增材制造表面粗糙度测量：3D共聚焦多尺度方法
DED和PBF成型表面跟切削纹理两样。熔道、未熔颗粒、飞溅物和孔洞混在一起，尺度跨度宽，单看一档说不清。这正是增材制造表面测量要啃的硬骨头，也是增材制造表面粗糙度测量绕不开的前提。非接触式表面测量因此成了首选。
单一倍率描述不了真实表面。近年多用3D共聚焦显微镜做三维测量，换物镜搭多尺度分析，从形貌做到局部结构提取。这也是增材制造表面粗糙度测量与增材制造表面形貌的主流思路。
DED和PBF表面由确定性纹理和随机缺陷混成。焊缝跟熔池凝固、扫描路径走，没熔粉末堆成球状突起，凹坑来自熔合不良、球化或微气孔。增材制造表面测量要先分清纹理与缺陷，定好尺度。
接触式探针慢且有划伤风险；光学显微镜景深不够；白光干涉遇大斜率丢数据。非接触式表面测量优势明显——共聚焦激光扫描显微镜正是这类设备代表，但要选对型号。金属增材制造检测离不开多尺度。
多尺度必要：宏观看颗粒分布，中观算粗糙度贡献，微观拆单条焊缝和颗粒尺寸。
基于CLSM的多尺度数据采集a-c为强度图像，d-f为地形高度图
共聚焦激光扫描显微镜靠针孔挡焦外杂光，Z向逐层扫描拼高度图。不同物镜对应不同视野和分辨率。激光共聚焦显微镜和它说的是同一类设备。
3D共聚焦显微镜硬件连续：5×看全局，10×平衡做3D表面形貌测量，20×抠局部。换物镜不重装夹，数据落同一坐标系。
DED表面粗糙度常超20µm，50×往上用不上——工作距离短，斜率测量受限。所以只取5×、10×、20×三档做增材制造表面粗糙度测量。
原始表面形貌(a)，噪声抑制和形态消除后的S-F表面(b)，代表主带宽的L-F表面(c)，实施稳健高斯回归滤波后
5×视野大，把未熔颗粒当空间点。3D共聚焦显微镜在低倍看分布。预处理先高斯滤波，再用稳健回归分波纹和粗糙度，阈值分割取中心。Ripley'sK函数判断点随机、聚集或均匀。
结果不完全对称，多数尺度曲线落95%蒙特卡洛包络内，整体偏随机。小尺度偶尔聚集或均匀，窗口拉大就稳。表面形貌分析能区分工艺稳不稳。
提取的S-L表面形貌(a)和无颗粒特征的对应形貌(b)
到10×做ISO25178面积参数。表面拆S-F、L-F（波纹含焊缝）、S-L（粗糙度含颗粒）。激光共聚焦显微镜此尺度最稳。表面形貌分析帮看懂波纹，也量化缺陷密度。中分辨率先算整体，增材制造表面测量拿到第一批参数。参考文章中波纹层占整体粗糙度约六成，去颗粒剩不到三成。所以先压焊缝波动。
20xROI的原始形貌(a);经过表面配准后从10x数据集中提取出的对应ROI(b);归一化互相关的响应(e);20xROI与10xROI形貌之间的差异图(d)
20×配准比对：Sa相对偏差约2%，绝对误差不到0.5µm。Sp、Sv、Sz这些极值差得多，因高NA物镜边缘还原好。统计参数靠这档拿稳值。
激光共聚焦显微镜高NA边缘还原好。分水岭当地形找山峰鞍部谷底，Wolf修剪去小边界。光学3D测量和接触式互补，非接触式表面测量不伤样。金属增材制造检测靠这类特征提取落地。
修剪阈值取Sz的1%–20%。焊缝片段按质心对齐合并；颗粒在S-L处理。3D打印表面粗糙度常由颗粒主导，增材制造表面形貌可逐个量化。3D表面形貌测量补局部几何。增材制造表面测量到这步能定位单颗、算清形貌。
几何参数：投影面积、体积、95%高度、方向角、偏心率、等效直径。焊缝宽用平行短轴线段平均。这些对应熔池宽、残留粒径、搭接。
三维形貌测量：通过非接触方式获取表面高度变化，可以观察熔道、颗粒以及局部缺陷分布。
表面粗糙度评价：基于三维高度数据，可以分析Sa、Sq等面积参数，用于比较不同制造工艺或处理方式对表面质量的影响。
局部结构尺寸分析：对于颗粒、凹槽以及微结构区域，可以进一步提取高度、宽度和轮廓信息。
增材制造表面粗糙度测量说到底是尺度匹配：低倍看分布，中倍算贡献，高倍拆几何。硬件来自3D共聚焦显微镜，框架由ISO25178确立，特征提取交分水岭。3D表面形貌测量覆盖全尺度，表面形貌分析是闭环基础。增材制造表面粗糙度测量方法正从抽检走向在线多尺度闭环。
光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，符合ISO25178标准测量，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。
技术支持：199-6293-0018
l 超宽视野范围，高精细彩色图像观察
l 提供粗糙度、几何轮廓、结构、频率、功能等五大分析技术
l 采用针孔共聚焦光学系统，高稳定性结构设计
l 提供调整位置、纠正、滤波、提取四大模块的数据处理功能
光子湾共聚焦显微镜以原位观察与三维成像能力，为精密测量提供表征技术支撑，助力从表面粗糙度与性能分析的精准把控，成为推动多领域技术升级的重要光学测量工具。
原文参考:《Multiscale characterization and analysis of additive manufacturing surfaces based on confocal laser scanning microscopy》
