光学轮廓仪，也称为光学表面轮廓仪，是用于精确测量表面轮廓的光学非接触式仪器。 从本质上讲，它们将表面高程z测量为某个区域的横向坐标x和y的函数。 这与普通显微镜的功能不同，例如，普通显微镜的图像对比度可能取决于样品的许多光学特性，这些特性通常与物体的拓扑结构无关。
图1：激光切割的图像，用轮廓仪拍摄。来源：森索远
例如，轮廓仪用于检测激光反射镜、棱镜或玻璃平面的表面，甚至是超抛光光学元件的表面。 可以检测表面形状和粗糙度（不仅仅是 r.m.s. 粗糙度值）以及孤立的缺陷（例如表面光洁度的划痕或凹陷）的详细信息。 因此，高分辨率轮廓仪是许多应用的基本工具：
轮廓仪的应用在光学领域内外。
- 它们对于光学制造中的基本表面分析、质量控制和工艺开发至关重要，可应用于抛光或涂层表面。
- 在半导体芯片检测中，表面形貌（包括粗糙度），例如经过某些光刻生产步骤后，是判断结果质量的重要特征之一。
- 在机械零件的制造中，可以监控表面精加工过程的进度。
- 摩擦学研究受益于评估表面的微观细节。
还有许多其他科学研究和工业检测领域可以从光学轮廓仪中受益。 具有较低空间分辨率的设备可用于测量较大区域的表面形状等目的。
光学轮廓仪与机械仪器竞争，主要是与测针轮廓仪竞争。主要区别在于光学设备不需要与被测表面进行物理接触。
还有其他类型的（非光学）轮廓仪，即接触式轮廓仪，它基于用小尖端对表面进行机械扫描，称为手写笔。 例如，可以使用电容传感器分析与探头表面接触的测针的微小位移，这反映了表面形貌。 一种相关的方法是力显微镜，因为测量涉及测针（尖端）和样品之间的机械力。 在极端情况下，轴向和横向分辨率低至几十纳米，因此可以分辨单个原子;这被称为原子力显微镜（AFM）。
图2：使用轮廓仪拍摄的钻孔工具图像。来源：森索远
光学轮廓仪具有安全无损非接触式表面分析的优势，同时部分提供相似的测量精度和更高的速度。 在某些情况下，它们还提供有关表面光学特性的其他信息，例如其颜色。
轮廓仪的基本性能因素
轮廓分析器系统在许多基本性能因素上可能有所不同，这些因素可能会排除在各种情况下进行适当的表面分析。 最重要的方面总结如下：
- 空间分辨率在纵向（垂直）和横向（水平、横向）方向上通常有很大差异。 特别是在纵向上，对于某些类型的器件，可以达到10nm的数量级，而横向分辨率通常为1μm或更高。 一些表面轮廓仪允许用户在不同的物镜之间进行选择，以获得不同的精度水平。
通常只有结合小视场才能获得高横向分辨率。
- 通常，设备生成具有有限视野（图像区域）的图像。 然后，可以将样品或测量设备转换为查看表面积的不同部分，但是通过将较小的图像拼接在一起来生成连续图像并不总是那么简单。 一些方法允许人们一次拍摄研究相当大的区域，但通常具有较低的空间分辨率。
- 不同方法之间的纵向测量范围也可能有很大差异。 其中一些仅适用于几乎平坦的表面。
- 当研究表面斜率过大的样品时，一些测量原理遇到了局限性;它们可能导致这些地区的读数完全错误。 其他人没有这个问题，甚至可以用于具有陡峭结构的设备。
- 图像采集时间也是许多应用的一个重要因素，并且可能会有很大差异，具体取决于测量方法以及所需的图像区域和精度。 有些设备甚至适用于具有非常高图像帧速率的实时分析。
关于方法对某些类型的样品或情况的适用性的其他方面;一些例子：
- 这些方法在可能的工作距离方面有很大不同，即测量设备与被测表面之间的距离。 其中一些需要远低于一毫米的工作距离（可能会造成无意接触的风险），而另一些则可以在很远的距离内工作。
并非每种分析方法都适用于每种类型的样品！
- 一些测量方法仅适用于某些材料，例如具有大量镜面反射率的光滑样品。 有适合各种材料的型材，如金属、玻璃、陶瓷、聚合物、油漆和纸张。
- 高分辨率仪器通常需要使用合适的阻尼支架等仔细抑制机械振动。 显然，它们不应在振动过大的环境中运行。 然而，一些轮廓仪的速度如此之快，以至于样品的机械振动就不那么重要了。
- 有些轮廓仪不仅可以表征单个光学元件，还可以表征数十甚至数百个元件，这些元件放置在托盘上，然后一个接一个地自动检查（无需用户交互）。 这种设备可以为每个元素和/或整套样品生成表征报告，并进行统计评估，例如关于违反某些规范的设备的百分比。
图3：用光学轮廓仪成像的校准标准。来源：森索远
轮廓仪系统的类型及其工作原理
光学轮廓仪可以基于非常不同的测量原理，如以下各节所述。 商用设备的供应商并不总是完全透露详细的操作原理，而通常只透露达到的性能数据。
传统干涉仪
例如，传统类型的干涉仪通常使用具有高空间和时间相干性的激光操作，例如Twyman-Green干涉仪，通常用于表面表征。 在这里，人们通过从表面反射的光与来自同一光源的光在非常平坦的参考表面上反射的干涉来生成条纹图案。 例如，通过参考表面的轻微倾斜，可以获得规则的条纹图案，并且条纹的变形揭示了与完美平整度的偏差。
在现代仪器中，干涉图案不是简单地查看，而是用一些电子图像传感器（例如CCD传感器）记录下来，条纹图案可以用计算机软件进一步处理。 这种软件可以获取地形信息并计算相应的图像，例如用颜色代码显示与所需形状的偏差。 这些添加可以被视为实现了基于干涉仪的轮廓仪，而干涉仪本身还不能作为轮廓仪的质量。
这种干涉测量方法在轴向分辨率方面非常准确。 它们主要应用于几乎平坦的表面或具有明确曲率的表面，这在光学中经常遇到。 横向分辨率通常非常有限，例如几十微米。 使用显微镜方法（如下一节中描述的方法）可能会更好。
干涉仪显微镜
为了实现具有更高横向分辨率的干涉仪，例如Twyman-Green型，原则上可以将相同类型的普通显微镜物镜插入设置中 - 一个在探针臂中，一个在参考臂中。 但是，实现一种改进型显微镜干涉仪更为实用，仅使用一种物镜，而是一种特殊的干涉仪物镜，它集成了分束器和参考镜。
专门的干涉测量物镜有不同的实现方式。 例如，可以使用米劳物镜代替普通的显微镜物镜（图4，左侧），实现米劳干涉仪（以安德烈·亨利·米劳命名）的原理。 在物体平面和成像光学器件之间，有一个部分反射镜（分束镜），在其上方有一个小参考镜。 通过物镜的光线将部分到达样品，部分到达参考镜，并且在两者上反射的东西在分束器处重新组合。 由于所用光的带宽较宽，因此只有当分束器到物体和参考镜的距离大致相等时，才会观察到干涉条纹。 这样，就可以测量对象点的高程。
或者，也可以使用迈克尔逊物镜（图4，右侧）。 这些通常是较低放大倍率和更大工作距离的案例的首选。
图4：米劳目标和迈克尔逊目标。成像光学元件以简化的方式显示，带有简单的镜头。
共聚焦扫描显微镜
图5：共聚焦显微镜的设置。
样品高程的分析可以基于共聚焦扫描显微镜的原理（图5）。 在这里，基本上通过以下原理达到高纵向分辨率：
- 点照明：用紧密聚焦的激光束照射样品上的小点。
- 共聚焦检测：将样品的平面成像到一个小针孔上，因此只有当目标点处于一定高度时，才能通过针孔实现高透射率。
- 扫描：对于每个横向位置，扫描样品的纵向位置（或者显微镜物镜或某些镜子），并确定最大透射点，这反映了样品的局部高度。
对于地形测量，可以对这种显微镜进行编程，以便对于成像区域上的每个点，它测量获得最大信号强度的深度值。
在某些情况下，用单模光纤的末端替换针孔很方便，以获得特别紧凑的成像头。
还有一些轮廓仪代替显微镜物镜，使用一些远心光学器件来扫描更大的区域（尺寸为几厘米）。 在这种情况下，横向分辨率要低得多，例如几十微米。 平面的轴向分辨率仍然可以非常高。
聚焦变化显微镜
聚焦变化显微镜是扫描显微镜的另一种方法，但不一定涉及激光。 其工作原理是捕获具有不同焦点调整的微观图像，并找到导致图像最大清晰度的调整（类似于某些照相机中的自动对焦）。 然后，该调整是图像中心高程的度量。 通过扫描样品位置或显微镜的观察方向，可以获得完整的二维图像的信息。
使用的图像传感器只需要相当有限的像素数量，因为图像清晰度仅在兴趣点周围的小区域内相关。
当然，焦点变化只有在物体上有“可以看到的东西”时才有效 - 而不是当物体几乎完全平坦且均匀照明时。 调制（结构化）照明是一种解决方案，使该方法适用于多种样品。
使用高数值孔径显微镜物镜时，轴向分辨率可达几微米。 由于景深小，横向的可以相似或更好。
与共聚焦扫描显微镜相比，该方法更容易实现，并且对样品上陡坡的问题不太敏感。
低相干干涉测量
一些轮廓仪本质上是白光干涉仪，利用光学相干断层扫描的原理。 他们通过用紧密聚焦的光束扫描样本来创建地形图像，获取当时单个点的高程信息，并将这些数据组装成计算机中的完整图像。 使用的光源是一种白光源，即它是宽光带宽，使得只有当干涉仪的光程长度差非常小时才能检测到干涉条纹（见图6）。 因此，使用单色光操作的干涉仪没有通常的歧义。 有关工作原理的更多详细信息，请参阅有关光学相干断层扫描的文章。
图6：在表面剖面上不同点对白光干涉仪进行模拟z扫描，从中可以检索高程剖面图（蓝色曲线）。
这种基于OCT的轮廓仪的横向分辨率与普通显微镜相似，即几微米甚至明显低于1μm。 在横向方向上，它甚至可以好得多，低至几纳米;它基本上受到源带宽的限制。
通常，人们将使用具有相当快速采集的OCT方法，不需要对每个采样点进行机械扫描。 尽管如此，人们仍然需要扫描样品位置，通常是在二维空间。 总图像采集时间在很大程度上取决于所使用的OCT方法、所需的视场大小和分辨率，因此在不同的设备和测量条件之间差异很大。
数字全息显微镜
数字全息术提供了使用电子图像传感器通过单次采集即可获得完整表面轮廓的方法。 基本原理是记录全息图，即涉及被研究表面和参考光束的干涉图案。 全息图不是通过激光照明以传统方式重建的，而是在计算机上以数字方式重建的。
由于这种方法的高速，可以实现非常高的采集速率，有时每秒超过1000个图像帧。 因此，甚至可以实时监测振动，无需振动抑制。 此外，还可以对移动目标进行测量。
三角测量传感器
三角测量是一种广泛使用的测量方法，它基于检测激光束位置的变化。 在轮廓仪的情况下，锐利聚焦的激光束以很大的角度撞击被研究的表面，因此样品高度的变化被转化为位置的变化，这可以用位置敏感的检测器测量。 （经常使用自动准直器。 对于具有漫射散射的物体，该方法会遇到局限性，其中无法获得干净的反射光束。 然而，对于相对光滑的表面，某些优化的三角测量发送可以达到非常高的横向分辨率，远远优于0.1μm。 另一方面，该技术适用于扫描大面积区域。
三角测量传感器可以在强烈弯曲和不规则的表面上工作，其中干涉仪的应用将很困难。
飞行时间传感器
飞行时间测量的原理通常用于较大的距离，但也可以针对相对较高的横向分辨率进行优化，部分优于1毫米。 当然，与某些干涉测量方法相比，这仍然非常差，并且显然不足以进行光学检测。
基于结构光的轮廓仪
表面的形貌可以通过用结构光照亮表面来测量，例如用细条纹的规则图案，并记录通过条纹变形揭示表面特征的图像。 这些方法可以用相对简单和强大的技术来实现，但它们永远无法达到干涉仪器的横向或轴向分辨率。
几何产品规格
剖面仪不仅提供图像和地形图;它们还可用于获得几何产品规格，例如关于表面粗糙度的规格。 有一些标准，如ISO 25178，它详细定义了如何定义某些表面纹理参数以及如何根据测量的表面轮廓计算它们。 这些标准还定义了各种类型的轮廓仪仪器的标称特性以及如何使用某些测量标准对其进行校准。
