光学轮廓仪工作原理与人工标准伤精密测量应用

光学轮廓仪作为一种非接触式高精度测量仪器，其核心是基于白光干涉技术。它通过精密分析由参考光路和检测光路反射光形成的干涉条纹，实现对样品表面微观形貌的超高分辨率（优于纳米级）测量。这项技术广泛应用于光学元件、半导体制造、材料科学研究以及精密机械加工领域，是评估表面粗糙度、轮廓形状和微观结构的关键设备。

核心技术：白光干涉测量原理

设备工作时，​光源发出的光束经分光镜分成两束：一束照射到被测样品表面​（检测光路），另一束射向参考镜​（参考光路）。两束光分别反射后，再次通过分光镜汇合，并在CCD相机的感光面上形成重叠图像。由于光程差的存在，汇合光会产生明暗相间的干涉条纹。这些条纹的亮度和位置信息与样品表面的高度差直接相关。通过精确解析白光干涉条纹的模式，仪器就能精确重建被测表面的三维形貌，轻松完成2D/3D表面粗糙度分析及轮廓测量，自动计算超过百项表面参数。

图1. 光学轮廓仪人工伤3D形貌

优势特点：高效、精准、适应性强

• ​高精度测量：提供纳米级分辨率，确保测量结果准确可靠。
• ​操作便捷高效：自动化程度高，单件精密零件的完整测量通常在2分钟内完成，显著提升检测效率。
• ​多功能应用：可适应从光滑镜面到粗糙表面的广泛测量需求，得益于其独特的光源模式设计。
• ​参数全面：提供超过100种表面纹理和轮廓参数的自动计算。

应用实例：核燃料包壳管人工标准伤的精确测量与验证

在核工业领域，​人工标准伤对于确保锆合金包壳管的超声探伤准确性至关重要。为了验证共聚焦光学轮廓仪在测量此类标准伤上的性能，研究团队将其应用于人工标准伤的三维形貌采集以及深度、宽度的精确测量。

图2. 光学轮廓仪人工伤刨面线

同时，采用传统的金相法对同一标准伤进行剖面测量以作对比。结果明确显示：

• ​形状高度一致：​共聚焦光学轮廓仪获取的人工标准伤截面形状与金相截面高度吻合，均呈现典型的对称U形结构，具备清晰轮廓和光滑边缘，完全符合标准要求。
• ​测量精度优异：共聚焦光学轮廓仪的测量结果与金相法相当，甚至在细节表现上更优。

图3. 金相法剖面形貌^[1]

技术优势对比

• ​共聚焦光学轮廓仪：凭借其出色的横向分辨率和卓越的纵向分辨率​（纳米级），能够提供更完整、更清晰的轮廓信息，精确界定损伤边界，减少主观因素干扰。
• ​传统金相法：受限于样品制备质量​（如切割、研磨、抛光），人工标准伤边缘常出现翻边或倒角等加工缺陷，导致测量精度下降，且结果高度依赖检验者经验和主观判断。

研究结论表明，​共聚焦光学轮廓仪能够有效替代金相法，应用于核燃料组件超声检测中人工标准伤的精密制作和校准工作，提供更客观、精确、高效的解决方案。

参考文献：[1]袁野,陈宇,范连超.共聚焦光学轮廓仪在超声人工标准伤测量中的应用研究[J].计量与测试技术,2022,49(12):69-72.

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