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ISO 25178-600：面形貌测量方法的计量特性
产品几何技术规范(GPS)——表面纹理：面域——第600部分
1. 面形貌仪器的标准计量特性
ISO 25178-600:2019 定义了适用于所有面形貌测量仪器的基础计量特性。这些特性构成了指定、比较和校准表面纹理测量系统的通用语言，无论其底层测量原理如何。该标准建立了七个关键计量特性，涵盖了对测量不确定度有贡献的所有重要影响量。这种统一化至关重要，因为此前每个仪器特定标准（ISO 25178-601 至 606）都定义自己的术语和计量框架，导致整个 ISO 25178 系列内部存在不一致性。
该标准的制定源于 ISO 25178 系列内部一致性的需求。此前各仪器特定标准定义的术语和计量特性各不相同，造成使用不同测量原理的仪器之间无法直接比较。ISO 25178-600 将所有共同方面整合到一个文件中，确保诸如放大系数、线性偏差和测量噪声等术语在所有测量方法中具有一致的含义。该标准遵循国际不确定度表示指南（GUM）框架，实现了从仪器特性通过测量模型到最终结果的系统化不确定度传播。
七个关键计量特性是：放大系数（x, y, z）、线性偏差（lx, ly, lz）、平面度偏差（zFLT）、测量噪声（NM）、形貌空间分辨率（WR）、x-y映射偏差和形貌保真度（TFI）。每个特性捕获特定的影响量，共同构成整体测量不确定度。
| 计量特性 | 符号 | 主要误差轴 | 定义条款 |
|---|---|---|---|
| 放大系数 | x, y, z | x, y, z | 3.1.10 |
| 线性偏差 | lx, ly, lz | x, y, z | 3.1.11 |
| 平面度偏差 | zFLT | z | 3.1.12 |
| 测量噪声 | NM | z | 3.1.15 |
| 形貌空间分辨率 | WR | z | 3.1.20 |
| x-y映射偏差 | x(x,y), y(x,y) | x, y | 3.1.13 |
| 形貌保真度 | TFI | x, y, z | 3.1.26 |
2. 关键概念：测量回路、噪声和分辨率
测量回路是该标准中定义的关键概念。它包含连接工件和探头的所有组件的闭环链，包括定位机构、工件夹具、测量支架、驱动单元和探测系统。作用在测量回路上的外部和内部干扰直接影响测量不确定度，使得机械设计和环境隔离对高精度测量至关重要。测量回路的刚度和热稳定性直接影响可达到的测量精度。具有高刚度和低热膨胀系数的测量回路在温度波动不可避免的环境中能产生更可重复的测量结果。
仪器噪声（NI）和测量噪声（NM）被仔细区分。仪器噪声是理想条件下仪器内部可达到的最小噪声，源自放大器噪声、探测器散粒噪声或杂散光等。测量噪声包括仪器噪声加上来自热波动、机械振动和空气湍流的环境贡献。对于大多数实际工程测量，测量噪声是相关量，因为它代表实际工作条件下的噪声水平。在正常实验室环境中，测量噪声通常为仪器噪声的2-5倍，而在车间条件下可达10-50倍，因此环境控制是影响测量质量的关键因素。
形貌空间分辨率（WR）是一个多维概念，可通过横向周期极限（DLIM）、触针尖端半径（rTIP）、全高度传输宽度极限（Wl）以及光学系统的瑞利、斯派罗和阿贝准则等多种参数量化。该标准强调没有单一参数能普遍表征所有仪器的空间分辨率。
3. 光学系统与工件特性
该标准对光学系统特性给予了大量关注，包括数值孔径（AN）、测量光学带宽（B0）以及瑞利、斯派罗和阿贝分辨率准则。对于光学形貌仪器，数值孔径在很大程度上决定最大可测量局部斜率。AN=0.95的干式物镜可测量高达72度的斜率，而水浸或油浸物镜可以达到更高值。数值孔径与最大可测量斜率之间的关系对于为给定测量任务选择合适的物镜至关重要。对于MEMS和半导体器件中常见的陡壁结构，高NA物镜是捕获完整表面几何形状的必要条件。
工件光学特性显著影响测量质量。该标准定义了光学光滑与光学粗糙表面、表面膜（薄和厚）以及光学非均匀材料。在一组条件下（特定波长、数值孔径或像素分辨率）表现为光学光滑的表面，在条件改变时可能表现为光学粗糙。工程师在选择测量参数和解释结果时必须考虑这些材料相关的影响。该标准还定义了仪器传递函数（ITF）作为表征形貌仪器空间频率响应的方法。ITF描述了仪器对不同空间频率表面特征的响应方式，实现了仪器之间的定量比较，并为空间频率相关测量的不确定度评估提供了基础。
为获得最佳测量结果：(1)选择适合预期表面特征的采样间隔，(2)确保工件的光学特性与测量方法兼容，(3)在实际工作条件下表征测量噪声，(4)使用可追溯的标准物质校准放大系数。遵循这些指南可确保可靠且可重复的表面形貌测量。
4. 常见问题
问：仪器噪声和测量噪声有什么区别？
答：仪器噪声（NI）是理想无噪声环境中的内部噪声。测量噪声（NM）包括仪器噪声加上来自振动、热变化和空气湍流的环境贡献。NM是实际测量的相关参数，在实验室条件下通常为NI的2-5倍。
答：仪器噪声（NI）是理想无噪声环境中的内部噪声。测量噪声（NM）包括仪器噪声加上来自振动、热变化和空气湍流的环境贡献。NM是实际测量的相关参数，在实验室条件下通常为NI的2-5倍。
问：形貌空间分辨率如何量化？
答：通过多个参数：横向周期极限DLIM（50% ITF响应）、触针尖端半径、宽度极限Wl、光学系统的瑞利/斯派罗/阿贝准则。合适的参数取决于测量方法和应用。
答：通过多个参数：横向周期极限DLIM（50% ITF响应）、触针尖端半径、宽度极限Wl、光学系统的瑞利/斯派罗/阿贝准则。合适的参数取决于测量方法和应用。
问：什么决定了表面上的最大可测量斜率？
答：对于光学仪器，物镜的数值孔径（AN）是主要因素。AN=0.95时最大可测斜率约为72度。粗糙表面由于散射可能允许更高的可测量斜率。对于触针仪器，触针尖端的锥角是限制因素。
答：对于光学仪器，物镜的数值孔径（AN）是主要因素。AN=0.95时最大可测斜率约为72度。粗糙表面由于散射可能允许更高的可测量斜率。对于触针仪器，触针尖端的锥角是限制因素。
问：为什么测量回路概念很重要？
答：测量回路包含连接工件到探头的所有机械和光学元件。其刚度、热稳定性和隔振能力直接决定可达到的测量精度和重复性。更刚硬且热膨胀更低的回路产生更可靠的测量结果。
答：测量回路包含连接工件到探头的所有机械和光学元件。其刚度、热稳定性和隔振能力直接决定可达到的测量精度和重复性。更刚硬且热膨胀更低的回路产生更可靠的测量结果。
