GBT 44078-2024 光電系統(tǒng)中光學(xué)中心間距的測(cè)定 低相干干涉測(cè)量法

ICS17.180.99GB/T44078—2024光電系統(tǒng)中光學(xué)中心間距的測(cè)定低相干干涉測(cè)量法國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)IGB/T44078—2024 Ⅲ 1 1 1 2 24.2時(shí)域相干干涉測(cè)量 24.3頻域相干干涉測(cè)量 3 45.1測(cè)量環(huán)境 45.2被測(cè)樣品 4 4 5 57.2參數(shù)預(yù)設(shè)置 57.3樣品測(cè)量 57.4結(jié)果有效性判定 6 6 6附錄A(資料性)校準(zhǔn)器 7附錄B(規(guī)范性)玻璃材料折射率換算 8附錄C(資料性)測(cè)量結(jié)果異常值判斷 9附錄D(資料性)測(cè)量報(bào)告 ⅢGB/T44078—2024本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由中國科學(xué)院提出。本文件由全國光電測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC487)歸口。本文件起草單位：中國科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所、中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院、中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、中國計(jì)量科學(xué)研究院、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所、長(zhǎng)春奧普光電技術(shù)股份有限公司、浙江舜宇光學(xué)有限公司、蘇州慧利儀器有限責(zé)任公司、舟山市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)研究院、上海拍頻光電科技有限公司。1GB/T44078—2024光電系統(tǒng)中光學(xué)中心間距的測(cè)定低相干干涉測(cè)量法1范圍步驟以及測(cè)量數(shù)據(jù)處理。2規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。3術(shù)語和定義光學(xué)元件表面中心點(diǎn)之間的距離。光源同一點(diǎn)在相干時(shí)間內(nèi)不同時(shí)刻發(fā)出的兩光波之間具有相干性的最大光程差。光的相干長(zhǎng)度短。兩束或兩束以上的光波在重疊區(qū)相互加強(qiáng)和減弱的現(xiàn)象。3.7光在介質(zhì)中傳播的幾何路程與該介質(zhì)的折射率之乘積。23.8光線在真空中的相速度與光在介質(zhì)中的相速度之比。3.9光軸opticalaxis光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱軸線。4.1測(cè)量方法分類入?yún)⒖脊饴泛蟊粎⒖脊饴分械姆瓷溏R反射，樣品光路的后向反射光和參考光路反射鏡的反射光經(jīng)分束器會(huì)合，當(dāng)兩者的光程差小于光源的相干長(zhǎng)度時(shí)，兩束光發(fā)生干涉，通過光電探測(cè)器探測(cè)到干涉信號(hào)?；谙喔筛缮娴脑?，利用寬帶光源的低相干特性，通過光電探測(cè)器探測(cè)等光程時(shí)的干涉信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)面定位。根據(jù)干涉信號(hào)獲取方式的不同，分為時(shí)域相干干涉測(cè)量和頻域相干干涉測(cè)量。4.2時(shí)域相干干涉測(cè)量基于低相干干涉原理，通過機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置移動(dòng)參考光路反射鏡的位置，實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品不同位置的表面(Z?,Z?,Z?……)干涉。當(dāng)干涉信號(hào)最強(qiáng)時(shí)，通過測(cè)量參考光路反射鏡移動(dòng)的距離(l?,l?……),計(jì)算得出兩相鄰表面之間的光程。用光程除以兩相鄰表面之間介質(zhì)的折射率，得到待測(cè)樣品的中心間距。時(shí)域相干干涉測(cè)量原理圖如圖1所示。852857——待測(cè)樣品表面Z?;9——光電探測(cè)器；圖1時(shí)域相干干涉測(cè)量原理圖3GB/T44078—20244.3頻域相干干涉測(cè)量基于低相干干涉原理，利用空間分光譜技術(shù)或波長(zhǎng)調(diào)諧技術(shù)，采集到包含頻譜信息的干涉信號(hào)，對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換獲取樣品的深度信息。使用標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)量得到頻譜信息與光程之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過數(shù)據(jù)處理，得到待測(cè)樣品的中心間距。頻域相干干涉測(cè)量原理圖見圖2。頻域相干干涉測(cè)量技術(shù)有兩種實(shí)現(xiàn)方法，一種是使用寬帶光源和光譜儀的譜域相干干涉測(cè)量種是使用掃頻光源和光電探測(cè)器的掃頻相干干涉測(cè)量。3-3-26——待測(cè)樣品表面Z?;7——待測(cè)樣品表面Z?;8——待測(cè)樣品表面Z?;圖2頻域相干干涉測(cè)量原理圖4.3.2譜域相干干涉測(cè)量束器；另一束進(jìn)入樣品光路，經(jīng)樣品反射后返回分束器，兩束光在滿足干涉條件的情況下在分束器中發(fā)通過光譜儀中光柵的色散能力對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行空間解碼，線掃描探測(cè)器對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行采集，采集到的干涉信號(hào)是關(guān)于波長(zhǎng)的函數(shù)，由傅里葉逆變換實(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的干涉信號(hào)的分離，獲取信號(hào)中攜帶的樣品深度信息。通過測(cè)量獲得樣品深度信息與波長(zhǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，最后由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到待測(cè)樣品的中心間距。4.3.3掃頻相干干涉測(cè)量掃頻光源是窄脈沖、寬光譜的快速可調(diào)諧激光器，能周期性輸出一段寬光譜的光波，在每個(gè)周期內(nèi)，按照時(shí)間先后輸出一個(gè)可近似認(rèn)為是單波長(zhǎng)的窄帶光束序列，見圖3。4GB/T44078—2024圖3掃頻光源輸出波長(zhǎng)示意圖束器；另一束進(jìn)入樣品光路，由樣品反射后返回分束器，兩束光在滿足干涉條件的情況下在分束器中發(fā)光的干涉信號(hào)是時(shí)間的函數(shù)，用探測(cè)器探測(cè)到不同時(shí)間的干涉信號(hào)。將采集到的時(shí)間域干涉信號(hào)通過硬件或插值的方法轉(zhuǎn)換到波數(shù)域，再對(duì)信號(hào)作傅里葉變換得到信號(hào)中攜帶的樣品的深度信息。傅里葉變換得到的深度信息對(duì)應(yīng)于信號(hào)像素點(diǎn)，需要測(cè)量像素對(duì)應(yīng)的物理距離。兩個(gè)表面之間的像素點(diǎn)數(shù)乘以像素對(duì)應(yīng)的物理距離得到兩個(gè)表面之間的光程，再除以材料折射率，得到待測(cè)樣品的中心間距。5測(cè)量條件5.1測(cè)量環(huán)境測(cè)量環(huán)境要求如下：b)相對(duì)濕度：25%～75%;c)環(huán)境溫度：20℃±2℃,環(huán)境溫度24h內(nèi)變化量在±1℃之內(nèi)。當(dāng)測(cè)量環(huán)境不能滿足此要求時(shí)，應(yīng)在此環(huán)境下對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，并將被測(cè)樣品放置于測(cè)量環(huán)境中進(jìn)行等溫調(diào)節(jié)，并應(yīng)在測(cè)量報(bào)告中注明測(cè)量環(huán)境情況。5.2被測(cè)樣品測(cè)量前應(yīng)提供樣品的光學(xué)結(jié)構(gòu)、材料或折射率信息，并將被測(cè)樣品在測(cè)量環(huán)境中進(jìn)行等溫調(diào)節(jié)2h以上。6測(cè)量設(shè)備組成，示意圖見圖4?？刂茊卧庠础⒖脊饴泛碗娍叵到y(tǒng)等，可根據(jù)被測(cè)樣品選定光源的相干長(zhǎng)度和中心波長(zhǎng)。5GB/T44078—20242——線性模組；3——樣品調(diào)整臺(tái)；數(shù)據(jù)采集及顯示部分。器的制作方法參見附錄A。測(cè)量設(shè)備應(yīng)具有樣品折射率參數(shù)輸入和干涉信號(hào)顯示功能。測(cè)量前準(zhǔn)備工作如下：a)查看測(cè)量設(shè)備的校準(zhǔn)情況；b)確認(rèn)測(cè)量設(shè)備在測(cè)量環(huán)境中等溫調(diào)節(jié)24h以上；c)確認(rèn)樣品信息并將樣品進(jìn)行等溫調(diào)節(jié)2h以上；正確。端開始順序依次輸入待測(cè)樣品參數(shù)。輸入的折射率應(yīng)為該樣品在測(cè)量設(shè)備的中心波長(zhǎng)下的折射率。若樣品的材料折射率無中心波長(zhǎng)下的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)按照附錄B將其換算為中心波長(zhǎng)下的折射率。7.3樣品測(cè)量樣品測(cè)量過程如下。a)調(diào)平樣品調(diào)整臺(tái)。當(dāng)測(cè)量設(shè)備不具備自動(dòng)調(diào)平功能時(shí)，可利用水平儀調(diào)平樣品調(diào)整b)將樣品穩(wěn)定放置在調(diào)整臺(tái)上。d)對(duì)準(zhǔn)光軸。打開引導(dǎo)光源，調(diào)整樣品臺(tái)4個(gè)方向的自由度，使樣品的光軸與光源的光軸同e)關(guān)閉引導(dǎo)光源，開始測(cè)量，每間隔一段時(shí)間(不少于1s)記錄一組測(cè)量數(shù)據(jù)，重復(fù)記錄j(j≥6GB/T44078—20247.4結(jié)果有效性判定根據(jù)測(cè)量設(shè)備顯示的干涉信號(hào)，評(píng)估峰值信息，進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的有效性判定。若峰值數(shù)量小于樣品表面的數(shù)量，則測(cè)量結(jié)果無效。當(dāng)判定結(jié)果無效時(shí)，應(yīng)查找原因，并按照7.3重新測(cè)量。結(jié)果有效性判定情況應(yīng)在測(cè)量報(bào)告中體現(xiàn)。8測(cè)量數(shù)據(jù)處理按照公式(1)計(jì)算樣品表面的中心間距，計(jì)算結(jié)果至少保留到小數(shù)點(diǎn)后4位?！?1)式中：d;———樣品兩表面的第i組中心間距，單位為毫米(mm);x——兩相鄰干涉峰值之間的光程距離，單位為毫米(mm);n、——樣品兩表面中心間距之間介質(zhì)的折射率，當(dāng)所測(cè)量的中心間距為空氣間隔時(shí)，ns=1.00029;當(dāng)兩表面之間介質(zhì)是真空時(shí)，ng=1;當(dāng)所測(cè)量的中心間距為中心厚時(shí)，n。為該光學(xué)元件材料的折射率。按照公式(2)計(jì)算得到算術(shù)平均值。 (2)式中：d——樣品兩表面的中心間距的算術(shù)平均值，單位為毫米(mm);j——記錄數(shù)據(jù)的組數(shù)。判斷測(cè)量結(jié)果中是否存在異常值(參見附錄C)。若無，則算術(shù)平均值d即為測(cè)量結(jié)果；若有，則剔除異常值數(shù)據(jù)后，重新按照公式(2)計(jì)算算術(shù)平均值d作為測(cè)量結(jié)果。按照公式(3)計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差，即為測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性。 (3)式中：sa——測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性，單位為毫米(mm)。9測(cè)量報(bào)告測(cè)量報(bào)告至少包含下列信息，參見附錄D:a)測(cè)量地點(diǎn)和日期；b)測(cè)量環(huán)境溫度和相對(duì)濕度；e)是否進(jìn)行有效性判定；f)實(shí)際中心間距、光程以及測(cè)量重復(fù)性；g)其他影響測(cè)量結(jié)果的因素。GB/T44078—2024(資料性)測(cè)量設(shè)備能夠通過自制校準(zhǔn)器進(jìn)行校準(zhǔn)。在測(cè)量設(shè)備的量程范圍內(nèi)選擇三組及以上不同中心間距A.2量塊校準(zhǔn)器量塊校準(zhǔn)器的制作方法如下：a)在測(cè)量設(shè)備的量程范圍內(nèi)選取一個(gè)中空標(biāo)準(zhǔn)量塊，選用兩個(gè)平行平晶(優(yōu)先選用光學(xué)表面波前像差峰-谷值優(yōu)于160nm,波前像差均方根值優(yōu)于32nm的平行平晶);b)制作一個(gè)套筒，依次放入第一塊平行平晶，一個(gè)中空標(biāo)準(zhǔn)c)將平行平晶壓緊固定。A.3平晶校準(zhǔn)器選取一個(gè)光學(xué)表面波前像差峰-谷值優(yōu)于160nm,波前像差均方根值優(yōu)于32nm的平行平晶。若用經(jīng)過檢定的設(shè)備測(cè)量平行平晶的厚度作為標(biāo)準(zhǔn)值。用測(cè)量設(shè)備測(cè)量該平行平晶的厚度，與標(biāo)準(zhǔn)78GB/T44078—2024(規(guī)范性)玻璃材料折射率換算若玻璃材料的折射率未知，可根據(jù)玻璃材料目錄查找(常見無色光學(xué)玻璃材料見GB/T附錄B)并換算至光源中心波長(zhǎng)下的折射率。903—2019采用柯西色散公式進(jìn)行換算，見公式(B.1):…………(B.1)式中：nx——介質(zhì)在光源中心波長(zhǎng)的折射率；a、b、c——柯西色散系數(shù)，可由玻璃目錄中已知介質(zhì)的三個(gè)折射率求出；λ——光源中心波長(zhǎng)，單位為微米(μm)。GB/T44078—2024(資料性)測(cè)量結(jié)果異常值判斷測(cè)量結(jié)果異常值的判別方法采用統(tǒng)計(jì)判別法，即給定一個(gè)顯著水平，按照一定分布確定一個(gè)臨界值，凡超出該界限的誤差，就認(rèn)為它不屬于隨機(jī)誤差的范疇，而是異常值，該數(shù)據(jù)予以剔除。對(duì)于服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，常用的異常值判斷準(zhǔn)則有三種：萊伊達(dá)準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則。萊伊達(dá)準(zhǔn)則適用于測(cè)量次數(shù)不小于30次的測(cè)量，當(dāng)測(cè)量次數(shù)較少時(shí)，該方法可靠性不高。當(dāng)測(cè)量次數(shù)小于30次時(shí)，用格拉布斯準(zhǔn)則可靠性最高，測(cè)量次數(shù)在20次～50次時(shí)，判別效果較好。狄克遜準(zhǔn)則適用于剔除多個(gè)異常值，對(duì)異常值的判定速度快。在較精密的測(cè)量中，選用兩種或三種準(zhǔn)則綜合判斷，若一致認(rèn)為含有異常值，剔除異常值；當(dāng)判定結(jié)果有矛盾時(shí)，慎重考慮，分析原因。在嚴(yán)重偏離正態(tài)分布的情形下，采用截尾均值或其他穩(wěn)健估計(jì)的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。萊伊達(dá)準(zhǔn)則、格拉布斯準(zhǔn)則和狄克遜準(zhǔn)則的判定方法參見GB/T4883—2008和《儀器精度理論》。C.2萊伊達(dá)準(zhǔn)則萊伊達(dá)準(zhǔn)則又稱為3σ準(zhǔn)則，根據(jù)隨機(jī)誤差的正態(tài)分布規(guī)律，對(duì)于某一測(cè)量列落在3o之外的概率為對(duì)某量做多次等精度測(cè)量，得到一組測(cè)量數(shù)據(jù)x?,.x?,x?,…,x;(共j個(gè)),按照公式(C.1)計(jì)算其算術(shù)平均值x、按照公式(C.2)計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差v;?！?C.1)式中：x———測(cè)量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值；j——測(cè)量數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)；x,——測(cè)量數(shù)據(jù)中的第i個(gè)數(shù)據(jù)。V;=x;一x…………(C.2)式中：v;——測(cè)量數(shù)據(jù)x;的偏差。σ常用樣本標(biāo)準(zhǔn)差s值代替，樣本標(biāo)準(zhǔn)差s按照公式(C.3)計(jì)算?！?C.3)式中：s——測(cè)量數(shù)據(jù)的樣本標(biāo)準(zhǔn)差。故若測(cè)量數(shù)據(jù)x,的偏差v;滿足公式(C.4),則認(rèn)為數(shù)據(jù)x;為異常值，將其剔除。v;|>3s…………(C.4)式中：v;|——測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差的絕對(duì)值。按照上述準(zhǔn)則若判別出測(cè)量列中有兩個(gè)以上測(cè)量數(shù)據(jù)為異常值，此時(shí)只能首先剔除含有最大誤差的數(shù)據(jù)，然后重新計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值及樣本標(biāo)準(zhǔn)差，再對(duì)余下的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，依次程序逐步剔除，直至所有測(cè)量數(shù)據(jù)皆不含異常值時(shí)為止。9GB/T44078—2024C.3格拉布斯準(zhǔn)則格拉布斯準(zhǔn)則根據(jù)順序統(tǒng)計(jì)量的某種分布規(guī)律提出的判斷異常值的準(zhǔn)則，對(duì)樣本中僅混入一個(gè)異對(duì)某量做多次等精度測(cè)量，得到一組測(cè)量數(shù)據(jù)x?,x2,xg,…,x;(共j個(gè)),按照公式(C.1)計(jì)算其算術(shù)平均值x、按照公式(C.2)計(jì)算測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差v;、按照公式(C.3)計(jì)算樣本標(biāo)準(zhǔn)差s。按照公式(C.5)計(jì)算g?,按照公式(C.6)計(jì)算g;。式中：g?——測(cè)量數(shù)據(jù)中最小的數(shù)據(jù)的格拉布斯系數(shù)；x——測(cè)量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值；xí——按照大小順序重新排列后的測(cè)量數(shù)據(jù)中的第1個(gè)數(shù)據(jù)，即測(cè)量數(shù)據(jù)中最小的數(shù)據(jù)；s——測(cè)量數(shù)據(jù)的樣本標(biāo)準(zhǔn)差。g;——測(cè)量數(shù)據(jù)中最大的數(shù)據(jù)的格拉布斯系數(shù)；x;——按照大小順序重新排列后的測(cè)量數(shù)據(jù)中的第j個(gè)數(shù)據(jù)，即測(cè)量數(shù)據(jù)中最大的數(shù)據(jù)。取定顯著度a(一般取a為0.05或0.01),查表C.1中所列的格拉布斯系數(shù)臨界值g?(j,a),按照公式(C.7)進(jìn)行判定。g;≥go(j,a)…………(C.7)式中：gi按照大小順序重新排列后的測(cè)量數(shù)據(jù)中的第i個(gè)數(shù)據(jù)x'的格拉布斯系數(shù)；g?(j,a)——格拉布斯系數(shù)臨界值。表C.1格拉布斯系數(shù)臨界值g?(j,a)jgo(j,a)jgo(i,a)a=0.05a=0.01a=0.05a=0.013456789GB/T44078—2024x;—按照大小順序重新排列后的測(cè)量數(shù)據(jù)中的第j個(gè)數(shù)據(jù)，即測(cè)量數(shù)據(jù)中最大的xí-—按照大小順序重新排列后的測(cè)量數(shù)據(jù)中的第1個(gè)數(shù)據(jù)，即測(cè)量數(shù)據(jù)中最小的數(shù)據(jù)；-—按照大小順序重新排列后的測(cè)量數(shù)據(jù)中的第3個(gè)數(shù)據(jù)。GB/T44078—2024當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)的狄克遜統(tǒng)計(jì)量大于臨界值r?(n,a)時(shí)，認(rèn)為該測(cè)量數(shù)據(jù)存在異常值。按照上述準(zhǔn)則判斷，依此程序逐步剔除，直至所有測(cè)量數(shù)據(jù)皆不含異常值時(shí)為止。表C.2狄克遜統(tǒng)計(jì)量的臨界值r?(n,a)統(tǒng)計(jì)量j統(tǒng)計(jì)量jr,(n,a)a=0.01a=0.05a=0.01a=0.053456789C.5截尾均值的穩(wěn)健估計(jì)一種常用的方法是求截尾系數(shù)a的截尾均值。有可疑數(shù)據(jù)，a常取0.1;如確認(rèn)無可疑數(shù)據(jù)，則截尾系數(shù)a取0。截尾均值即為測(cè)量結(jié)果。假設(shè)一