ISO 25178-3:2012 — 表面形貌：区域法 — 第3部分：区域表面形貌仪器的校准

1. 范围与目的

ISO 25178-3:2012 规定了区域（三维）表面形貌测量仪器的校准程序和测量标准。该标准确保区域表面形貌测量结果可溯源到 SI 米定义，涵盖了用于区域表面形貌测量的所有仪器类型，包括光学仪器（共聚焦、干涉、变焦）和接触式仪器（触针式）。

校准是建立测量仪器输出与已知参考量之间关系的过程。对于区域表面形貌仪器，完整校准需要至少四个独立的校准标准，涵盖：横向（XY）标度、垂直（Z）标度、分辨率和噪声特性。

该标准建立了一个层次化校准框架，包括：校准标准（物理实物标准）、校准程序、校准周期和校准文件要求。它还规定了确定影响测量精度的仪器传递特性的方法，包括线性度、平面度偏差和本底噪声。

ISO 25178-3 规定了每种仪器类型的详细校准程序，考虑了各种区域测量仪器采用的不同物理原理。对于光学仪器，校准必须考虑接触式触针仪器不存在的波长相关效应、数值孔径影响和表面反射率依赖性。

干涉显微镜在校准过程中特别容易受到环境因素的影响。校准台阶高度标准必须与测量时的仪器温度处于 +/-0.1 C 范围内，因为热膨胀会在台阶高度值中引入每摄氏度 0.1-0.5% 的误差。对于纳米级校准，温度补偿算法至关重要。

该标准强制要求所有校准测量必须附带遵循《测量不确定度表示指南》（GUM）方法的不确定度预算。关键不确定度贡献因素包括：校准标准不确定度、仪器重复性、温度效应、测量策略（测量次数、定位）和操作人员影响。必须为每个校准参数报告合成扩展不确定度（k=2，95% 置信度）。

采用统计过程控制（SPC）技术的现代校准管理系统可将校准周期从传统的 12 个月延长至 18-24 个月，同时提高测量保证水平。通过定期中间检查（每周或每月）跟踪仪器漂移，可以根据仪器实际性能而非任意日历周期来优化校准间隔，将校准成本降低 30-50%。

有效实施 ISO 25178-3 校准要求对于在生产环境中保持测量质量至关重要。

分层校准方法：实施三级校准体系：（1）每 12-24 个月由国家计量院或认可实验室进行主校准，（2）每 3-12 个月（取决于使用强度）使用认证参考标准进行仪器校准，（3）每日/每周使用传递标准进行验证检查以检测校准之间的漂移。
应用特定校准：使用接近实际测量应用表面特性（粗糙度范围、坡度角度、反射率）的标准进行仪器校准。在镜面精加工标准上进行的校准可能不适用于测量粗糙的无光泽表面。
软件验证：该标准还涉及软件验证要求。参数计算软件必须使用具有已知参数值的参考数据集进行验证。ISO 25178-3 为此引用了标准参考数据集。

一个被严重低估的校准要求是仪器测量本底噪声的验证。随着仪器老化，激光源衰减，探测器积累污染物，机械磨损增加。如果本底噪声超过预期测量应用 Sa 值的 20%，则测量结果在统计上无效。定期本底噪声验证（至少每月一次）应成为任何使用区域表面形貌测量的质量管理体系的强制性要素。

问：区域表面形貌仪器应多久校准一次？
答：ISO 25178-3 建议至少每年进行一次完整仪器校准，中间验证检查的间隔由仪器使用频率和稳定性决定。生产环境中高频率使用的仪器可能需要每季度校准。通过验证检查结果的统计过程控制可以延长校准周期。

问：相同的标准能否同时用于轮廓（2D）和区域（3D）仪器？
答：横向校准标准（节距标准、光栅）通常可通用。然而，区域仪器需要额外提供三维结构的校准实物标准（交叉光栅、区域粗糙度标准）。轮廓仪器缺乏同时校准二维横向轴的面积测量能力。

问：A 型和 B 型区域粗糙度标准有何区别？
答：A 型标准是具有已知空间波长和幅值的周期性（正弦或三角）表面形貌，主要用于传递函数验证。B 型标准是非周期性的多波长表面形貌，更接近真实的工程表面，用于全测量带宽上的系统整体性能验证。

问：ISO 25178-3 程序是否适用于在线系统？
答：核心校准原则适用，但实际实施差异显著。在线系统通常需要使用集成校准实物标准进行自动化或半自动化校准程序。校准周期通常较短（每日或每周），侧重于漂移检测而非全面表征。