ISO 25178-602：非接触式（共焦色差探头）仪器的设计和特性

1. 共焦色差轮廓测量原理

ISO 25178-602:2025（第二版）规定了基于白光轴向色差的非接触式共焦色差探头的设计和计量特性。该技术将表面高度信息编码到光谱域中：不同波长的光聚焦在距色差物镜不同距离处，反射波长标识表面高度。利用轴向色散编码表面高度的概念于1980年代被提出，此后已实现于商用扫描轮廓仪中，用于面形貌测量甚至三坐标测量机（CMM）上的圆度测量。

共焦色差探头由三个基本元件组成：包含光源和光谱仪的光电控制器、连接光纤电缆和色差物镜（有时称为”光学笔”）。在实际应用中，共焦设置所需的针孔通过光纤耦合器实现，该耦合器同时充当光源针孔和鉴别针孔。这种光纤耦合设计的显著优势是将光学笔与电子器件分离，使得在传统光学头无法工作的狭小空间和恶劣环境中也能进行测量。

2. 测量能力与误差源

共焦色差探头一次感知一个表面点，需要横向扫描进行面域测量。线传感器变体使用图像探测器沿一条线同时测量多个点，结合单轴y扫描阶段即可实现更快的面域覆盖。传感器的垂直范围等于最短和最长可检测波长之间的轴向色差跨度。基于光谱仪的系统可实现从几十微米到几毫米的垂直范围。通过在光谱曲线中识别峰值波长并利用校准数据转换为距离，即可获得任何表面点的相对高度。

该标准确定了九大影响量。光斑尺寸受针孔尺寸和数值孔径限制，决定了横向分辨率。数值孔径决定了最大可测量局部斜率。色差能力影响高度-波长关系的线性度。局部斜率变化可能导致反射光束偏离鉴别针孔，产生不可测点。探测器电子学的暗信号和杂散光产生系统偏差。采样间隔根据奈奎斯特准则决定可分辨的最小特征。表面吸收会扭曲光谱峰值位置，特别是对于深色或有色材料。透明层厚度会在不同界面产生多个光谱峰值，可用于次表面测量。工程师在配置测量系统时必须全面考虑这些因素。

3. 实际工程应用

共焦色差仪器在接触测量不可行的应用中表现出色。它们非常适合柔软或精密表面，如光刻胶涂层、聚合物薄膜和生物样本，这些表面会被物理触针损坏。非接触特性使其能够在生产线上进行高速在线测量，扫描速度是关键要求。通过透明介质工作的能力实现了独特应用，如测量油膜、保护涂层或封装材料下的表面形貌。通过检测透明层内不同界面的多个光谱峰值，该技术可同时测量层厚和次表面形貌。

光纤耦合设计允许光学笔与光电控制器分离，实现狭小空间内的测量以及与CMM的集成进行形状测量。实际实现包括用于精密尺寸计量的CMM点传感器、用于大面积高速扫描的线传感器以及用于非接触圆度测量的旋转配置。传感器头无需机械z扫描，与点自动对焦探头仪器相比降低了测量噪声并加快了数据采集速度。为获得最佳结果，工程师应确保足够的光强度，选择数值孔径与预期斜率分布匹配的物镜，并在可用时利用透明穿透能力进行参考表面补偿。

4. 常见问题