GB/T34879-2017
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)—Metrologicalcharacteristicsandguidetouncertaintyofmeasurementforopticalconfocalmicroscopes
- 中国标准分类号（CCS）J04
- 国际标准分类号（ICS）17.040.30
- 实施日期2018-05-01
- 文件格式PDF
- 文本页数13页
- 文件大小883.27KB
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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
国家标准 GB/T34879一2017 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 Geometreaproaduetspeeifeations(GPs)一Merogiel characteristicsandguidetouncertaintyofmeasurement foroptieallconfoealmicroscopes 2017-11-01发布 2018-05-01实施 国家质量监督检验检疫总局 发布 国家标准化管理委员会国家标准
GB/34879一2017 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 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
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sO25178-600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 troogi 的计量特性(Geometricalproductspecifications(G;PS)-Surfacetexture:ArealPart600:Met ealcharacteristicsforarealtopography measuringmethods) 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eonfoealmier0scopy;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ilumimationpatern 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optienlseetioningstrength 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-planescanmng 在r-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(:向)产生样品准焦位置变化的机械或光学位移
GB/T34879一2017 3.7 轴向扫描长度 axialscanlength Ton 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
叫 :/mm 说明: 轴向包络曲线; 半高宽 U
轴向坐标、的取值范围,单位;4m 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flwidthathalrmaximum 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axialmaximumsignalpositionm 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 3.11 共焦成像速率eonfwealimagingrate 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axialseanningrate 在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loeationalgorithmm 从轴向包络中提取轴向最大信号位置的数学算法
GB/34879一2017 3.14 共焦堆栈 cOnf0calstack 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confoeal top0graphyimage 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 alintensity 共焦强度图像confoean image 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fatnessealibrationsurface 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<入/10,并且Ra<0.5nmm. 3.18 erietemt 放大系数amplifieationcoef a,a， 'Q 由响应曲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,表明测得量值与输人量对等 说明 输人量; 测量量; -理想响应曲线; 实际响应曲线; -有放大系数a导出的响应曲线; -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linearitydeviationm l，，ly，l 在测量方向上测量结果与理论真值的最大局部偏差
GB/T34879一2017 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r-y扫描范围以及向扫描范围共同决定
3.21 残余平面度residuallatness Zr 区域参考面的平面度
3.22 正交性perpendicularits APER 与y轴线夹角偏离90`的偏差 . 3.23 仪器噪声instrumentnoise N1 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嗓声
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 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 intervalin.xrespe petthelryy 采样间隔x或ysampling D,(D, 相邻两个测量点之间沿着测量轴线方向工或y的距离
3.27 层析步长 sectioningstep A3 两帧连续的共焦扫描图像之间的轴向(:向)位置间隔
3.28 横向周期极限lateralpertidimt D LM 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 instrumenttransferfunetion 仪器传递函数 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lateralresolutionm R
GB/34879一2017 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lateraledgeextraetionresolution R 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 mmaximummeasurablelocalslope 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 T到 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
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 单元名称 影响量 受影响特性 测量光波长(见Iso25178-600中3.3.3) 光源 测量光学带宽(见Iso25178-600 B 中3.3.2 显微镜数值孔径(见Iso25178-600中3.3.6) a，，a，，a，DM 由探测器像面尺寸和表面样品尺寸所确定的成 MMMNG a，，a 像放大倍率 波前畸变 Ap\TH 成像模块 -股性光学器件参数包括像差、透过率和安装 a，,a，2E.T,l，,l， Qmm DAPER 误差等 uvC P 横向畸变 'sw DM,PER U(r,y) 照明一致性 a,ay,a,Zr,l.,,,l. Ar 成像探测器上的.r方向像素间隔 a,,DMn 探测器 成像探测器上的y方向像素间隔 ,Dus0 Ay 轴向扫描速率(见3.12) a,！ f Zo 轴向扫描长度(见3.7 ,l Q- 控制器 层析步长(见3.27) A2 T 完成单次z向扫描的工作时间 NM 共焦定位算法(见3.13) AMaG a
,l
GB/T34879一2017 表1续 受影响特性 单元名称 影响量 采样间隔(见3.26) D 扫描线性度 a.l A.LnN N 仪器噪声见3.23 NM 其他部分 Nm 环境振动 Ns 被测样品局部法线与光学系统光轴的相对倾斜 ,.a 0rnLr ， u 角度 不同材料反射产生的相对相位漂移 ps” K 样品 透明或者半透明薄膜的厚度 THM 尺寸小于分辨率的未能被分辨的结构特征 FuR" 注1:光学共焦显微镜基本组成,参见附录A
注2;影响量产生于仪器与被测样品的相互作用
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
台阶边缘像位置 0.25 x/m 说明 V 横向坐标.r的取值范围,单位:4m; 横向实际坐标,单位;Am 图3相干成像台阶测量横向边缘位置判定示意图
GB/34879一2017 台阶样品定义为 1(.r,心)= -[一gn(r)](c=0)+[I十sgn(r)];(-==)) 其中sgn()为符号函数,()为点函数,二为底面准焦情况下的轴向台阶高度
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
台阶边缘像位置 x/m 说明 横向坐标.r的取值范围,单位:4m
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dr(d 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,ds 的计算方法如下 1--压 入 .19A十1.49 -H,Heo,0.97 1一1一A、 d 1-AE lo.90十1.79 -H.Ho.97 A、 1一-A、" 式中: A见表1定义; 入 见表1定义
GB/T34879一2017 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 dl -理想台阶高度或者理想沟槽深度 -满足解棚条件的,读取高度测量值的顶部避让区间 d da -满足解条件的,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 中将产生稠合测量误差,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
GB/34879一2017 附 录 A 资料性附录 光学共焦显微镜基本组成 概述 A.1 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
手典 说明 光源; -照明针孔; 准直镜 分光镜; 扫描振镜; 扫描透镜; 场镜: 显微物镜; -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
GB/T34879一2017 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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GB/34879一2017 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
GPS综合标准 GPS通用标准 链环号 尺寸 距离 半径 角度 与基准无关的线形状 与基准相关的线形状 与基准无关的面形状 GPs 与基准相关的面形状 基础 标准 方向 位置 圆跳动 全跳动 基准作 粗糙度轮廓 波纹度轮碗 原始轮帛 表面缺陷 棱边 区域表面结构 图B.1在GPs矩阵模型中的位置
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GB/T34879-2017解读
产品几何技术规范（GPS）是一种以数学表达方式来描述工件大小、形状和位置等几何特征的技术规范。该规范可以帮助工业制造领域中使用者和生产者之间实现互通有无，且具有高精度、高可靠性和国际通用性的特点。
光学共焦显微镜是一种利用光学原理进行观察的显微镜，它可以获得比传统显微镜更高的分辨率和对样品的三维结构信息。该技术已广泛应用于生物学、材料学、化学和医学等领域。
GB/T34879-2017是由中国国家标准化管理委员会发布的一项关于光学共焦显微镜计量特性及测量不确定度评定导则的标准。该标准主要介绍了光学共焦显微镜的计量特性，包括像差、分辨率、灵敏度等方面，并提供了相应的测量方法和评定指标。此外，该标准还介绍了光学共焦显微镜测量不确定度的评定方法，包括A类和B类不确定度的计算公式、扩展不确定度的估算方法等。
该标准的实施可以有效提高光学共焦显微镜的测量精度和可靠性，为工业制造、科研和医学诊断等领域提供更高质量的服务和支持。
