中华人民共和国国家计量技术规范
JJF2160—2024
激光共聚焦显微镜校准规范
CalibrationSpecificationforLaserConfocalMicroscopes
2024-10-19发布2025-04-19实施
国家市场监督管理总局 发布
激光共聚焦显微镜校准规范
CalibrationSpecificationfor
LaserConfocalMicroscopes
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JJF2160—2024
归口单位:全国几何量长度计量技术委员会
主要起草单位:中国计量科学研究院
哈尔滨工业大学
参加起草单位:南京市计量监督检测院
本规范委托全国几何量长度计量技术委员会负责解释
JJF2160—2024
本规范主要起草人:
施玉书(中国计量科学研究院)
刘 俭(哈尔滨工业大学)
张 树(中国计量科学研究院)
参加起草人:
王 珉(南京市计量监督检测院)
刘辰光(哈尔滨工业大学)
皮 磊(中国计量科学研究院)
郭 鑫(南京市计量监督检测院)
JJF2160—2024
目 录
引言……………………………………………………………………………………… (Ⅱ)
1 范围…………………………………………………………………………………… (1)
2 引用文件……………………………………………………………………………… (1)
3 概述…………………………………………………………………………………… (1)
4 计量特性……………………………………………………………………………… (2)
4.1 水平方向长度测量误差…………………………………………………………… (2)
4.2 垂直方向长度测量误差…………………………………………………………… (2)
4.3 水平方向长度测量重复性………………………………………………………… (2)
4.4 垂直方向长度测量重复性………………………………………………………… (2)
4.5 水平方向正交误差………………………………………………………………… (2)
4.6 畸变………………………………………………………………………………… (2)
4.7 最大可测倾角……………………………………………………………………… (2)
4.8 水平方向拼接误差………………………………………………………………… (2)
4.9 垂直方向拼接误差………………………………………………………………… (2)
4.10 载物台定位误差………………………………………………………………… (2)
5 校准条件……………………………………………………………………………… (3)
5.1 环境条件…………………………………………………………………………… (3)
5.2 校准项目和校准用标准器………………………………………………………… (3)
6 校准项目和校准方法………………………………………………………………… (4)
6.1 水平方向长度测量误差…………………………………………………………… (4)
6.2 垂直方向长度测量误差…………………………………………………………… (6)
6.3 水平方向长度测量重复性………………………………………………………… (8)
6.4 垂直方向长度测量重复性………………………………………………………… (8)
6.5 水平方向正交误差………………………………………………………………… (8)
6.6 畸变………………………………………………………………………………… (9)
6.7 最大可测倾角……………………………………………………………………… (10)
6.8 水平方向拼接误差………………………………………………………………… (11)
6.9 垂直方向拼接误差………………………………………………………………… (11)
6.10 载物台定位误差………………………………………………………………… (12)
7 校准结果表达………………………………………………………………………… (12)
8 复校时间间隔………………………………………………………………………… (12)
附录A 激光共聚焦显微镜长度测量误差的不确定度评定………………………… (13)
附录B 激光共聚焦显微镜校准证书(内页)格式………………………………… (15)
Ⅰ
JJF2160—2024
引 言
JJF1001—2011 《通用计量术语及定义》、JJF1059.1—2012 《测量不确定度评定与
表示》、JJF1071—2010 《国家计量校准规范编写规则》、JJF1094—2002 《测量仪器特
性评定》共同构成支撑本规范制定的基础性系列规范。
本规范为首次发布。
Ⅱ
JJF2160—2024
激光共聚焦显微镜校准规范
1 范围
本规范适用于激光共聚焦显微镜的校准,其他基于共聚焦原理的显微镜校准也可参
照本规范。
2 引用文件
本规范引用了下列文件:
GB/T19067.1—2003 产品几何技术规范(GPS) 表面结构 轮廓法 测量标
准 第1部分:实物测量标准
GB/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
ISO25178-607:2019 产品几何量技术规范(GPS) 表面结构:区域法 第607
部分:非接触(共焦显微镜)仪器的标称特性[Geometricalproductspecifications
(GPS)—Surfacetexture:Areal—Part607:Nominalcharacteristicsofnon-contact
(confocalmicroscopy)instruments]
凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文
件,其最新版本(包括所有的修改单)适用本规范。
3 概述
激光共聚焦显微镜(以下简称共聚焦显微镜)是一种利用共轭点照明、点探测原
理,通过激光逐点照明扫描和空间针孔调制技术获取光学层析图像,从而得到被测物体
二维图像或三维表面形貌参数的仪器。共聚焦显微镜具有多种照明约束和探测形式,被
广泛应用于材料科学、微纳米加工、半导体器件和生命科学等领域。共聚焦显微镜的结
构示意图见图1。
1
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图1 共聚焦显微镜结构示意图
1—激光光源;2—准直镜;3、5—分光镜;4—光束扫描系统;6—物镜;7—载物台;8—计算机;
9—宽场显微模块;10—反射镜;11—聚焦透镜;12—针孔;13—光电探测器
4 计量特性
共聚焦显微镜计量特性见表1,性能指标供校准时参考。
4.1 水平方向长度测量误差
4.2 垂直方向长度测量误差
4.3 水平方向长度测量重复性
4.4 垂直方向长度测量重复性
4.5 水平方向正交误差
4.6 畸变
4.7 最大可测倾角
4.8 水平方向拼接误差
4.9 垂直方向拼接误差
4.10 载物台定位误差
2
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表1 共聚焦显微镜计量特性
序号计量特性性能指标
1 水平方向长度测量误差不超过±5%
2 垂直方向长度测量误差不超过±5%
3 水平方向长度测量重复性不超过2%
4 垂直方向长度测量重复性不超过2%
5 水平方向正交误差不超过1°
6 畸变不超过±10%
7 最大可测倾角20°~80°
8 水平方向拼接误差不超过10%
9 垂直方向拼接误差不超过10%
10 载物台定位误差不超过0.05mm
5 校准条件
5.1 环境条件
5.1.1 温度:(20±5)℃,温度变化量:0.5℃/h。
5.1.2 相对湿度:不超过75%。
5.1.3 校准用标准器与被校仪器等温时间不少于0.5h。
5.1.4 实验室内应无影响校准结果的振动、电磁辐射等因素。
5.2 校准项目和校准用标准器
共聚焦显微镜校准项目和校准用标准器见表2。
表2 共聚焦显微镜校准项目和校准用标准器
序号校准项目物镜倍率标准器技术要求
1 水平方向长
度测量误差
<50
≥50
一维标准
立体栅格
栅格平均间距(5~20)μm
Urel≤0.5%,k=2
栅格平均间距(500~5000)nm
Urel≤1%,k=2
2 垂直方向长
度测量误差
<50
≥50
标准台阶/凹槽
标准台阶高度/沟槽深度
(200~10000)nm
Urel≤1%,k=2
3
水平方向长
度测量
重复性
<50
≥50
一维标准
立体栅格
栅格平均间距(5~20)μm
Urel≤0.5%,k=2
栅格平均间距(500~5000)nm
Urel≤1%,k=2
3
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表2 (续)
序号校准项目物镜倍率标准器技术要求
4
垂直方向长
度测量
重复性
<50
≥50
标准台阶/凹槽
标准台阶高度/沟槽深度
(200~10000)nm
Urel≤1%,k=2
5 水平方向
正交误差
<50
≥50
二维标准
立体栅格
栅格平均间距20μm
Urel≤0.5%,k=2
栅格平均间距10μm
Urel≤0.5%,k=2
6 畸变
<50
≥50
二维标准
立体栅格
栅格平均间距20μm
Urel≤0.5%,k=2
栅格平均间距10μm
Urel≤0.5%,k=2
7 最大可测倾角<50
≥50
标准球
标准球直径(0.3~5)mm
形状误差≤0.3μm
8 水平方向
拼接误差
<50
≥50
标准台阶/凹槽
标准台阶高度/沟槽深度
(200~10000)nm
Urel≤1%,k=2
9 垂直方向拼接
误差
<50
≥50
标准台阶/凹槽
标准台阶高度/沟槽深度
(200~10000)nm
Urel≤1%,k=2
10 载物台定位
误差
任意放大
倍率
激光干涉仪线性测量精度±5.0×10-7
注:校准项目所采用的一维、二维标准立体栅格包含10个以上周期,标准器应根据被校仪器
的物镜放大倍率、视场范围等因素选取。
6 校准项目和校准方法
6.1 水平方向长度测量误差
使用一维标准立体栅格校准水平方向长度测量误差。将一维标准立体栅格置于样品
载物台,在明场条件下将一维标准立体栅格的线条边缘垂直于X 轴放置,在标准器的
有效特征区域内,去除图像各边缘尺寸10% (如图2所示)后,均匀选取上、中、下
3个区域进行测量。
4
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a ———共聚焦显微镜X轴方向有效特征区域尺寸;
b ———共聚焦显微镜Y轴方向有效特征区域尺寸;
图2 去除图像边缘示意图
在每个测量区域等间隔均匀提取5条轮廓线(如图3所示),计算5条轮廓线栅格
平均间隔的算术平均值作为该区域的栅格平均间隔测得值,多个区域的栅格平均间隔测
得值的算术平均值作为X 方向栅格平均间隔的测得值。使用“重心法”评价轮廓线的
栅格平均间隔,具体评价过程如下。
图3 X方向长度测量误差校准示意图
在轮廓线上选取完整连续的且不少于10个周期的栅格结构作为评价区域,分别计
算每个周期的重心位置。首尾重心间的水平距离即为评定长度L (如图4所示),X 方
向一维标准立体栅格平均间距的测得值P 可由式(1)计算。
L———首尾重心间的水平距离;
n———评价区域内栅格的周期数量
图4 重心法测量栅格平均间距示意图
5
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P =L
n (1)
式中:
P ———一维标准立体栅格平均间距的测得值,nm;
L———评定长度,nm;
n———评定长度对应的周期数。
共聚焦显微镜的长度测量误差与相对误差可分别由式(2)与式(3)计算。
ΔP =P -Ps (2)
ΔX =
P -Ps
Ps
×100% (3)
式中:
ΔP ———共聚焦显微镜X方向上的长度测量误差,nm;
P ———一维标准立体栅格平均间距的测得值,nm;
Ps———一维标准立体栅格平均间距的标准值,nm;
ΔX———共聚焦显微镜X方向上的长度相对测量误差。
进行Y方向校准时,只需旋转一维标准立体栅格使其线条边缘与Y 轴垂直放置,
并按照上述X方向校准方法进行校准。
6.2 垂直方向长度测量误差
使用标准台阶进行垂直方向的长度测量误差校准。将标准台阶放置于视场中心,在
标准器的有效特征区内,去除图像尺寸10%的边缘后,均匀选取上、中、下3个区域
进行测量。在每个测量区域等间隔(一般选取间隔为图像宽度的10%)均匀提取5条
轮廓线(如图5所示)。计算5条轮廓线台阶高度的算术平均值作为该区域的台阶高度
测得值,多个区域台阶高度测得值的算术平均值作为该标准台阶的高度测得值。共聚焦
显微镜的垂直方向长度测量误差与相对误差可分别由式(4)与式(5)计算。轮廓线的
台阶高度评价方法遵循以下两种方法(二选一)。标准凹槽同样适应于垂直方向长度测
量误差校准。
图5 垂直方向长度测量误差校准示意图
6
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ΔH =H -Hs (4)
ΔZ =
P -Ps
Ps
×100% (5)
式中:
ΔH ———共聚焦显微镜垂直方向上的长度测量误差,nm;
H ———标准台阶高度的测得值,nm;
Hs———标准台阶高度的标准值,nm;
ΔZ———共聚焦显微镜垂直方向上的长度相对测量误差。
6.2.1 标准台阶高度评定方法A
图6 3W 准则示意图
依据GB/T19067.1—2003中的A1型标准值的评定方法对标准台阶高度进行测量。
如图6所示,将台阶底部宽度定义为W ,评定长度为3W ,将台阶顶部两侧2/3W 的平
均Z向高度值与底部中心1/3W 的Z向高度值作差,即为轮廓线的台阶高度测得值H 。
6.2.2 标准台阶高度评定方法B
图7 LEL准则示意图
根据GB/T34879—2017中的标准台阶高度评定方法B (LEL准则)对标准台阶高
度进行测量。如图7所示,标准台阶宽度应该满足W >2dB,标准台阶测量宽度应满足
W m>2dT+2dB。其中W 代表标准台阶宽度,W m代表标准台阶宽度的测得值,dT 代
表满足解耦条件的高度测量值的顶部避让区间,dB代表满足解耦条件的高度测量值的
底部避让区间,dT与dB按式(6)与式(7)计算。
dT =1.2K1
λ0
AN (6)
7
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dB =
K2 1.19λ0
AN
+1.491- 1-A2N
AN
Hs ,Hs∈ 0,0.97 λ0
1- 1-A2N K2 0.90λ0
AN
+1.791- 1-A2N
AN
Hs ,Hs∈ 0.97 λ0
1- 1-A2N
,+∞
?
?
?
??? ???
(7)
式中:
λ0———测量光波长,nm;
AN———显微镜数值孔径;
Hs———标准台阶高度的标准值,nm;
K1、K2———常数,根据仪器性能和样品加工工艺选定。
标准台阶高度计算方法采用最小二乘回归法,计算公式见式(8)。
z =αx +β+δh (8)
式中:
z———与x 对应的表面位置,nm;
α、β、h———待定参数,通过最小二乘回归法确定;
x———采样点的横向坐标,nm;
δ———变量,在A、B区域为+1,在C区域为-1。
标准台阶高度的测得值H 是估计值h 的2倍。
6.3 水平方向长度测量重复性
按照6.1所述方法选取和放置一维标准立体栅格标准器,使用被校仪器对标准器的
同一有效特征区域进行连续多次重复测量,测量次数不少于6次,两次测量之间的时间
间隔不小于1min。并按照6.1中的计算方法得到每幅测量图像的栅格平均间距测得
值,计算多次重复测量的水平方向栅格平均间距的标准偏差s 即为水平方向长度测量重
复性测得值[式(9)]。
s= Σn
i=1(Li -?L)2
n -1 (9)
式中:
s———共焦显微镜长度测量重复性,nm;
Li———第i 次测量的间距长度测量值,nm;
?L ———n 次间距长度测量值的算术平均值,nm;
n———测量次数。
6.4 垂直方向长度测量重复性
按照6.2所述方法选取和放置标准台阶标准器,使用被校仪器对标准器的同一有效
特征区域进行连续多次重复测量,测量次数不少于6次,两次测量之间的时间间隔不小
于1min。并按照6.2中的计算方法得到每幅测量图像的台阶高度测得值,多次重复测
量的垂直方向台阶高度值的标准偏差s 即为垂直方向长度测量重复性测得值[式(9)]。
6.5 水平方向正交误差
选用二维标准立体栅格校准水平方向正交误差,将二维标准立体栅格的横向线条平
8
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行于X方向放置,如图8所示。使用专用软件对测量数据进行计算可得二维栅格
图像上横向与纵向线条的夹角,夹角的测得值θ 与标准值θs 之差为水平方向正交
误差[式(10)]。
Δθ=θ-θs (10)
式中:
Δθ———共聚焦显微镜正交误差,(°);
θ———二维标准立体栅格XY 夹角的测得值,(°);
θs———二维标准立体栅格XY 夹角的标准值,(°)。
图8 水平方向正交误差示意图
6.6 畸变
选取相应二维标准立体栅格进行校准。将显微镜调至正常工作状态,测量一张不少
于9个完整方格的扫描图像。取单个方格的4个端点为A 、B、C、D ,区分畸变类型,
如图9 所示。分别计算枕形畸变的最短距离dp 和桶形畸变的最长距离db。按
式(11)~式(14)计算畸变相对误差。
(a)左右枕形畸变(b)上下枕形畸变(c)左右桶形畸变(d)上下桶形畸变
图9 畸变测量示意图
左右枕形畸变:
PH = 1- 2dp
dAB +dCD ×100% (11)
式中:
PH———左右枕形畸变相对误差;
dp———发生枕形畸变的最短距离,nm;
dAB ———方格AB 边长,nm;
dCD ———方格CD 边长,nm。
上下枕形畸变:
9
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PV = 1- 2dp
dAD +dBC ×100% (12)
式中:
PV———上下枕形畸变相对误差;
dp———发生枕形畸变的最短距离,nm;
dAD ———方格AD 边长,nm;
dBC ———方格BC 边长,nm。
左右桶形畸变:
BH = 1- 2db
dAB +dCD ×100% (13)
式中:
BH———左右桶形畸变相对误差;
db———发生桶形畸变的最短距离,nm;
dAB ———方格AB 边长,nm;
dCD ———方格CD 边长,nm。
上下桶形畸变:
BV = 1- 2db
dAD +dBC ×100% (14)
式中:
BV———左右枕形畸变相对误差;
db———发生桶形畸变的最短距离,nm;
dAD ———方格AD 边长,nm;
dBC ———方格BC 边长,nm。
6.7 最大可测倾角
图10 最大可测倾角测量计算示意图
使用标准球校准共聚焦显微镜最大可测倾角。如图10所示,对标准球的球冠表面
进行扫描测量,由测得球冠的弦长与弓高计算标准球圆心角半角,即最大可测倾斜角
[式(15)]。
α =arcsin 2DL
D2+L2 (15)
式中:
α———最大可测倾斜角;
10
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L———二分之一弦长;
D ———弓高。
6.8 水平方向拼接误差
选取相应的标准台阶进行校准。通过两个视场分别对获得标准器有效特征区的两部
分图像进行拼接。在拼接后的图像上均匀选取3条垂直于拼接线的轮廓线,如图11所
示。计算3条轮廓线在拼接线两侧的Y 方向高度差(如图12所示),其算术平均值作
为X方向拼接误差[式(16)]。
图11 拼接误差校准示意图
图12 X方向拼接误差校准切面图
ΔX =Σn
i=1
|ci -di|
n (16)
式中:
ΔX ———共聚焦显微镜X方向上的拼接误差,nm;
ci———第i 次测量拼接线左侧轮廓线在Y方向上的高度测得值,nm;
di———第i 次测量拼接线右侧轮廓线在Y方向上的高度测得值,nm;
n———测量次数,n=3。
进行Y方向校准时,只需旋转标准台阶的方向90°,按照X方向拼接误差的校准方
法校准即可。
6.9 垂直方向拼接误差
选取相应的标准台阶进行校准。通过两个视场分别对获得标准器有效特征区的两部
分图像进行拼接。在拼接后的图像上均匀选取3条垂直于拼接线的轮廓线,如图11所
示。计算3条轮廓线在拼接线两侧的高度差(如图13所示),其算术平均值作为垂直方
11
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向拼接误差[式(17)]。
图13 垂直方向拼接误差校准切面图
ΔZ =Σn
i=1
|ai -bi|
n (17)
式中:
ΔZ———共聚焦显微镜垂直方向上的拼接误差,nm;
ai———第i 次测量拼接线左侧轮廓线在Z方向上的高度测得值,nm;
bi———第i 次测量拼接线右侧轮廓线在Z方向上的高度测得值,nm;
n———测量次数,n=3。
6.10 载物台定位误差
仪器首次验收一般使用激光干涉仪对载物台X、Y两个方向进行校准。载物台定位
误差为载物台位移量示数与激光干涉仪示数之差[式(18)]。
ΔM =Ma-Ms (18)
式中:
ΔM ———载物台定位误差,nm;
Ma———载物台位移量示数,nm;
Ms———激光干涉仪示数,nm。
7 校准结果表达
应符合JJF1071中对校准证书的通用要求,经过校准的共聚焦显微镜出具校准证
书。校准结果应至少包含下列内容:校准项目名称和校准结果。测量不确定度的评定见
附录A,校准结果的表达见附录B。
8 复校时间间隔
由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所
决定的,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔,建议一般不超过
1年。
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附录A
激光共聚焦显微镜长度测量误差的不确定度评定
激光共聚焦显微镜测量误差的不确定度受到放大倍数、位移扫描系统漂移、光学系
统像差等因素的影响。本附录为激光共聚焦显微镜进行水平方向、垂直方向测量误差校
准结果的测量不确定度评定。
A.1 垂直方向校准结果的测量不确定度评定模型与评定示例
A.1.1 垂直方向校准结果的测量不确定度评定模型
A.1.1.1 垂直方向测量模型
根据测量方法,用标准台阶对共聚焦显微镜校准时,测量结果可以表示为:
ΔP =P -Ps
式中:
ΔP ———仪器的测量误差;
P ———共聚焦显微镜的测得值;
Ps———标准器的标准值。
A.1.1.2 合成标准不确定度及扩展不确定度
以上校准值的各分量互不相关,所以校准结果的合成标准不确定度可表示为:
uc= u21+u22+u23
测量不确定度来源:
u1———测量重复性引入的不确定度;
u2———标准台阶标准值的不确定度;
u3———仪器示值分辨力引入的不确定度。
扩展不确定度 U =k·uc,k=2。
A.1.2 垂直方向校准结果的测量不确定度评定示例
本示例中采用的标准台阶是标称值为4967nm 的标准台阶,选用10倍物镜。
A.1.2.1 测量重复性引入的不确定度
对标准台阶测量6次,测量的实验标准偏差为1.81nm。
A.1.2.2 根据证书提供的数据,标准样板的不确定度为48nm。
A.1.2.3 仪器的示值分辨力为0.5nm,按照均匀分布,引入的不确定度分量为
0.29nm。该分量远小于测量重复性引入的不确定度,可忽略。
A.1.2.4 测量结果的合成标准不确定度及扩展不确定度
uc= u21+u22 ≈49nm
扩展不确定度U =k·uc=98nm,k=2。
A.2 水平方向校准结果的测量不确定度评定模型与评定示例
A.2.1 水平方向校准结果的测量不确定度评定模型
A.2.1.1 X或Y方向测量模型
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JJF2160—2024
根据测量方法,用一维标准立体栅格对共聚焦显微镜校准时,X 或Y 方向测量结
果可表示为:
ΔP =P -Ps
式中:
ΔP ———仪器的测量误差;
P ———共聚焦显微镜的测得值;
Ps———标准器的标准值。
A.2.1.2 合成标准不确定度及扩展不确定度
以上校准值的各分量互不相关,所以校准结果的合成标准不确定度可表示为:
uc= u21+u22+u23
测量不确定度来源:
u1———测量重复性引入的不确定度;
u2———一维标准立体栅格标准值的不确定度;
u3———仪器示值分辨力引入的不确定度。
扩展不确定度 U =k·uc,k=2。
A.2.2 水平方向校准结果的测量不确定度评定示例
本示例中采用的是栅格平均间距标称值为10026nm 的一维标准立体栅格,选用
20倍物镜。
A.2.2.1 测量重复性引入的不确定度
对一维标准立体栅格测量6次,测量的实验标准偏差为5.07nm。
A.2.2.2 根据证书提供的数据,一维标准立体栅格的不确定度为60nm。
A.2.2.3 仪器的示值分辨力为1nm,按照均匀分布,引入的不确定度分量为
0.58nm。该分量远小于测量重复性引入的不确定度,可忽略。
A.2.2.4 测量结果的合成标准不确定度及扩展不确定度
uc= u21+u22 ≈61nm
扩展不确定度U =k·uc=122nm,k=2。
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附录B
激光共聚焦显微镜校准证书(内页)格式
证书编号:××××———××××
校准结果
1.水平、垂直方向长度测量误差
放大倍率长度测量误差/nm 长度测量误差的扩展
不确定度(k=2)/nm
2.水平、垂直方向长度测量重复性
放大倍率长度测量重复性/nm
3.水平方向正交误差
放大倍率正交误差/(°)
4.畸变
放大倍率
左右桶形畸变/
%
上下桶形畸变/
%
左右枕形畸变/
%
上下枕形畸变/
%
5.最大可测倾角
放大倍率二分之一弦长L/nm 弓高D/nm 圆心半角/(°)
6.水平方向拼接误差
放大倍率X方向拼接误差Y方向拼接误差
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7.垂直方向拼接误差
放大倍率垂直方向拼接误差
8.载物台定位误差
X方向定位误差Y方向定位误差
说明:
根 据客户要求和校准文件的规定,通常情况下个月校准一次。
由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的,因此
送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。
声明:
1 本证书的校准结果仅对本次所校准的计量器具有效。
2 未经本实验室书面批准,部分复印本证书无效。
校准员: 核验员:
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