JJF 2160-2024 激光共聚焦顯微鏡校準規(guī)范

中華人民共和國國家計量技術規(guī)范激光共聚焦顯微鏡校準規(guī)范JJF2160—2024激光共聚焦顯微鏡校準規(guī)范CalibrationSpecificationforLaserConfocalMicroscopesJJF2160—2024歸口單位:全國幾何量長度計量技術委員會主要起草單位:中國計量科學研究院哈爾濱工業(yè)大學參加起草單位:南京市計量監(jiān)督檢測院本規(guī)范委托全國幾何量長度計量技術委員會負責解釋JJF2160—2024本規(guī)范主要起草人:施玉書(中國計量科學研究院)劉儉(哈爾濱工業(yè)大學)張樹(中國計量科學研究院)參加起草人:王珉(南京市計量監(jiān)督檢測院)劉辰光(哈爾濱工業(yè)大學)皮磊(中國計量科學研究院)郭鑫(南京市計量監(jiān)督檢測院)JJF2160—2024Ⅰ引言 1范圍 (1)2引用文件 (1)3概述 (1)4計量特性 (2)4.1水平方向長度測量誤差 (2)4.2垂直方向長度測量誤差 (2)4.3水平方向長度測量重復性 (2)4.4垂直方向長度測量重復性 (2)4.5水平方向正交誤差 (2)4.6畸變 (2)4.7最大可測傾角 (2)4.8水平方向拼接誤差 (2)4.9垂直方向拼接誤差 (2)4.10載物臺定位誤差 (2)5校準條件 (3)5.1環(huán)境條件 (3)5.2校準項目和校準用標準器 (3)6校準項目和校準方法 (4)6.1水平方向長度測量誤差 (4)6.2垂直方向長度測量誤差 (6)6.3水平方向長度測量重復性 (8)6.4垂直方向長度測量重復性 (8)6.5水平方向正交誤差 (8)6.6畸變 (9)6.7最大可測傾角 (10)6.8水平方向拼接誤差 (11)6.9垂直方向拼接誤差 (11)6.10載物臺定位誤差 (12)7校準結果表達 (12)8復校時間間隔 (12)附錄A激光共聚焦顯微鏡長度測量誤差的不確定度評定 (13)附錄B激光共聚焦顯微鏡校準證書(內頁)格式 (15)JJF2160—2024ⅡJJF1001—2011《通用計量術語及定義》、JJF1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》、JJF1071—2010《國家計量校準規(guī)范編寫規(guī)則》、JJF1094—2002《測量儀器特性評定》共同構成支撐本規(guī)范制定的基礎性系列規(guī)范。本規(guī)范為首次發(fā)布。JJF2160—20241激光共聚焦顯微鏡校準規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于激光共聚焦顯微鏡的校準,其他基于共聚焦原理的顯微鏡校準也可參照本規(guī)范。2引用文件本規(guī)范引用了下列文件:GB/T19067.1—2003產品幾何技術規(guī)范(GPS)表面結構輪廓法測量標準第1部分:實物測量標準GB/T34879—2017產品幾何技術規(guī)范(GPS)光學共焦顯微鏡計量特性及測量不確定度評定導則ISO25178-607:2019產品幾何量技術規(guī)范(GPS)表面結構:區(qū)域法第607部分:非接觸(共焦顯微鏡)儀器的標稱特性[Geometricalproductspecifications(GPS)—Surfacetexture:Areal—Part607:Nominalcharacteristicsofnon-contact(confocalmicroscopy)instruments]凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本規(guī)范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用本規(guī)范。3概述激光共聚焦顯微鏡(以下簡稱共聚焦顯微鏡)是一種利用共軛點照明、點探測原理,通過激光逐點照明掃描和空間針孔調制技術獲取光學層析圖像,從而得到被測物體二維圖像或三維表面形貌參數的儀器。共聚焦顯微鏡具有多種照明約束和探測形式,被廣泛應用于材料科學、微納米加工、半導體器件和生命科學等領域。共聚焦顯微鏡的結構示意圖見圖1。2981234567圖1共聚焦顯微鏡結構示意圖JJF2160—20243表1共聚焦顯微鏡計量特性序號計量特性性能指標1水平方向長度測量誤差不超過±5%2垂直方向長度測量誤差不超過±5%3水平方向長度測量重復性不超過2%4垂直方向長度測量重復性不超過2%5水平方向正交誤差不超過1°6畸變不超過±10%7最大可測傾角20°~80°8水平方向拼接誤差不超過10%9垂直方向拼接誤差不超過10%10載物臺定位誤差不超過0.05mm5校準條件5.1環(huán)境條件5.1.1溫度:(20±5)℃,溫度變化量:0.5℃/h。5.1.2相對濕度:不超過75%。5.1.3校準用標準器與被校儀器等溫時間不少于0.5h。5.1.4實驗室內應無影響校準結果的振動、電磁輻射等因素。5.2校準項目和校準用標準器共聚焦顯微鏡校準項目和校準用標準器見表2。表2共聚焦顯微鏡校準項目和校準用標準器序號校準項目物鏡倍率標準器技術要求1水平方向長度測量誤差<50一維標準立體柵格柵格平均間距(5~20)μmUrel≤0.5%,k=2≥50柵格平均間距(500~5000)nmUrel≤1%,k=22垂直方向長度測量誤差<50標準臺階/凹槽標準臺階高度/溝槽深度(200~10000)nmUrel≤1%,k=2≥503水平方向長度測量重復性<50一維標準立體柵格柵格平均間距(5~20)μmUrel≤0.5%,k=2≥50柵格平均間距(500~5000)nmUrel≤1%,k=2JJF2160—20244表2(續(xù))序號校準項目物鏡倍率標準器技術要求4垂直方向長度測量重復性<50標準臺階/凹槽標準臺階高度/溝槽深度(200~10000)nmUrel≤1%,k=2≥505水平方向正交誤差<50二維標準立體柵格柵格平均間距20μmUrel≤0.5%,k=2≥50柵格平均間距10μmUrel≤0.5%,k=26畸變<50二維標準立體柵格柵格平均間距20μmUrel≤0.5%,k=2≥50柵格平均間距10μmUrel≤0.5%,k=27最大可測傾角<50標準球標準球直徑(0.3~5)mm形狀誤差≤0.3μm≥508水平方向拼接誤差<50標準臺階/凹槽標準臺階高度/溝槽深度(200~10000)nmUrel≤1%,k=2≥509垂直方向拼接誤差<50標準臺階/凹槽標準臺階高度/溝槽深度(200~10000)nmUrel≤1%,k=2≥5010載物臺定位誤差任意放大倍率激光干涉儀線性測量精度±5.0×10-7注:校準項目所采用的一維、二維標準立體柵格包含10個以上周期,標準器應根據被校儀器的物鏡放大倍率、視場范圍等因素選取。6校準項目和校準方法6.1水平方向長度測量誤差使用一維標準立體柵格校準水平方向長度測量誤差。將一維標準立體柵格置于樣品載物臺,在明場條件下將一維標準立體柵格的線條邊緣垂直于X軸放置,在標準器的有效特征區(qū)域內,去除圖像各邊緣尺寸10%(如圖2所示)后,均勻選取上、中、下3個區(qū)域進行測量。5ba圖2去除圖像邊緣示意圖在每個測量區(qū)域等間隔均勻提取5條輪廓線(如圖3所示),計算5條輪廓線柵格平均間隔的算術平均值作為該區(qū)域的柵格平均間隔測得值，多個得值的算術平均值作為X方向柵格平均間隔的測得值。使用“重心法”評價輪廓線的圖3X方向長度測量誤差校準示意圖在輪廓線上選取完整連續(xù)的且不少于10個周期的柵格結構作為評價區(qū)域，分別計算每個周期的重心位置。首尾重心間的水平距離即為評定長度L(如圖4所示),X方向一維標準立體柵格平均間距的測得值P可由式(1)計算。圖4重心法測量柵格平均間距示意圖6式中：P——一維標準立體柵格平均間距的測得值，nm;n——評定長度對應的周期數。共聚焦顯微鏡的長度測量誤差與相對誤差可分別由式(2)與式(3)計算。式中：△P——共聚焦顯微鏡X方向上的長度測量誤差，nm;P——一維標準立體柵格平均間距的測得值，nm;P——一維標準立體柵格平均間距的標準值，nm;△x——共聚焦顯微鏡X方向上的長度相對測量誤差。進行Y方向校準時，只需旋轉一維標準立體柵格使其線條邊緣與Y軸垂直放置，并按照上述X方向校準方法進行校準。6.2垂直方向長度測量誤差使用標準臺階進行垂直方向的長度測量誤差校準。將標準臺階放置于視場中心，在標準器的有效特征區(qū)內，去除圖像尺寸10%的邊緣后，均勻選取上、中、下3個區(qū)域進行測量。在每個測量區(qū)域等間隔(一般選取間隔為圖像寬度的10%)均勻提取5條輪廓線(如圖5所示)。計算5條輪廓線臺階高度的算術平均值作為該區(qū)域的臺階高度測得值，多個區(qū)域臺階高度測得值的算術平均值作為該標準臺階的高度測得值。共聚焦顯微鏡的垂直方向長度測量誤差與相對誤差可分別由式(4)與式(5)計算。輪廓線的臺階高度評價方法遵循以下兩種方法(二選一)。標準凹槽同樣適應于垂直方向長度測量誤差校準。7式中：△H——共聚焦顯微鏡垂直方向上的長度測量誤差，nm;H——標準臺階高度的測得值，nm;H,——標準臺階高度的標準值，nm;△z——共聚焦顯微鏡垂直方向上的長度相對測量誤差。6.2.1標準臺階高度評定方法A2/3W2/3WW依據GB/T19067.1—2003中的A1型標準值的評定方法對標準臺階高度進行測量。如圖6所示，將臺階底部寬度定義為W,評定長度為3W,將臺階頂部兩側2/3W的平均Z向高度值與底部中心1/3W的Z向高度值作差，即為輪廓線的臺階高度測得值H。6.2.2標準臺階高度評定方法B根據GB/T34879—2017中的標準臺階高度評定方法B(LEL準則)對標準臺階高度進行測量。如圖7所示，標準臺階寬度應該滿足W>2dp,標準臺階測量寬度應滿足Wm>2dr+2dp。其中W代表標準臺階寬度，Wm代表標準臺階寬度的測得值，dr代表滿足解耦條件的高度測量值的頂部避讓區(qū)間，dp代表滿足解耦條件的高度測量值的JJF2160—20248λ0ANλ0λ0ANλ0AN1.19dBdB=0.90K20.901-AAN1-AAN1-AAN1-+1.491-+1.791-1-ANHs,Hs∈0,0.971-1-ANλ0Hs,Hs∈0.97,+∞1-1-A(7)式中:λ0—測量光波長,nm;AN—顯微鏡數值孔徑;Hs—標準臺階高度的標準值,nm;K1、K2—常數,根據儀器性能和樣品加工工藝選定。標準臺階高度計算方法采用最小二乘回歸法,計算公式見式(8)。z=αx+β+δh(8)式中:z—與x對應的表面位置,nm;α、β、h—待定參數,通過最小二乘回歸法確定;x—采樣點的橫向坐標,nm;δ—變量,在A、B區(qū)域為+1,在C區(qū)域為-1。標準臺階高度的測得值H是估計值h的2倍。6.3水平方向長度測量重復性按照6.1所述方法選取和放置一維標準立體柵格標準器,使用被校儀器對標準器的同一有效特征區(qū)域進行連續(xù)多次重復測量,測量次數不少于6次,兩次測量之間的時間間隔不小于1min。并按照6.1中的計算方法得到每幅測量圖像的柵格平均間距測得值,計算多次重復測量的水平方向柵格平均間距的標準偏差s即為水平方向長度測量重復性測得值[式(9)]。n∑s=i=1(9)(Li-L)∑s=i=1(9)式中:s—共焦顯微鏡長度測量重復性,nm;Li—第i次測量的間距長度測量值,nm;L—n次間距長度測量值的算術平均值,nm;n—測量次數。6.4垂直方向長度測量重復性按照6.2所述方法選取和放置標準臺階標準器,使用被校儀器對標準器的同一有效特征區(qū)域進行連續(xù)多次重復測量,測量次數不少于6次,兩次測量之間的時間間隔不小于1min。并按照6.2中的計算方法得到每幅測量圖像的臺階高度測得值,多次重復測量的垂直方向臺階高度值的標準偏差s即為垂直方向長度測量重復性測得值[式(9)]。6.5水平方向正交誤差選用二維標準立體柵格校準水平方向正交誤差,將二維標準立體柵格的橫向線條平9行于X方向放置，如圖8所示。使用專用軟件對測量數據進行計算可得二維柵格圖像上橫向與縱向線條的夾角，夾角的測得值θ與標準值θs之差為水平方向正交式中：△θ——共聚焦顯微鏡正交誤差，();θ——二維標準立體柵格XY夾角的測得值，(°);θ、二維標準立體柵格XY夾角的標準值，()。選取相應二維標準立體柵格進行校準。將顯微鏡調至正常工作狀態(tài)，測量一張不少于9個完整方格的掃描圖像。取單個方格的4個端點為A、B、C、D,區(qū)分畸變類型，如圖9所示。分別計算枕形畸變的最短距離dp和桶形畸變的最長距離db。按式(11)～式(14)計算畸變相對誤差。(a)左右枕形畸變(b)上下枕形畸變(c)左右桶形畸變(d)上下桶形畸變左右枕形畸變：式中：PH——左右枕形畸變相對誤差；dp——發(fā)生枕形畸變的最短距離，nm;上下枕形畸變：Pv——上下枕形畸變相對誤差；左右桶形畸變：BH——左右桶形畸變相對誤差；db——發(fā)生桶形畸變的最短距離，nm;上下桶形畸變：Bv——左右枕形畸變相對誤差；db——發(fā)生桶形畸變的最短距離，nm;6.7最大可測傾角圖10最大可測傾角測量計算示意圖使用標準球校準共聚焦顯微鏡最大可測傾角。如圖10所示，對標準球的球冠表面進行掃描測量，由測得球冠的弦長與弓高計算標準球圓心角半角，即最大可測傾斜角[式(15)]。式中：α——最大可測傾斜角；L——二分之一弦長；6.8水平方向拼接誤差選取相應的標準臺階進行校準。通過兩個視場分別對獲得標準器有效特征區(qū)的兩部分圖像進行拼接。在拼接后的圖像上均勻選取3條垂直于拼接線的輪廓線，如圖11所示。計算3條輪廓線在拼接線兩側的Y方向高度差(如圖12所示),其算術平均值作為X方向拼接誤差[式(16)]?！鱔——共聚焦顯微鏡X方向上的拼接誤差，nm;C;——第i次測量拼接線左側輪廓線在Y方向上的高度測得值，nm;d;第i次測量拼接線右側輪廓線在Y方向上的高度測得值，nm;進行Y方向校準時，只需旋轉標準臺階的方向90°,按照X方向拼接誤差的校準方法校準即可。6.9垂直方向拼接誤差選取相應的標準臺階進行校準。通過兩個視場分別對獲得標準器有效特征區(qū)的兩部分圖像進行拼接。在拼接后的圖像上均勻選取3條垂直于拼接線的輪廓線，如圖11所示。計算3條輪廓線在拼接線兩側的高度差(如圖13所示),其算術平均值作為垂直方向拼接誤差[式(17)]。Z式中：△Z——共聚焦顯微鏡垂直方向上的拼接誤差，nm;a;——第i次測量拼接線左側輪廓線在Z方向上的高度測得值，nm;b;——第i次測量拼接線右側輪廓線在Z方向上的高度測得值，nm;n——測量次數，n=3。6.10載物臺定位誤差儀器首次驗收一般使用激光干涉儀對載物臺X、Y兩個方向進行校準。載物臺定位誤差為載物臺位移量示數與激光干涉儀示數之差[式(18)]。△M=Ma一Ms式中：△M——載物臺定位誤差，nm;Ma——載物臺位移量示數，nm;M,——激光干涉儀示數，nm。7校準結果表達應符合JJF1071中對校準證書的通用要求，經過校準的共聚焦顯微鏡出具校準證書。校準結果應至少包含下列內容：校準項目名稱和校準結果。測量不確定度的評定見附錄A,校準結果的表達見附錄B。8復校時間間隔由于復校時間間隔的長短是由儀器的使用情況、使用者、儀器本身質量等諸因素所決定的，因此送校單位可根據實際使用情況自主決定復校時間間隔，建議一般不超過JJF2160—202413附錄A激光共聚焦顯微鏡長度測量誤差的不確定度評定激光共聚焦顯微鏡測量誤差的不確定度受到放大倍數、位移掃描系統(tǒng)漂移、光學系統(tǒng)像差等因素的影響。本附錄為激光共聚焦顯微鏡進行水平方向、垂直方向測量誤差校準結果的測量不確定度評定。A.1垂直方向校準結果的測量不確定度評定模型與評定示例A.1.1垂直方向校準結果的測量不確定度評定模型A.1.1.1垂直方向測量模型根據測量方法,用標準臺階對共聚焦顯微鏡校準時,測量結果可以表示為:式中:式中:ΔP—儀器的測量誤差;P—共聚焦顯微鏡的測得值;Ps—標準器的標準值。A.1.1.2合成標準不確定度及擴展不確定度以上校準值的各分量互不相關,所以校準結果的合成標準不確定度可表示為:uc=測量不確定度來源:u1—測量重復性引入的不確定度;u2—標準臺階標準值的不確定度;u3—儀器示值分辨力引入的不確定度測量不確定度來源:u1—測量重復性引入的不確定度;u2—標準臺階標準值的不確定度;u3—儀器示值分辨力引入的不確定度。本示例中采用的標準臺階是標稱值為4967nm的標準臺階,選用10倍物鏡。A.1.2.1測量重復性引入的不確定度對標準臺階測量6次,測量的實驗標準偏差為1.81nm。A.1.2.2根據證書提供的數據,標準樣板的不確定度為48nm。A.1.2.3儀器的示值分辨力為0.5nm,按照均勻分布,引入的不確定度分量為0.29nm。該分量遠小于測量重復性引入的不確定度,可忽略。A.1.2.4測量結果的合成標準不確定度及擴展不確定度·uc=≈49nmA.2.1水平方向校準結果的測量不確定度評定模型A.2.1.1X或Y方向測量模型JJF2160—202414根據測量方法,用一維標準立體柵格對共聚焦顯微鏡校準時,X或Y方向測量結果可表示為:式中:ΔP=P-PsΔP—儀器的測量誤差;P—共聚焦顯微鏡的測得值;Ps—標準器的標準值。A.2.1.2合成標準不確定度及擴展不確定度以上校準值的各分量互不相關,所以校準結果的合成標準不確定度可表示為:測量不確定度來源:u1—測量不確定度來源:u1—測量重復性引入的不確定度;u2—一維標準