VDI VDE 2655 Blatt 1 1-2008 Optical measurement and microtopographies - Calibration of interference microscopes and depth measurement standards for roughness measurement.pdf

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1、VEREIN DEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKOptische Messtechnik an MikrotopografienKalibrieren von Interferenzmikroskopen und Tiefeneinstellnormalen fr die RauheitsmessungOptical measurement and microtopographiesCalibration of interference microscopes and depth m

2、easurement standards for roughness measurementVDI/VDE 2655Blatt 1.1 / Part 1.1Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/VDE-Handbuch Mess- und Automatisierungstechnik, Band 2: Fertigungstechnisches MessenVDI-Handbuch Betriebstechnik, Teil 3: BetriebsmittelVDI/VDE-Handbuch Mikro- und Feinwerktech

3、nikVDI/VDE-Handbuch Optische TechnologienZu beziehen durch/Availablefrom BeuthVerlag GmbH,10772BerlinAlle Rechtevorbehalten/All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure,Dsseldorf2008Vervielfltigung auchfr innerbetrieblicheZwecke nicht gestattet / Reproduction even for internal use not permittedIC

4、S 17.180.80Mrz 2008March 2008Inhalt SeiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32Begriffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Formelzeichen und Indizes. . . . . . . . . .

5、 . 54 Eigenschaften der Interferenzmikroskope . . 64.1 Bestandteile der Gerte . . . . . . . . . . . 64.2 Interferenz-Strahlengnge . . . . . . . . . . 74.3 Auswerteverfahren. . . . . . . . . . . . . . 85 Referenznormale und Kalibrierverfahren . . . 105.1 bersicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6、105.2 Rauschen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.3 Ebenheitsabweichung der Bezugsebene . . 125.4 Bestimmung der kurzen Grenzwellenlnge. 135.5 Kalibrierung der horizontalen Achsen . . . 155.6 Kalibrierung der vertikalen Achse. . . . . . 155.7 Nicht bercksichtigte Eigenschaften . . . . 166 Erge

7、bnisbericht der Gertekalibrierung . . . 176.1 Bestimmung von Gerteeigenschaften . . . 176.2 Rckfhrung horizontal . . . . . . . . . . . 176.3 Rckfhrung vertikal . . . . . . . . . . . . 176.4 Messunsicherheit fr die Gertekalibrierung . . . . . . . . . . . . . . 187 Messunsicherheit . . . . . . . . . .

8、 . . . . . . 187.1 Struktur des Modells. . . . . . . . . . . . . 187.2 Aufstellung des Modells. . . . . . . . . . . 207.3 Erluterung der Eingangsgren und Ermittlung ihres Einflusses auf die Topografiebestimmung . . . . . . . . . . . 227.4 Unsicherheit der Punkte der Topografie. . . 267.5 Kennwertfun

9、ktionen . . . . . . . . . . . . . 26Schrifttum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Terms and definitions . .

10、 . . . . . . . . . . . . 43 Symbols and subscript symbols . . . . . . . . 54 Properties of the interference microscope . . 64.1 Parts of the instrument . . . . . . . . . . . . 64.2 Interference light paths . . . . . . . . . . . . 74.3 Evaluation methods. . . . . . . . . . . . . . 85 Reference standa

11、rds and calibration methods.105.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105.2 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115.3 Flatness deviation of the z datum plane . . . 125.4 Determination of the short cut-off wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135.5 Calibration of the

12、horizontal axes . . . . . . 155.6 Calibration of the vertical axis . . . . . . . . 155.7 Properties not included . . . . . . . . . . . . 166 Report of results of instrument calibration . . 176.1 Determination of instrument properties . . . 176.2 Horizontal traceability . . . . . . . . . . . . 176.3

13、Vertical traceability . . . . . . . . . . . . . . 176.4 Measurement uncertainty for instrumentcalibration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 Measurement uncertainty . . . . . . . . . . . . 187.1 Structure of the model . . . . . . . . . . . . 187.2 Setting up the model . . . . . . . . . . . . .

14、 207.3 Explanation of the input variables anddetermination of their influence on theanalysis of topography . . . . . . . . . . . . 227.4 Uncertainty of the points of topography . . . 267.5 Parameter funktions . . . . . . . . . . . . . 26Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39VDI/VD

15、E-RICHTLINIENVDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)Fachausschuss Geometrische Messgren und Messgerteeigenschaften Kalibrierverfahren und NormaleDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guar

16、antee can be given with respect to the English trans-lation. Frhere Ausgabe:04.05EntwurfFormeredition:04/05 DraftB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2008 2 VDI/VDE 2655 Blatt 1.1 / Part 1.1VorbemerkungDer

17、Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, derFotokopie, der elektronischen Verwendung und derbersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig,sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Ri

18、chtlinie ist unter Wahrungdes Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in denVDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieserVDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.EinleitungInterferenzmikroskopische Verfahren

19、 sind ein wichti-ger Bestandteil der Messtechnik zur Bestimmung derMikrotopografie von Oberflchen geworden, diedurch die bisherige Richtlinie VDI/VDE 2604 nichtmehr zeitgem beschrieben werden. Neben den Ver-fahren, wie die physikalischen Grundprinzipien derInterferenz in Oberflchen-Topografien umges

20、etztwerden, beschreibt die vorliegende Richtlinie Metho-den, mit denen die Interferenzmikroskope in wesent-lichen messtechnischen Eigenschaften charakterisiertwerden knnen. Darin eingeschlossen sind die Rck-fhrung und die Berechnung der Messunsicherheitvon Gerteeigenschaften und Oberflchenkenngr-en.

21、 Fr eine systematische Behandlung wird dieseRichtlinie anwendungsbezogen gegliedert.Blatt 1.1 Kalibrieren von Interferenzmikroskopenund TiefeneinstellnormalenBlatt 1.2 Kalibrieren von konfokalen Mikroskopenund Tiefeneinstellnormalen Blatt 1.3 Kalibrieren von Interferenzmikroskopenfr die Konturmessun

22、gBlatt 1.4 Kalibrieren von konfokalen Mikroskopenfr die KonturmessungBlatt 2.1 Verfahren der Rauheitsmessung mit Inter-ferenzmikroskopenBlatt 2.2 Verfahren der Rauheitsmessung mit kon-fokalen MikroskopenBlatt 2.3 An- und Abnahmeprfung von Interfe-renzmikroskopenBlatt 2.4 An- und Abnahmeprfung von ko

23、nfoka-len MikroskopenEine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieserRichtlinie kann unter www.vdi-richtlinien.de abgeru-fen werden.Anmerkung: Die Richtline VDI/VDE 2604:1971-06 wird mit Er-scheinen der Weidrucke der Bltter 1.1 und 2.1 dieser Richtlinien-reihe zurckgezogen.Preliminary noteThe content

24、 of this guideline has been developed instrict accordance with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting,reproduction (photocopying, micro copying), storagein data processing systems and translation, either ofthe full text

25、or of extracts.The use of this guideline without infringement of copy-right is permitted subject to the licensing conditionsspecified in the VDI notices (www.vdi-richtlinien.de).We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline.IntroductionProcedures using interference

26、 microscopes have be-come an important part of the measurement tech-niques used for determining the microtopography ofsurfaces. However the treatment of these methods inthe previous VDI/VDE 2604 no longer reflects thecurrent situation. Alongside the procedures wherebythe basic physical principles be

27、hind interference areimplemented in surface topographies, the presentguideline describes methods for classifying interfer-ence microscopes by major metrological properties.These include traceability and the calculation of themeasurement uncertainty of instrument propertiesand surface texture paramet

28、ers. This guideline hasbeen subdivided on an application-related basis in or-der to allow a systematic treatment of the subject.Part 1.1 Calibration of interference microscopesand depth setting standardsPart 1.2 Calibration of confocal microscopes anddepth setting standards Part 1.3 Calibration of i

29、nterference microscopes forcontour measurementPart 1.4 Calibration of confocal microscopes forcontour measurementPart 2.1 Methods of roughness measurement withinterference microscopesPart 2.2 Methods of roughness measurement withconfocal microscopesPart 2.3 Acceptance and reverification test of inte

30、r-ference microscopesPart 2.4 Acceptance and reverification test of con-focal microscopesA list with the actual available parts of this guidelinecan be requested on the internet at www.vdi-richtlinien.de.Note: The guideline VDI/VDE 2604:1971-06 will be withdrawnafter publication of Part 1.1 and 2.1

31、of this guideline series.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2008 VDI/VDE 2655 Blatt 1.1 / Part 1.1 3 1 AnwendungsbereichDie vorliegende Richtlinie VDI/VDE 2655 Blatt 1.1gilt fr Interferenzmikroskope zur Messu

32、ng der To-pografie technischer Oberflchen. Die beschriebenenProzeduren fr die Kalibrierung sind vergleichbar zuden Methoden, die sich bereits bei den Richtlinien frdie Rckfhrung von Tastschnittgerten (sieheBild 1) bewhrt haben (DKD-R 4-2; EAL-G20).Entsprechend sind, so weit es mglich ist, auch diedo

33、rt erprobten Normale (Planglas, optisches Gitter,Tiefeneinstellnormal, Raunormal) bernommen. Dieses Blatt der Richtlinienreihe beschrnkt sich aufdie Grundkalibrierung der Interferenzmikroskope.Diese schliet die Rckfhrung auf die Lngenein-heit ber die Messung an rckgefhrten Tiefenein-stellnormalen ei

34、n. Dies entspricht dem rechten verti-kalen Pfad in Bild 1. Aus diesen Messprozessen er-gibt sich die Herleitung fr die Messunsicherheitsbe-rechnung der Gertekalibierung und die der Messungan Tiefeneinstellnormalen.Die entsprechenden Prozeduren fr Rauheitskenn-gren werden in VDI/VDE 2655 Blatt 2.1 be

35、schrie-ben werden.Mit der Anwendung dieser Richtlinie werden fol-gende Ziele verfolgt:1ScopeThe present guideline VDI/VDE 2655 Part 1.1 ap-plies to interference microscopes used for measuringthe topography of industrial surfaces. The calibrationprocedures described are comparable to the methodswhich

36、 have already proved themselves in the guide-lines dealing with the traceability of contact stylus in-struments (see Figure 1) (DKD-R 4-2; EAL-G20).Accordingly, the standards examined there (opticalflat, optical grating, depth measurement standard,roughness measurement standard) have also beenused w

37、here this is possible. The present part of the guideline series is confined tothe basic calibration of the interference microscope.This includes traceability to the unit of length viameasurement at traceable depth measurement stand-ards. This corresponds to the right-hand vertical pathin Figure 1. F

38、rom these measurement procedurescomes the derivation for calculating the measurementuncertainty in the instrument calibration and the deri-vation for measurement at depth measurement stand-ards.The corresponding procedures for surface roughnessparameters will be described in VDI/VDE 2655Part 2.1.App

39、lication of this guideline pursues the followingaims:Bild 1. Rckfhrungskette fr Tastschnittgerte und InterferenzmikroskopeNach der Kalibrierung auf dem Referenz-Interferenzmikroskop wird mit den Tiefeneinstellnormalen vom Typ A die Lngeneinheit an dienachgeordneten Tastschnittgerte und Interferenzmi

40、kroskope weiter gegeben. Dies entspricht dem Verlauf der rechten vertikalen Pfeile.Normale mit unregelmigem Profil auch Planglser werden mit dem so zurckgefhrten Referenz-Tastschnittgert kalibriert undgeben danach die Werte von Rauheitskenngren an die nachgeordneten Tastschnittgerte und Interferenzm

41、ikroskope weiter. Dies ent-spricht dem Verlauf der linken vertikalen Pfeile.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9NormCD - Stand 2012-08Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure, Dsseldorf 2008 4 VDI/VDE 2655 Blatt 1.1 / Part 1.1Bessere Vergleichbarkeit von Oberflchenmes-sungen mit

42、 verschiedenen Mikroskopen sowiezwischen Mikroskopen und Tastschnittgerten mitden Normen und Richtlinien sowie Normalen frTastschnittgerteFestlegung von Bedingungen fr die Rckfhrungauf die Lngeneinheit entsprechend Bild 1Feststellung der Kalibrierfhigkeit und Festlegungdes Gltigkeitsbereiches einer

43、KalibrierungFestlegung von Mindestanforderungen an den Ka-libriervorgang und an AbnahmebedingungenBereitstellung eines GUM-konformen Modellszur Messunsicherheitsberechnung des Messvor-ganges mit einem InterferenzmikroskopFestlegung der Anforderungen an einen Ergebnis-bericht2BegriffeDa es im Bereich

44、 der Interferenzmikroskopie nochkein so fest gefgtes Normenwerk wie im Bereich derTastschnittgerte gibt, werden hier Definitionen undBegriffe im Sinn der Normen aus diesem Bereich be-nutzt, insbesondereImproved comparability of surface measurementsusing different microscopes as well as betweenmicros

45、copes and contact stylus instruments withthe standards (documents) and the standards forcontact stylus instrumentsDefinition of conditions for traceability to the unitof length as shown in Figure 1Determination of suitability for calibration anddefinition of the scope of validity of a calibrationDef

46、inition of minimum requirements for the cali-bration process and for acceptance conditionsProvision of a GUM-conforming model for calcu-lating the measurement uncertainty of the measur-ing method using an interference microscopeDefinition of the requirements for a report of re-sults2 Terms and defin

47、itionsSince there is as yet no well-established standardiza-tion work in the field of interference microscopy suchas exists in the field of contact stylus instruments, thepresent guideline will use the definitions and termi-nology in the standards available in this latter field, inparticular:Figure

48、1. Traceability chain for contact stylus instruments and interference microscopesFollowing calibration on the reference interference microscope, the unit of length is passed on to the downstream contact stylus instru-ments and interference microscopes via the type-A depth measurement standards. This

49、 corresponds to the course of the right-hand ver-tical arrow.Standards with an irregular profile even optical flats are calibrated with the reference contact stylus instrument which has been tracedback in this way. They then pass on the values of the roughness parameters to the downstream contact stylus instruments and interfer-ence microscopes. This corresponds to the course of the left-hand vertical arrow.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF86D9