GB/T 34879-2017 产品几何技术规范（GPS） 光学共焦显微镜计量特性及测量不确定度评定导则

　　ICS 17 . 040 . 30 J 04

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 34879—2017

　　产品几何技术规范(GPS)

　　光学共焦显微镜计量特性及测量

　　不确定度评定导则

　　Geometricalproductspecifications(GPS)—Metrological

　　characteristicsandguidetouncertaintyofmeasurement

　　foropticalconfocalmicroscopes

　　2017-1 1-01 发布 2018-05-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 34879—20 17

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　本标准由全国产品几何技术规范标准化技术委员会(SAC/TC 240)提出并归口 。

　　本标准起草单位：哈尔滨工业大学、中机生产力促进中心、中国计量科学研究院、北京锐驰恒业仪器科技有限公司。

　　本标准主要起草人：刘俭、李梦周、明翠新、陈刚、施玉书、谭久彬、王伟波、刘辰光、王宇航、李亮。

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　　产品几何技术规范(GPS)

　　光学共焦显微镜计量特性及测量

　　不确定度评定导则

　　1 范围

　　本标准描述了光学共焦显微镜在宏观或微观三维表面形状测量中的计量特性，并规定了测量不确定度评定的横向和轴向测量结果的示值读取方法。

　　本标准适用于工业测量光学共焦显微镜。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的。 凡是注 日期的引用文件，仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

　　ISO 25178-600 产品几何技术规范(GPS) 表面结构：区域法 第 600 部分：表面层析测量方法

　　的计量特性 (Geometrical product specifications (GPS)—Surface texture : Areal—Part 600 : Metrologi- cal characteristics for areal-topography measuring methods)

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　共焦显微术 confocalmicroscopy;CM

　　采用约束性照明和约束性探测，借助轴向扫描获得光学层析图像，并通过提取轴向最大信号位置确定区域样品表面形状的测量方法。

　　注：实现照明与探测约束的掩模图案可能为单点、多点、网格或狭缝等任一能够产生层析特性的掩模图案。

　　3.2

　　照明模式 illuminationpattern

　　使用特定图形结构限定样品被照明范围的照明方式。

　　3.3

　　探测模式 detectionpattern

　　使用特定图形结构限定探测器接收样品成像信号区域范围的探测方式。

　　3.4

　　光学层析能力 opticalsectioningstrength

　　共焦显微镜阻止离焦光信号被探测器接收的程度。

　　3.5

　　平面扫描 in-planescanning

　　在 x-y 平面内获得共焦层析图像的机械或光学位移。

　　3.6

　　轴向扫描 axialscan

　　在光轴方向(狕 向)产生样品准焦位置变化的机械或光学位移。

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　　3.7

　　轴向扫描长度 axialscanlength

　　ZTOT

　　共焦显微镜所能实现的最大轴向扫描范围。

　　3.8

　　轴向包络 axialenvelope

　　所记录的探测信号对应于共焦层析图像中单一像点轴向位置变化的函数。

　　说明：

　　1 — 轴向包络曲线;

　　2 — 半高宽;

　　U≈ —轴向坐标 ≈ 的取值范围，单位：μm;

　　≈ —轴向实际坐标。

　　图 1 共焦显微成像轴向包络示意曲线

　　3.9

　　半高宽 fullwidthathalfmaximum

　　轴向包络幅度为信号最大信号幅度二分之一位置所对应的轴向区间跨度。

　　注：见图 1 中的“2”。

　　3 . 10

　　轴向最大信号位置 axialmaximum signalposition

　　轴向扫描过程中轴向响应信号最大值所对应的轴向(≈ 向)坐标。

　　注：轴向响应信号最大值可以是实际探测最大值，或者是数学拟合计算的理论最大值。

　　3 . 1 1

　　共焦成像速率 confocalimagingrate

　　在无轴向扫描情况下，每秒钟获得的共焦扫描图像数。

　　3 . 12

　　轴向扫描速率 axialscanningrate

　　z轴向扫描过程中，每秒钟获得的共焦扫描图像数，或者表述为每秒钟完成采样的层析图像数。

　　3 . 13

　　定位算法 locationalgorithm

　　从轴向包络中提取轴向最大信号位置的数学算法。

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　　3 . 14

　　共焦堆栈 confocalstack

　　轴向扫描过程中获得的系列光学层析图像。

　　3 . 15

　　共焦层析图像 confocaltopographyimage

　　轴向扫描过程中由共焦堆栈数据提取获得的区域形貌图。

　　3 . 16

　　共焦强度图像 confocalintensityimage

　　轴向扫描过程中由共焦堆栈数据提取获得的区域强度图。

　　3 . 17

　　平面度校准平面 flatnesscalibrationsurface

　　用于评价共焦显微镜层析测量结果的，与共焦显微镜光轴垂直位置放置的理想光滑平面。

　　注：理想光滑平面的平面度误差 ≤λ/10,并且 Ra<0.5 nm。

　　3 . 18

　　放大系数 amplificationcoefficient

　　响，α，线获得的线性回归曲线的斜率。

　　注：理想响应曲线的放大系数为 1,表明测得量值与输入量对等。

　　说明：

　　a —输入量;

　　b —测量量;

　　1 — 理想响应曲线;

　　2 — 实际响应曲线;

　　3 —有放大系数 α 导出的响应曲线;

　　4 — 局部线性偏差。

　　图 2 测量量与输入量响应关系示意图

　　3 . 19

　　线性偏差 linearitydeviation

　　测，l，≈向上测量结果与理论真值的最大局部偏差。

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　　3 . 20

　　空间测量范围 measuringvolume

　　仪器标称的可进行测量的三维坐标极限范围。

　　注：对于区域表面测量仪器而言，测量体积由 x-y 扫描范围以及z 向扫描范围共同决定。

　　3.21

　　残余平面度 residualflatness

　　ZFLT

　　区域参考面的平面度。

　　3 . 22

　　正交性 perpendicularity

　　ΔPERxy

　　x 与 y 轴线夹角偏离 90°的偏差。

　　3 . 23

　　仪器噪声 instrumentnoise

　　NI

　　在理想无噪声环境下，叠加在输出信号上的仪器内部噪声。

　　3 . 24

　　测量噪声 measurementnoise

　　NM

　　在仪器正常使用中叠加于输出信号的噪声。

　　注：测量噪声包括仪器噪声和热噪声、振动噪声以及空气湍流等环境噪声。

　　3 . 25

　　表面形貌重复性 surfacetopographyrepeatability

　　同一被测表面在相同测量条件下三维形貌测量结果的一致性。

　　3 . 26

　　采样间隔 x或 y samplingintervalinx(respectivelyy)

　　Dx(Dy)

　　相邻两个测量点之间沿着测量轴线方向 x 或 y 的距离。

　　3 . 27

　　层析步长 sectioningstep

　　Δz

　　两帧连续的共焦扫描图像之间的轴向(z 向)位置间隔。

　　3 . 28

　　横向周期极限 lateralperiodlimit

　　DLIM

　　对正弦光栅高度测量中仪器传递函数高度响应下降到 50%水平所对应的横向空间周期。

　　3 . 29

　　仪器传递函数 instrumenttransferfunction

　　ITF

　　仪器高度响应与被测表面形貌空间频率的函数曲线。

　　3 . 30

　　横向分辨率 lateralresolution

　　Rl

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　　所能探测到的两个结构之间的最小距离。

　　3.31

　　横向边缘提取分辨力 lateraledgeextractionresolution

　　Rle

　　识别横向结构边缘理论真值位置的最小偏差。

　　3 . 32

　　最大可测局部倾斜 maximum measurablelocalslope

　　共焦显微镜能够探测的光学表面局部区域最大斜率。

　　3 . 33

　　形貌测量失真度 topographyfidelity

　　TFl

　　被测表面形貌与溯源表面形貌之间的一致性。

　　注：与被测表面相比，溯源表面形貌不确定度水平可以忽略不计。

　　4 测量不确定度影响量

　　光学共焦显微镜测量不确定度影响量及受影响的计量特性见表 1 。

　　表 1 光学共焦显微镜测量不确定度影响量及受影响的计量特性

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　　表 1(续)

　　5 台阶测量示值读取方法

　　5 . 1 相干成像台阶测量横向结构示值读取方法

　　第一步，确定理想台阶的边缘位置。 在相干光照明成像条件下，理想台阶边缘位置为归一化台阶响应稳态幅值四分之一处的横向位置坐标，如图 3 所示。

　　第二步，读取横向结构宽度。 依据步骤 1 给出的边缘位置判定准则，判定双边边缘位置，读取由双边边缘位置所确定的横向结构宽度值。

　　说明：

　　Vx —横向坐标 x 的取值范围，单位：μm;

　　x —横向实际坐标，单位：μm。

　　图 3 相干成像台阶测量横向边缘位置判定示意图

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　　台阶样品定义为

　　其中 sgn()为符(，)，(为{sn,)δ底(≈( ≈)。｝

　　5 . 2 非相干成像台阶测量横向结构示值读取方法

　　第一步，确定理想台阶的边缘位置。 在非相干光照明成像条件下，理想台阶边缘位置为归一化台阶响应稳态幅值二分之一处的横向位置坐标，如图 4 所示;

　　第二步，读取横向结构宽度。 依据步骤 1 给出的边缘位置判定准则，判定双边边缘位置，读取由双边边缘位置所确定的横向结构宽度值。

　　说明：

　　Vx —横向坐标 x 的取值范围，单位：μm。

　　图 4 非相干成像台阶测量横向边缘位置判定示意图

　　5 . 3 台阶高度测量的示值读取方法

　　在三维台阶测量中，光学系统横向与轴向响应的耦合作用会导致形状测量结果失真。 在给定光学系统参数和测量光波长条件下，台阶高度读取应满足三维解耦合条件，即示值读取方法和条件如下：

　　第一步，在台阶顶部解耦区间读取测量结果 1,示值读数位置与台阶边缘位置的距离不小于 dT(dT为扫描测量光斑的横向艾里斑直径)。

　　第二步，在台阶底部解耦区间读取测量结果 2,示值读数位置与台阶边缘位置的距离不小于 dB , dB的计算方法如下：

　　式中：

　　AN — 见表 1 定义;

　　λ0 —见表 1 定义。

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　　第三步，根据测量结果 1 和 2,计算台阶高度。

　　说明：

　　W — 沟槽理论宽度;

　　d —理想台阶高度或者理想沟槽深度;

　　dT —满足解耦条件的，读取高度测量值的顶部避让区间;

　　dB —满足解耦条件的，读取高度测量值的底部避让区间。

　　注 1 ：在给定 W 和 d 条件下，若上述解耦条件无法满足，则意味着所使用的测量系统分辨能力不足，在实际测量汇中将产生耦合测量误差，建议提高光学系统数值孔径或减小测量波长。

　　注 2 ：图中粗实线区域为解耦区间，上述解耦合条件为测量光斑能量集中度 80%条件下的理论原则。

　　图 5 顶部和底部读取位置示意

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　　附 录 A

　　(资料性附录)

　　光学共焦显微镜基本组成

　　A.1 概述

　　共焦显微镜的工作原理是多种多样的，本附录仅给出了共焦光学共焦显微镜的基本配置，以辅助说明系统工作原理。 见图 A. 1 。

　　说明：

　　1 — 光源;

　　2 — 照明针孔;

　　3 — 准直镜;

　　4 — 分光镜;

　　5 — 扫描振镜;

　　6 — 扫描透镜;

　　7 — 场镜;

　　8 — 显微物镜;

　　9 — 轴向扫描装置;

　　10 — 样品;

　　11 — 聚焦透镜;

　　12 — 探测针孔;

　　13 — 光电探测器。

　　图 A.1 共焦显微镜基本原理组成示意图

　　A.2 光学共焦显微镜基本配置

　　光学共焦显微镜光源的相干性是决定系统成像为相干成像或非相干成像的主要因素，而系统分辨

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　　能力则主要决定于显微物镜。 系统可能包括 2 个独立的处于光学共轭位置的针孔，即照明针孔和探测针孔。 平面扫描可通过光学扫描装置完成(光学扫描)或样品载物台移动(机械扫描)完成，轴向扫描可通过轴向扫描装置(光学扫描)或者载物台移动(机械扫描)完成。 场镜主要作用是扩展扫描成像视场范围。

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　　附 录 B

　　(资料性附录)

　　在 GPS矩阵模型中的位置

　　本标准是一项 GPS通用标准，它影响 GPS通用标准矩阵中区域表面结构标准链的链环号 5,本标准在 GPS矩阵模型中的位置如图 B. 1 所示。

　　图 B.1 在 GPS矩阵模型中的位置