1、 黑龙江省地方计量技术规范 JJF（黑） 02 2014 共焦显微镜 (几何参量 )校准规范 Calibration Specification for Confocal Microscope （ Geometry Parameter） 2014-08-12 发布 2014-09-01 实施 黑龙江省质量技术监督局 发布 JJF（黑） 02-2014 JJF（黑） 02-2014 共焦显微镜（几何参量） 校 准规范 Calibration Specification for Confocal Microscope (Geometry Parameter) 本规范经黑龙江省质量技术监督局于 20
2、14年 08月 11日批准，并自 2014年 09月 01日起施行。 归 口 单 位：黑龙江省质量技术监督局 主要起草单位：哈尔滨工业大学 黑龙江省计量检定测试院 本规 程由黑龙江省质量技术监督局负责解释 JJF（黑） 02-2014 本规范主要起草人： 谭久彬 (哈尔滨工业大学 ) 王伟波 (哈尔滨工业大学 ) 刘 俭 (哈尔滨工业大学 ) 王宇航 (哈尔滨工业大学 ) 李旭辉 (黑龙江省计量检定测试院 ) JJF（黑） 02-2014 目 录引 言 . 1 1 范围 . 2 2 引用文件 . 2 3 术语和定义 . 2 4 概述 . 2 5 计量特性 . 3 6 校准条件 . 3 6.1
3、环境条件 . 3 7 校准项目和校准方法 . 4 7.1 校准项目 . 4 7.2 X、 Y 轴微动测量示值允许误差 . 4 7.3 Z 轴微动测量示值允许误差 . 5 7.4 X、 Y 轴微动测量重复性 . 6 7.5 Z 轴微动测量重复性 . 6 7.6 X、 Y、 Z 轴拼接机构单向定位偏差 . 6 7.7 X、 Y 轴拼接机构直线度 . 7 7.8 Z 轴拼接机构直线度 . 8 8 校准结果表达 . 9 9 复校时间间隔 . 9 附录 A 共焦显微镜（几何参量） Z 轴微动测量示值允许误差的不确定度评定 . 10 附录 B 校准证书内容及内页格式 . 13 JJF（黑） 02-2014
4、 - 1 引 言 本规范经查询未见“共焦显微镜（几何参量 ）”的国际建议、国际标准或国家标准，本规范的主要性能指标参考黑龙江省地方标准“ DB 23/ T1531 2013 移相差动共焦显微镜技术要求”。 本规范为首次制定文件。 JJF（黑） 02-2014 - 2 共焦显微镜（几何参量）校准规范 1 范围 本规范适用于基于共焦显微原理进行被测样品三维几何参量测量的共焦显微镜（几何参量）的校准。该类仪器由负责三维测量功能的共焦显微 测量模块 和负责拼接功能的高精度三维载物台组成，其中共焦显微 测量模块 X、 Y 和 Z 轴的测量范围均在 100m1000m 之间；高精度三维载物台 X、 Y 和
5、 Z 轴的拼接范围均在1mm20mm之间。 2 引用文件 本规范引用下列文件 JJF 1094 2002 测量仪器特性评定 JJF 1071 2010 国家计量校准规范编写规则 JJF 1001 2011 通用计量术语及定义 JJF 1251 2010 坐标定位测量系统校准规范 JJF1059.1-2012 测量不确定度评定与表示 GB/T11336-2004 直线度误差检测 GB/T 19067.1-2003 产品几何量技术规范（ GPS）表面结构轮廓法测量标准 第1 部分：实物测量标准 GB/T 1958-2004 产品几何量技术规范 (GPS)形状和位置公差检测规定 凡是注明日期的引用文
6、件，仅注日期的版本适用于本规范；凡不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修订单）适用于本规范。 3 术语 和 定义 共焦显微镜 confocal microscopy 一种利用逐点照明和空间针孔调制来去除样品非焦点平面的散射光的光学成像显微镜。 4 概述 共焦显微镜（几何参量）通过在光学系统照明端和探测端面处引入针孔，有效抑制了杂散光的影响，获得了独特的轴向层析能力，实现了较高的轴向分辨力，结合 水平方向 高精度扫描 实现了对被测样品的三维形貌测量。 其测量过程分为共焦显微 测量模块微动扫描测量 和高精度三维载物台 进行 拼接 区域移动 两个步骤，其中共焦显微 测量模块微动扫描测量 是核心
7、部分。首先进行微 动 扫描 测量 ，通过 X、 Y、 Z 轴的微动机构完成显微物镜焦点在样品表面三维空JJF（黑） 02-2014 - 3 间的扫描过程，得到样品在该三维空间大小范围内的几何参量数据。其中 X、 Y 和Z轴测量范围均在 100m1000m之间。其次高精度三维载物台 进行 拼接 区域移动 ，将第一步中 共焦显微 测量模块完成测量区域移动，并将邻近区域移入，进行拼接测量，该类 高精度三维载物台 X、 Y 和 Z 轴的拼 接范围均在 1mm20mm 之间。 其硬件组成结构包括：共焦显微 测量模块 微动扫描测量系统、高精度三维载物台拼接测量系统、基座及计算机系统组成。共焦显微镜结构示意
8、图如图 1 所示。 高 精 度 三 维 载 物 台 拼 接测 量 系 统基 座共 焦 显 微 测量 模 块 微 观扫 描 测 量 系统图 1 共焦显微镜结构示意图 5 计量特性 计量特性名称及要求见表 1。 表 1 计量特性名称及要求 序号 计量特性名称 要求 1 X、 Y 轴 微 动 测量示值 允许 误差 0.1 2 Z 轴微 动 测量示值允许误差 0.04m 3 X、 Y 轴微 动 测量重复性 0.05m 4 Z 轴微 动 测量重复性 0.02m 5 X、 Y、 Z 轴拼接 机构单向 定位 偏差 0.2m 6 X、 Y、 Z 轴拼接机构 直线度 0.05m/10mm 6 校准条件 6.1
9、环境条件 6.1.1 实验室温度、湿度和平衡温度时间的要求见表 2。 JJF（黑） 02-2014 - 4 表 2 环境条件 校准室内温度 ( ) 室 温 变 化 ( /h) 相 对 湿 度（ %） 被校准仪器在室内平衡温度的时间(h) 20 2 2 3065 4 6.1.2 电源电压的波动不应超过额定值的 10%， 实验室内 应避开强交变电磁场或近距离的交变磁场（如电 机、电焊机等）的干扰。 6.1.3 校准系统应放置于隔振地基上。 7 校准项目和校准方法 7.1 校准项目 校准项目和标准器见表 3。 表 3 校准项目和标准器 序号 校准项目 标准器及技术要求 标准器 技术要求 1 X、 Y
10、 轴微动测量示值允许误差 标准光栅样板 MPE： 5nm 2 Z 轴微动测量示值允许误差 标准台阶样板 MPE： 1nm 3 X、 Y 轴微动测量重复性 标准光栅样板 MPE： 5nm 4 Z 轴微动测量重复性 标准台阶样板 MPE： 1nm 5 X、 Y、 Z 轴拼接机构单向定位偏差 双频激 光干涉仪 MPE：（ 0.03+1.5L） m 6 X、 Y 轴拼接 机构直线度 位移传感器 平晶 30 双频激光干涉仪 MPE： 5nm 1 级 MPE：（ 0.03+1.5L） m 7 Z 轴拼接 机构直线度 平晶 双频激光干涉仪 1 级 MPE：（ 0.03+1.5L） m 7.2 X、 Y 轴微
11、动测量示值允许误差 7.2.1 X 轴微动测量示值允许误差 采用标准光栅样板进行 X 轴 微动测量示值允许误差 的校准。测量时通常在标准光栅样板上选取大于 10 个周期范围的区域进行校准，同时应兼顾所选取范围不小于采用最大放大倍 率显微物镜时其物方视场范围的 1/3。记录标准光栅样板被测区域每个周期的测量结果 iT ，其中 i 表示不同位置光栅周期序号（ i10）。 校准 报告 记录 标准光栅的周期为 sT 。 则 X 轴 微动测量示值允许误差 应如下计算： JJF（黑） 02-2014 - 5 snii= 11= T - Tn （ 1） 7.2.2 Y 轴微动测量示值允许误差 Y 轴 微动测
12、量示值允许误差校准方法参考 7.2.1 条 的方法 。 7.3 Z 轴微动测量示值允许误差 采用标准台阶进行共焦显微镜（几何参量） Z 轴微动测量示值允许误差的校准 。如图 2 所示，以标准台阶 A、 B、 C 三个区域作为测量计算区域，其中 W 代表台阶宽度， h 为台阶高度或者深度， Ws 代表 A、 C 的计算测量区域宽度， Wd 代表边缘宽度， Wm 代表 B 段计算测量区域宽度。 图 2 台阶高度测量原理示意图 台阶高度为：nniim i = 1 i = 1ii = 111A + C1 nnh = B -m2 （ 2） 式中： h 台阶高度 仪器测量值 Ai 区域 A 中 Z 轴位移
13、测量值 Bi 区域 A 中 Z 轴位移测量值 Ci 区域 A 中 Z 轴位移测量值 m 区域 B 测量点数 n 区域 A、 C 测量点数 由上所述可计算 Z 轴微动测量示值允许误差 ： shh （ 3） 其中 sh 是标准台阶样板高度。 Ws C A Ws Wd Wd W Wm B h h JJF（黑） 02-2014 - 6 7.4 X、 Y 轴微动测量重复性 7.4.1 X 轴微动测量重复性 采用标准光栅样板校准 X 轴微动测量重复性 。采用 7.2.1 中 X 轴 微动测量 示值允许 误差 的测量方法 ，在相同条件下重复进行 10 次， 则 X 轴微动测量重复性校准结果为： n 2ii
14、= 1x-s= n - 1（ ），其中 1niin （ 4） sx X 轴微 动 测量重复性 i 第 i 次 X 轴 微动测量 示值允许误差 测量结果的平均值 n 重复次数 7.4.2 Y 轴微动测量重复性 Y 轴微 动 测量重复性 校准方法参考 7.4.1 条 的 方法。 7.5 Z 轴微动测量重复性 采用标准台阶校准 Z 轴微动测量重复性 。采用 7.3 中标准台阶高度的测量方法，重复测量 10 次，以 10 次台阶高度测量值的实验标准偏差作为 Z 轴微动测量重复性校准结果：n 2ii=1zh - hs= n - 1（ ），其中 1nii hhn （ 5） sz Z 轴重复性测量的标准偏差 hi 第 i 次标准台阶的高度测量结果 h 测量结果的平均值 n 测量次数 7.6 X、 Y、 Z 轴拼接机构 单向 定位 偏差 7.6.1 X 轴拼接 机构单向定位 偏差 采用激光干涉仪按图 3 组成测量光路。调整激光干涉仪及干涉仪镜组使光轴与X 轴 平行。在 X 轴行程上 任意选取一个 目标位置 i 在 X 轴方向上单向趋近 10 次。记录目标位置第 j 次从正方向和负方向趋近的位置偏差 ijX 、 ijX ，从而可得到单向 平均位置偏差：
