ISO 25178-604:2013
(Main)Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 604: Nominal characteristics of non-contact (coherence scanning interferometry) instruments
Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 604: Nominal characteristics of non-contact (coherence scanning interferometry) instruments
ISO 25178-604:2013 specifies the metrological characteristics of coherence scanning interferometry (CSI) systems for 3D mapping of surface height.
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface: Surfacique — Partie 604: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à interférométrie par balayage à cohérence)
L'ISO 25178-604:2013 spécifie les caractéristiques métrologiques des systèmes d'interférométrie par balayage à cohérence (CSI) pour la cartographie 3D de la hauteur de surface.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 25178-604
First edition
2013-08-01
Geometrical product specifications
(GPS) — Surface texture: Areal —
Part 604:
Nominal characteristics of non-
contact (coherence scanning
interferometry) instruments
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface:
Surfacique —
Partie 604: Caractéristiques nominales des instruments sans contact
(à interférométrie par balayage à cohérence)
Reference number
©
ISO 2013
© ISO 2013
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ii © ISO 2013 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Terms and definitions . 1
2.1 Terms and definitions related to all areal surface texture measurement methods . 1
2.2 Terms and definitions related to x- and y-scanning systems . 6
2.3 Terms and definitions related to optical systems . 8
2.4 Terms and definitions related to optical properties of the workpiece .10
2.5 Terms and definitions specific to coherence scanning interferometric microscopy .10
3 Descriptions of the influence quantities .14
3.1 General .14
3.2 Influence quantities .14
Annex A (informative) Overview and components of a coherence scanning interferometry
(CSI) microscope .17
Annex B (informative) Coherence scanning interferometry (CSI) theory of operation .22
Annex C (informative) Spatial resolution .31
Annex D (informative) Example procedure for estimating surface topography repeatability .36
Annex E (informative) Relation to the GPS matrix model.37
Bibliography .39
Foreword
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bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
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The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
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different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
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patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received. www.iso.org/patents
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constitute an endorsement.
The committee responsible for this document is ISO/TC 213, Dimensional and geometrical product
specifications and verification. The document was prepared in collaboration with Technical Committee
CEN/TC 290, Dimensional and geometrical product specifications and verification.
ISO 25178 consists of the following parts, under the general title Geometrical product specifications
(GPS) — Surface texture: Areal:
— Part 1: Indication of surface texture
— Part 2: Terms, definitions and surface texture parameters
— Part 3: Specification operators
— Part 6: Classification of methods for measuring surface texture
— Part 70: Physical measurement standards
— Part 71: Software measurement standards
— Part 601: Nominal characteristics of contact (stylus) instruments
— Part 602: Nominal characteristics of non-contact (confocal chromatic probe) instruments
— Part 603: Nominal characteristics of non-contact (phase shifting interferometric microscopy) instruments
— Part 604: Nominal characteristics of non-contact (coherence scanning interferometry) instruments
— Part 605: Nominal characteristics of non-contact (point autofocus probe) instruments
— Part 606: Nominal characteristics of non-contact (focus variation) instruments
— Part 701: Calibration and measurement standards for contact (stylus) instruments
The following part is under preparation:
— Part 72: XML file format x3p
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Introduction
This part of ISO 25178 is a geometrical product specification (GPS) standard and is to be regarded as
a general GPS standard (see ISO/TR 14638). It influences chain link 5 of the chains of standards on
roughness profile, waviness profile, primary profile and areal surface texture.
The ISO/GPS Masterplan given in ISO/TR 14638 gives an overview of the ISO/GPS system of which this
document is a part. The fundamental rules of ISO/GPS given in ISO 8015 apply to this document and
the default decision rules given in ISO 14253-1 apply to specifications made in accordance with this
document, unless otherwise indicated.
For more detailed information on the relation of this part of ISO 25178 to other standards and to the GPS
matrix model, see Annex E.
This part of ISO 25178 describes the metrological characteristics of coherence scanning interferometric
microscopes, designed for the measurement of surface topography maps. For more detailed information
on the coherence scanning technique, see Annex A and Annex B.
NOTE Portions of this document, particularly the informative texts, may describe patented systems and
methods. This information is provided only to assist users in understanding the operating principles of coherence
scanning interferometry. This document is not intended to establish priority for any intellectual property, nor
does it imply a license to any proprietary technologies that may be described herein.
INTERNATIONAL STANDARD ISO 25178-604:2013(E)
Geometrical product specifications (GPS) — Surface
texture: Areal —
Part 604:
Nominal characteristics of non-contact (coherence
scanning interferometry) instruments
1 Scope
This part of ISO 25178 specifies the metrological characteristics of coherence scanning interferometry
(CSI) systems for 3D mapping of surface height.
2 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
2.1 Terms and definitions related to all areal surface texture measurement methods
2.1.1
areal reference
component of the instrument that generates a reference surface with respect to which the surface
topography is measured
2.1.2
coordinate system of the instrument
right hand orthonormal system of axes (x, y, z) defined as:
— (x, y) is the plane established by the areal reference of the instrument (note that there are optical
instruments that do not possess a physical areal guide)
— z-axis is mounted parallel to the optical axis and is perpendicular to the (x, y) plane for an optical
instrument; the z-axis is in the plane of the stylus trajectory and is perpendicular to the (x, y) plane
for a stylus instrument (see Figure 1)
Key
1 coordinate system of the instrument
2 measurement loop
Figure 1 — Coordinate system and measurement loop of the instrument
Note 1 to entry: Normally, the x-axis is the tracing axis and the y-axis is the stepping axis. (This note is valid for
instruments that scan in the horizontal plane.)
Note 2 to entry: See also “specification coordinate system” [ISO 25178-2:2012, 3.1.2] and “measurement coordinate
system” [ISO 25178-6:2010, 3.1.1].
2.1.3
measurement loop
closed chain which comprises all components connecting the workpiece and the probe, e.g. the means of
positioning, the work holding fixture, the measuring stand, the drive unit, the probing system
Note 1 to entry: The measurement loop will be subjected to external and internal disturbances that influence the
measurement uncertainty.
SEE: Figure 1.
2.1.4
real surface of a workpiece
set of features which physically exist and separate the entire workpiece from the surrounding medium
Note 1 to entry: The real surface is a mathematical representation of the surface that is independent of the
measurement process.
Note 2 to entry: See also “mechanical surface” [ISO 25178-2:2012, 3.1.1.1 or ISO 14406:2010, 3.1.1] and
“electromagnetic surface” [ISO 25178-2:2012, 3.1.1.2 or ISO 14406:2010, 3.1.2].
Note 3 to entry: The electro-magnetic surface considered for one type of optical instrument may be different from
the electro-magnetic surface for other types of optical instruments.
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2.1.5
surface probe
device that converts the surface height into a signal during measurement
Note 1 to entry: In earlier standards, this was termed “transducer”.
2.1.6
measuring volume
range of the instrument stated in terms of the limits on all three coordinates measured by the instrument
Note 1 to entry: For areal surface texture measuring instruments, the measuring volume is defined by the
measuring range of the x- and y- drive units, and the measuring range of the z-probing system.
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.1]
2.1.7
response curve
F , F , F
x y z
graphical representation of the function that describes the relation between the actual quantity and the
measured quantity
Note 1 to entry: An actual quantity in x (respectively y or z) corresponds to a measured quantity x
M
(respectively y or z ).
M M
Note 2 to entry: The response curve can be used for adjustments and error corrections.
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.2]
2.1.8
amplification coefficient
α , α , α
x y z
slope of the linear regression curve obtained from the response curve (2.1.7)
Note 1 to entry: There will be amplification coefficients applicable to the x, y and z quantities.
Note 2 to entry: The ideal response is a straight line with a slope equal to 1, which means that the values of the
measurand are equal to the values of the input quantities.
[1]
Note 3 to entry: See also “sensitivity of a measuring system” (ISO/IEC Guide 99:2007, 4.12)
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.3, modified —Note 3 to entry has been added.]
2.1.9
instrument noise
N
i
internal noise added to the output signal caused by the instrument if ideally placed in a noise-free environment
Note 1 to entry: Internal noise can be due to electronic noise, as e.g. amplifiers, or optical noise, as e.g. stray light.
Note 2 to entry: This noise typically has high frequencies and it limits the ability of the instrument to detect small
spatial wavelengths of the surface texture.
Note 3 to entry: The S-filter according ISO 25178-3 may reduce this noise.
Note 4 to entry: For some instruments, instrument noise cannot be estimated because the instrument only takes
data while moving.
2.1.10
measurement noise
N
M
noise added to the output signal occurring during the normal use of the instrument
Note 1 to entry: Notes 2 and 3 of 2.1.9 apply as well to this definition.
Note 2 to entry: Measurement noise includes instrument noise (2.1.9).
2.1.11
surface topography repeatability
repeatability of topography map in successive measurements of the same surface under the same
conditions of measurement
Note 1 to entry: Surface topography repeatability provides a measure of the likely agreement between repeated
measurements normally expressed as a standard deviation.
[1]
Note 2 to entry: See ISO/IEC Guide 99:2007, 2.15 and 2.21, for a general discussion of repeatability and
related concepts.
Note 3 to entry: Evaluation of surface topography repeatability is a common method for determining the
measurement noise.
2.1.12
sampling interval in x
D
x
distance between two adjacent measured points along the x-axis
Note 1 to entry: In many microscopy systems, the sampling interval is determined by the distance between
sensor elements in a camera, called pixels. For such systems, the terms pixel pitch and pixel spacing are often
used interchangeably with the term sampling interval. Another term, pixel width, indicates a length associated
with one side (x or y) of the sensitive area of a single pixel and is always smaller than the pixel spacing. Yet another
term, sampling zone, may be used to indicate the length or region over which a height sample is determined. This
quantity could either be larger or smaller than the sampling interval.
2.1.13
sampling interval in y
D
y
distance between two adjacent measured points along the y-axis
Note 1 to entry: In many microscopy systems, the sampling interval is determined by the distance between
sensor elements in a camera, called pixels. For such systems, the terms pixel pitch and pixel spacing are often
used interchangeably with the term sampling interval. Another term, pixel width, indicates a length associated
with one side (x or y) of the sensitive area of a single pixel and is always smaller than the pixel spacing. Yet another
term, sampling zone, may be used to indicate the length or region over which a height sample is determined. This
quantity could either be larger or smaller than the sampling interval.
2.1.14
digitization step in z
D
z
smallest height variation along the z-axis between two ordinates of the extracted surface
2.1.15
lateral resolution
R
l
smallest distance between two features which can be detected
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.10, modified —The word “separation” has been removed before
“distance”.]
2.1.16
width limit for full height transmission
W
l
width of the narrowest rectangular groove whose measured height remains unchanged by the measurement
Note 1 to entry: Instrument properties (such as the sampling interval in x and y, the digitization step in z, and the
short wavelength cutoff filter) should be chosen so that they do not influence the lateral resolution and the width
limit for full height transmission.
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Note 2 to entry: When determining this parameter by measurement, the depth of the rectangular groove should
be close to that of the surface to be measured.
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.11, modified —The notes have been changed.]
2.1.17
lateral period limit
D
LIM
spatial period of a sinusoidal profile at which the height response of an instrument falls to 50 %
Note 1 to entry: The lateral period limit is one metric for describing spatial or lateral resolution of a surface
topography measuring instrument and its ability to distinguish and measure closely spaced surface features. Its
value depends on the heights of surface features and on the method used to probe the surface. Maximum values
for this parameter are listed in ISO 25178-3:2012, Table 3, in comparison with recommended values for short
wavelength (s-)filters and sampling intervals.
Note 2 to entry: Spatial period is the same concept as spatial wavelength and is the inverse of spatial frequency.
Note 3 to entry: One factor related to the value of D for optical tools is the Rayleigh criterion (2.3.7). Another is
LIM
the degree of focus of the objective on the surface.
Note 4 to entry: One factor related to the value of D for contact tools is the stylus tip radius, r (see
LIM TIP
ISO 25178-601).
Note 5 to entry: Other terms related to lateral period limit are structural resolution and topographic spatial resolution.
2.1.18
maximum local slope
greatest local slope of a surface feature that can be assessed by the probing system
Note 1 to entry: The term “local slope” is defined in ISO 4287:1997, 3.2.9.
2.1.19
instrument transfer function
ITF
f
ITF
function of spatial frequency describing how a surface topography measuring instrument responds to
an object surface topography having a specific spatial frequency
Note 1 to entry: Ideally, the ITF tells us what the measured amplitude of a sinusoidal grating of a specified spatial
frequency ν would be relative to the true amplitude of the grating.
Note 2 to entry: For several types of optical instruments, the ITF may be a nonlinear function of height except for
heights much smaller than the optical wavelength.
2.1.20
hysteresis
x , y , z
HYS HYS HYS
property of measuring equipment, or characteristic whereby the indication of the equipment or value of
the characteristic depends on the orientation of the preceding stimuli
Note 1 to entry: Hysteresis can also depend, for example, on the distance travelled after the orientation of
stimuli has changed.
Note 2 to entry: For lateral scanning systems, the hysteresis is mainly a repositioning error.
[SOURCE: ISO 14978:2006, 3.24, modified —Note 2 to entry and the symbols have been added.]
2.1.21
metrological characteristic
metrological characteristic of a measuring instrument
characteristic of measuring equipment, which may influence the results of
measurement
Note 1 to entry: Calibration of metrological characteristics may be necessary.
Note 2 to entry: The metrological characteristics have an immediate contribution to measurement uncertainty.
Note 3 to entry: Metrological characteristics for areal surface texture measuring instruments are given in Table 1.
Table 1 — List of metrological characteristics for surface texture measurement methods
Metrological characteristic Symbol Definition Main poten-
tial error
along
Amplification coefficient α , α , α 2.1.8 x, y, z
x y z
Linearity deviation l , l , l Maximum local difference between x, y, z
x y z
the line from which the amplifica-
tion coefficient is derived and the
response curve.
Residual flatness z Flatness of the areal reference z
FLT
Measurement noise N 2.1.10 z
M
Lateral period limit D 2.1.17. z
LIM
Perpendicularity Δ Deviation from 90° of the angle x, y
PERxy
between the x- and y-axes
[SOURCE: ISO 14978:2006, 3.12, modified — The notes are different and the table has been added.]
2.2 Terms and definitions related to x- and y-scanning systems
2.2.1
areal reference guide
component(s) of the instrument that generate(s) the reference surface, in which the probing system
moves relative to the surface being measured according to a theoretically exact trajectory
Note 1 to entry: In the case of x- and y-scanning areal surface texture measuring instruments, the areal reference
guide establishes a reference surface [ISO 25178-2:2012, 3.1.8]. It can be achieved through the use of two linear
and perpendicular reference guides [ISO 3274:1996, 3.3.2] or one reference surface guide.
2.2.2
lateral scanning system
system that performs the scanning of the surface to be measured in the (x, y) plane
Note 1 to entry: There are essentially four aspects to a surface texture scanning instrument system: the x-axis
drive, the y-axis drive, the z-measurement probe and the surface to be measured. There are different ways in
which these may be configured and thus there will be a difference between different configurations as explained
in Table 2.
Note 2 to entry: When a measurement consists of a single field of view of a microscope, x- and y-scanning is not
used. However, when several fields of view are linked together by stitching methods, see Reference [2] the system
is considered to be a scanning system.
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Table 2 — Possible different configurations for reference guides (x and y)
Drive unit
a
Two reference guides (x and y) One areal reference guide
Px o Cy Px o Py Cx o Cy Pxy Cxy
A: without arcuate
Px o Cy-A Px o Py-A Cx o Cy-A Pxy-A Cxy-A
error correction
Probing
S: without arcu-
System
ate error or with
Px ο Cy-S Px o Py-S Cx o Cy-S Pxy-S Cxy-S
arcuate error cor-
rected
a For two given functions f and g, f ο g is the combination of these functions
Px = probing systems moving along the x-axis
Py = probing systems moving along the y-axis
Cx = component moving along the x-axis
Cy = component moving along the y-axis
2.2.3
drive unit x
component of the instrument that moves the probing system or the surface being measured along the
reference guide on the x-axis and returns the horizontal position of the measured point in terms of the
lateral x coordinate of the profile
2.2.4
drive unit y
component of the instrument that moves the probing system or the surface being measured along the
reference guide on the y-axis and returns the horizontal position of the measured point in terms of the
lateral y coordinate of the profile
2.2.5
lateral position sensor
component of the drive unit that provides the lateral position of the measured point
Note 1 to entry: The lateral position can be measured or inferred by using, for example, a linear encoder, a laser
interferometer, or a counting device coupled with a micrometre screw.
2.2.6
speed of measurement
v
x
speed of the probing system relative to the surface to be measured during the measurement along the x-axis
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.13]
2.2.7
static noise
N
S
combination of the instrument noise (2.1.9) and environmental noise on the output signal when the
instrument is not scanning laterally
Note 1 to entry: Environmental noise is caused by e.g. seismic, sonic and external electromagnetic disturbances.
Note 2 to entry: Notes 2 and 3 in 2.1.9 also apply to this definition.
Note 3 to entry: Static noise is included in measurement noise (2.1.10)
2.2.8
dynamic noise
N
D
noise occurring during the motion of the drive units on the output signal
Note 1 to entry: Notes 2 and 3 in 2.1.9 also apply to this definition.
Note 2 to entry: Dynamic noise includes the static noise.
Note 3 to entry: Dynamic noise is included in measurement noise (2.1.10).
2.3 Terms and definitions related to optical systems
2.3.1
light source
optical device emitting an appropriate range of wavelengths in a specified spectral region
2.3.2
measurement optical bandwidth
B
λ0
range of wavelengths of light used to measure a surface
Note 1 to entry: Instruments may be constructed with light sources with a limited optical bandwidth and/or with
additional filter elements to further limit the optical bandwidth.
2.3.3
measurement optical wavelength
λ
effective value of the wavelength of the light used to measure a surface
Note 1 to entry: The measurement optical wavelength is affected by conditions such as the light source spectrum,
spectral transmission of the optical components, and spectral response of the image sensor array.
2.3.4
angular aperture
angle of the cone of light entering an optical system from a point on the surface being measured
[SOURCE: ISO 25178-602:2010, 3.3.3]
2.3.5
half aperture angle
α
one half of the angular aperture
Note 1 to entry: This angle is sometimes called the “half cone angle” (see Figure 2).
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Key
L lens or optical system
P focal point
α half aperture angle
Figure 2 — Half aperture angle
2.3.6
numerical aperture
A
N
sine of the half aperture angle multiplied by the refractive index n of the surrounding medium
A = n sinα
N
Note 1 to entry: In air for visible light, n ≅ 1.
Note 2 to entry: The numerical aperture is dependent on the wavelength of light. Typically, the numerical aperture
is specified for the wavelength that is in the middle of the measurement optical bandwidth.
2.3.7
Rayleigh criterion
quantity characterizing the spatial resolution of an optical system given by the separation of two point
sources at which the first diffraction minimum of the image of one point source coincides with the
maximum of the other
Note 1 to entry: For a theoretically perfect, incoherent optical system with a filled objective pupil, the Rayleigh
criterion of the optical system is equal to 0,61 λ /A .
0 N
Note 2 to entry: This parameter is useful for characterizing the instrument response to features with heights
much less than λ for optical 3D metrology instruments.
2.3.8
Sparrow criterion
quantity characterizing the spatial resolution of an optical system given by the separation of two point
sources at which the second derivative of the intensity distribution vanishes between the two imaged points
Note 1 to entry: For a theoretically perfect, incoherent optical system with filled objective pupil, the Sparrow
criterion of the optical system is equal to 0,47 λ /A , approximately 0,77 times the Rayleigh criterion (2.3.7).
0 N
Note 2 to entry: This parameter is useful for characterizing the instrument response to features with heights
much less than λ for optical 3D metrology instruments.
Note 3 to entry: Under the same measurement conditions as the notes above, the Sparrow criterion is nearly equal
to the spatial period of 0,50 λ /A , for which the theoretical instrument response falls to zero.
0 N
2.4 Terms and definitions related to optical properties of the workpiece
2.4.1
surface film
material deposited onto another surface whose optical properties are different from that surface
Note 1 to entry: This concept may also be called “surface layer”.
2.4.2
thin film
film whose thickness is such that the top and bottom surfaces cannot be readily separated by the optical
measuring system
Note 1 to entry: For some measurement systems with special properties and algorithms, the thicknesses of thin
films may be derived.
2.4.3
thick film
film whose thickness is such that the top and bottom surfaces can be readily separated by the optical
measuring system
2.4.4
optically smooth surface
surface from which the reflected light is primarily specular and scattered light is not significant
Note 1 to entry: An optically smooth surface behaves locally like a mirror.
Note 2 to entry: A surface that acts as optically smooth under certain conditions, such as wavelength range,
numerical aperture, pixel resolution, etc. can act as optically rough when one or more of these conditions change.
2.4.5
optically rough surface
surface that does not behave as an optically smooth surface, i.e. where scattered light is significant
Note 1 to entry: A surface that acts as optically rough under certain conditions, such as wavelength range,
numerical aperture, pixel resolution, etc. can act as optically smooth when one or more of these conditions change.
2.4.6
optically non-uniform material
sample with different optical properties in different regions
Note 1 to entry: An optically non-uniform material may result in measured phase differences across the field of
view that can be erroneously interpreted as differences in surface height.
2.5 Terms and definitions specific to coherence scanning interferometric microscopy
2.5.1
coherence scanning interferometry
CSI
surface topography measurement method wherein the localization of interference fringes during a scan
of optical path length provides a means to determine a surface topography map
Note 1 to entry: CSI encompasses but is not limited to instruments that use spectrally broadband, visible sources
(white light) to achieve interference fringe localization.
Note 2 to entry: CSI uses either fringe localization alone or in combination with interference phase evaluation,
depending on the surface type, desired surface topography repeatability and software capabilities.
Note 3 to entry: Table 3 compiles alternative terms that conform at least in part to the above definition.
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Table 3 — Summary of recognized terms for CSI
Acronym Term Bibliography reference
CSI Coherence scanning interferometry [3]
CPM Coherence probe microscope [4]
CSM Coherence scanning microscope [5]
CR Coherence radar [6]
CCI Coherence correlation interferometry [7]
MCM Mirau correlation microscope [8]
WLI White light interferometry [9]
WLSI White light scanning interferometry [10]
SWLI Scanning white light interferometry [11]
WLPSI White light phase shifting interferometry [12]
VSI Vertical scanning interferometry [10]
EVSI Enhanced VSI [10]
HDVSI High-definition Vertical Scanning Interferometry [13]
RSP Rough surface profiler [14]
RST Rough surface tester [15]
HIS Height scanning interferometer [16]
IRS Infrared scanning [17]
[SOURCE: ISO 25178-6:2010, 3.3.5]
2.5.2
optical path length
physical distance a light beam travels multiplied by the index of refraction of the traversed medium
Note 1 to entry: The optical path difference in a two-beam interferometer is the difference in optical path length
between the reference path and measurement path.
2.5.3
coherence scanning interferometry signal
CSI signal
intensity data recorded for an individual image point or camera pixel as a function of scan position
Note 1 to entry: See Figure 3 and A.1.
Key
1 modulation envelope (calculated)
2 CSI signal
3 intensity
4 scan position
Figure 3 — Typical CSI signal
2.5.4
interference fringes
rapidly modulating portion of the CSI signal, related to the interference effect and generated by the
variation of optical path length during the CSI scan
Note 1 to entry: The interference fringes are approximately sinusoidal as a function of scan position.
Note 2 to entry: The distance between interference-fringe peaks corresponds to scan position differences that
are approximately one-half the effective mean wavelength of the light source (see 2.3.1).
SEE: Figure 3.
2.5.5
interference phase
argument of the sine function used to approximate the form of interference fringes
Note 1 to entry: A complete fringe oscillation or period is equal to a 2π change in phase.
2.5.6
amplitude modulation
peak-to-valley or equivalent measure of the CSI signal
Note 1 to entry: Amplitude modulation depends mainly on radiance of the light source, camera sensitivity, and
reflectivities of object and reference mirror.
Note 2 to entry: Amplitude modulation is also often termed “signal strength”.
SEE: Figure 3.
12 © ISO 2013 – All rights reserved
2.5.7
modulation envelope
overall variation in amplitude modulation of a CSI signal as a function of scan position
Note 1 to entry: The modulation envelope (Figure 3) is not necessarily a rigorously-defined aspect of the signal.
The quantitative shape of the envelope is related closely to the means by which it is calculated.
Note 2 to entry: The modulation envelope is most closely associated with the idea of fringe localization, which is
a basic characteristic of CSI signals.
Note 3 to entry: The modulation envelope is a consequence of limited optical coherence, which follows from using
a spectrally-broadband light source (white light), a spatially extended light source, or both.
2.5.8
analysis mode
signal processing option
processing selection that determines whether the software makes use of the modulation envelope alone
to measure surface heights or both the envelope and the interference fringe phase
2.5.9
modulation threshold
minimum modulation
D
MOD
lowest amplitude modulation deemed usable by the software for further evaluation of surface height
Note 1 to entry: The minimum modulation level typically provides a selection for valid data points. Those points
with amplitude modulation falling below this level are considered invalid.
2.5.10
coherence scanning interferometry scan
CSI scan
mechanical or optical scan which varies the optical length of either the reference path or measurement
path to generate a signal that exhibits interference fringes
Note 1 to entry: In CSI microscopes, the most common (but not exclusive) scanning means is a physical translation
of an interference objective, which is pre-adjusted such that the peak CSI signal intensity coincides with the
position of best focus.
2.5.11
scan length
z
TOT
total range of physical path length traversed by the CSI scan
Note 1 to entry: The scan length is usually synonymous with the total displacement of a moving component of
the interferometer mechanically translated along its optical axis during data acquisition. The moving component
could be, for example, an interference objective or a mirror in the reference arm or the complete interferometer
moving with respect to the surface.
SEE: A.5.
2.5.12
scan increment
Δ
z
distance travelled by the CSI scan between individual images captured by the camera (camera frames)
or individual data acquisition points
Note 1 to entry: The scan increment is commonly equivalent to 4 frames per interference fringe, but can be any
number of frames.
2.5.13
scan speed
v
z
velocity of the CSI scan
Note 1 to entry: This can be expressed e.g. in micrometres per second.
2.5.14
effective mean wavelength
twice the period of the interference fringe closest to the modulation envelope peak
Note 1 to entry: The period of an interference fringe is the scan distance separating two neighbouring peaks in
the CSI signal.
Note 2 to entry: The effective mean wavelength is a function of the measurement optical wavelength (2.3.3), the
optical geometry and the data acquisition method, see Reference [18].
2.5.15
fringe-order error
error in the identification of the correct fringe when calculating relative heights using interference
phase for surface topography calculations
Note 1 to entry: Fringe-order errors in CSI can be the result of errors in the analysis of the modulation envelope.
Note 2 to entry: Fringe-order errors are integer multiples of one-half the equivalent wavelength in height.
Note 3 to entry: Fringe-order errors are sometimes termed 2π errors.
2.5.16
environmental vibration
N
VIB
mechanical motions that disturb the CSI scan in an unpredictable and unwanted way, leading to
measurement errors
Note 1 to entry: Environmental vibration may be caused by various sources (e.g. seismic, sonic and external
electro-magnetic disturbances), see B.6.
3 Descriptions of the influence quantities
3.1 General
CSI instruments provide a measurement of lateral (x, y) and height (z) values from which surface shape
and texture parameters are calculated.
3.2 Influence quantities
Influence quantities for CSI instruments are given in Table 4, which also indicates the metrological
characteristics (see 2.1.21, Table 1) that are affected by deviations of the influence quantities.
NOTE For a theoretically perfect, incoherent optical system with a filled objective pupil and when measuring
features with heights much smaller than λ , the lateral period limit D (2.1.17) of CSI systems is at least twice
0 LIM
the Rayleigh criterion (2.3.7).
14 © ISO 2013 – All rights reserved
Table 4 — Influence quantities for coherence scanning interferometry
Metrological
Compo-
Element Influence quantities characteristic
nent
affected …
λ Measurement optical wavelength (See 2.3.3.) α
0 z
B Measurement optical bandwidth (See 2.3.2.) α
λ0 z
Light source S, P, C, The state of polarization of the light impinging on α , α , α
x y z
E, U the measured surface. The polarization is typically
described as S, P, circular (C), elliptical (E), or unpolar-
ized (U).
A Microscope numerical aperture (2.3.6) α , α , α , D
N x y z LIM
M Magnification between object sizes on the surface and α , α
IMG x y
image sizes on the sensor
Δ Wavefront distortion, a function describing net devia- α
PATH z
tions in the measured optical path of the system,
derived from deviations in both the reference and
measurement arms
Interferometer imaging
Q General quality of the optical components used, α , α , α , z ,
OPT x y z FLT
system
including aberrations, transmission, alignment errors, l , l , l , D ,
x y z LIM
etc. Δ
PERxy
P Lateral distortion of the magnified image on the cam- α , α , z , l , l ,
DISxy x y FLT x y
era D Δ
LIM, PERxy
U (x, y) Illumination uniformity – Distribution of illumination α , α , α , z ,
I x y z FLT
across the field of view of the object (a highly uniform, l , l , l
x y z
constant distribution is desired)
Δ x-pixel spacing of the imaging camera D
x LIM
Camera
Δ y-pixel spacing of the imaging camera D
y LIM
V Scan speed (See 2.5.13, A.5 and B.4.) α , l
z z z
z Scan length (See 2.5.11, A.5 and B.4.) α , l
TOT z z
Δ Scan Increment (See 2.5.12, A.5 and B.4.) α
z z
Acquisition
Δ Scan linearity (See A.5 and B.4.) α , l
z-LIN z z
Software
T Integration time required to complete a single scan in
I
N
M
z
Controller D Height digitization step N
z M
A Measurement algorithm – Method for interpreting the α , l
ALG z z
CSI signal, including the option of using phase infor-
mation (See B.3.)
Profile Analy-
D Fringe intensity modulation threshold - the minimum α , l
MOD z z
sis Software
peak-valley intensity variation that the controller
recognizes to be an interference fringe
C z-Cal factor, height adjustment coefficient α , l
z z z
Lateral sampling interval, equal to the lateral pixel D
LIM
D or D spacing of the camera (Δ Δ ) divided by the magnifi-
x y x, y
cation
N Instrument noise (2.1.9) N
I M
Instrument Overall
N Environmental vibration (See B.6.) N
VIB M
x ,
HYS
y , Hysteresis (2.1.19) l , l , l
HYS x y z
z
HYS
Table 4 (continued)
Metrological
Compo-
Element Influence quantities characteristic
nent
affected …
θ * Tilt – Relative angle between the optical axis of the α , α , α
TLT x y z
system and the sample normal. Object surface slopes
that cause light to reflect at or near to the edge or out-
side of the numerical aperture of the objective A are
N
also likely to cause significant signal loss.
Φ * The relative phase shift upon reflection of dissimilar α
DIS z
materials.
T * Thickness of transparent or semi-transparent films. α
FLM z
These films typically have thickness comparable to
the illumination wavelength. Note that thinner con-
Sample
tamination or native oxide films do not necessarily
affect the CSI measurement process.
T * Thick transparent media - transparent media (such α
MED z
as cover glass or liquid) between the sample and the
instrument.
URF* Under resolved features - Object features having α
z
dimensions on the order of or smaller than the lateral
resolution. (See Annex C.)
*NOTE These influence quantities arise from the interaction between the
instrument and the sample being measured.
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Annex A
(informative)
Overview and components of a coherence scanning interferometry
(CSI) microscope
A.1 Overview
CSI instruments use the following measurement process.
— The instrument is focused on the surface as indicated by the appearance of interference fringes.
— For measurement of randomly rough surfaces, the sample tilt relative to the optical axis of the
system is adjusted to minimize the number of fringes across the field of view. For measurement of
step features on smooth surfaces, a sample tilt adjusted to provide one or more fringes across the
field of view and perpendicular to the step may be useful.
— The instrument executes a data acquisition during a CSI scan.
— Data analysis using either the modulation envelope, the interference fringes, or both, results in a
surface topography map.
Deviations of shape from a flat surface such as a residual tilt, curvature and cylinder are numerically
removed from the areal measurement producing a surface topography map. Further filtering may be
applied to the surface topography map as required.
Key
1 light source 7 scanner
2 aperture stop 8 pupil plane
3 field stop 9 reference mirror
4 illumination beamsplitter 10 interferometer beamsplitter
5 camera 11 object surface
6 tube or zoom lens 12 Mirau interference objective
NOTE Other configurations are listed in A.4.
Figure A.1 — Schematic diagram of a typical Mirau-configuration CSI microscope
A.2 Typical configuration
Figure A.1 illustrates the basic features of a CSI microscope. The object has height features h which vary
over the object surface. A mechanical scanner provides a smooth, continuous scan ζ of the interference
objective in the z direction. During the scan, a computer records intensity data, I(ζ), for each image
point or camera pixel xy, in successive camera frames.
A.3 Light source
A distinctive feature of CSI is that the light source is generally incoherent. Thus, typical light sources
either have a broadband spectrum (white light) or are extended (many independent point sources), or
both. A classic example is an incandescent lamp such as a tungsten halogen bulb. Solid state sources,
such as light emitting diodes (LEDs) are increasingly comm
...
NORME ISO
INTERNATIONALE25178-604
Première édition
2013-08-01
Spécification géométrique des produits
(GPS) — État de surface: Surfacique —
Partie 604:
Caractéristiques nominales des
instruments sans contact (à
interférométrie par balayage à
cohérence)
Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal —
Part 604: Nominal characteristics of non-contact (coherence scanning
interferometry) instruments
Numéro de référence
©
ISO 2013
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2013
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l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
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Fax + 41 22 749 09 47
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Web www.iso.org
Publié en Suisse
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .vi
1 Domaine d’application .1
2 Termes et définitions .1
2.1 Termes et définitions relatifs à toutes les méthodes de mesure de l’état de
surface surfacique . 1
2.2 Termes et définitions relatifs aux systèmes de scanning suivant x et y .6
2.3 Termes et définitions relatifs aux systèmes optiques . 8
2.4 Termes et définitions relatifs aux propriétés optiques de la pièce .10
2.5 Termes et définitions spécifiques aux microscopes interférométriques par balayage
à cohérence .10
3 Descriptions des grandeurs d’influence .14
3.1 Généralités .14
3.2 Grandeurs d’influence.14
Annexe A (informative) Vue d’ensemble et composants du microscope interférométrique par
balayage à cohérence (CSI) .17
Annexe B (informative) Théorie du fonctionnement de l’interférométrie par balayage à
cohérence (CSI) .22
Annexe C (informative) Résolution spatiale .32
Annexe D (informative) Exemple de procédure d’estimation de la répétabilité de la topographie
de surface .37
Annexe E (informative) Relation avec la matrice GPS .38
Bibliographie .40
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/CEI, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2, www.iso.
org/directives.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les
références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration
du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou sur la liste ISO des déclarations de brevets reçues,
www.iso.org/patents.
Les éventuelles appellations commerciales utilisées dans le présent document sont données pour
information à l’intention des utilisateurs et ne constituent pas une approbation ou une recommandation.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 213, Spécifications et vérification
dimensionnelles et géométriques des produits. Le document a été préparé en collaboration avec le
Comité technique CEN/TC 290, Spécifications dimensionnelle et géométrique des produits, et vérification
correspondante.
L’ISO 25178 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Spécification géométrique
des produits (GPS) — État de surface: Surfacique:
— Partie 1: Indication des états de surface
— Partie 2: Termes, définitions et paramètres d’états de surface
— Partie 3: Opérateurs de spécification
— Partie 6: Classification des méthodes de mesurage de l’état de surface
— Partie 70: Étalons de mesure physiques
— Partie 71: Étalons logiciels
— Partie 601: Caractéristiques nominales des instruments à contact (à palpeur)
— Partie 602: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à capteur confocal chromatique)
— Partie 603: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (microscopes interférométriques
à glissement de franges)
— Partie 604: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à interférométrie par
balayage à cohérence)
— Partie 605: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à capteur autofocus à point)
— Partie 606: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à variation focale)
— Partie 701: Étalonnage et étalons de mesure pour les instruments à contact (à palpeur)
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La partie suivante est en préparation:
— Partie 72: Format de fichier XML x3p
Introduction
La présente partie de l’ISO 25178 est une norme traitant de la spécification géométrique des produits
et est à considérer comme une norme GPS générale (voir l’ISO/TR 14638). Elle influence le maillon 5 de
la chaîne de normes concernant le profil de rugosité, le profil d’ondulation, le profil primaire et l’état de
surface surfacique.
Le schéma directeur ISO/GPS de l’ISO/TR 14638 donne une vue d’ensemble du système ISO/GPS, dont le
présent document fait partie. Les principes fondamentaux du système ISO/GPS donnés dans l’ISO 8015
s’appliquent au présent document et les règles de décision par défaut données dans l’ISO 14253-1
s’appliquent aux spécifications faites conformément au présent document, sauf indication contraire.
Pour de plus amples informations sur la relation entre la présente partie de l’ISO 25178 et les autres
normes et la matrice GPS, voir l’Annexe E.
La présente partie de l’ISO 25178 décrit les caractéristiques métrologiques des microscopes
interférométriques par balayage à cohérence, conçus pour le mesurage de cartes topographiques de
surface. Pour de plus amples informations sur la technique de balayage à cohérence, voir les Annexes A et B.
NOTE Des parties du présent document, particulièrement les textes informatifs, peuvent décrire des systèmes
et méthodes brevetés. Cette information est donnée uniquement pour aider les utilisateurs à mieux comprendre
les principes de fonctionnement de l’interférométrie par balayage à cohérence. Ce document ne vise pas à établir
de priorité pour une quelconque propriété intellectuelle et il n’implique pas non plus un droit de licence pour les
technologies propriétaires pouvant être décrites dans le présent document.
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NORME INTERNATIONALE ISO 25178-604:2013(F)
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de
surface: Surfacique —
Partie 604:
Caractéristiques nominales des instruments sans contact
(à interférométrie par balayage à cohérence)
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 25178 spécifie les caractéristiques métrologiques des systèmes
d’interférométrie par balayage à cohérence (CSI) pour la cartographie 3D de la hauteur de surface.
2 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
2.1 Termes et définitions relatifs à toutes les méthodes de mesure de l’état de sur-
face surfacique
2.1.1
référence surfacique
composant de l’instrument qui génère une surface de référence par rapport à laquelle est mesurée la
topographie de surface
2.1.2
système de coordonnées de l’instrument
système d’axes (x, y, z) orthonormé de sens direct défini ainsi:
— (x, y) est le plan constitué par la référence surfacique de l’instrument (noter que certains instruments
optiques ne possèdent pas de référence de guidage physique)
— l’axe z est parallèle à l’axe optique et perpendiculaire au plan (x, y) pour un instrument d’optique; l’axe
z est dans le plan de la trajectoire du palpeur et perpendiculaire au plan (x, y) pour un instrument à
palpeur (voir Figure 1)
Légende
1 système de coordonnées de l’instrument
2 boucle de mesure
Figure 1 — Système de coordonnées et boucle de mesure de l’instrument
Note 1 à l’article: Normalement, l’axe x est l’axe d’avance et l’axe y celui de déplacement entre chaque profil. (Cette
note est valable pour les instruments à balayage dans le plan horizontal.)
Note 2 à l’article: Voir également «système de coordonnées de spécification» [ISO 25178-2:2012, 3.1.2] et «système
de coordonnées du mesurage» [ISO 25178-6:2010, 3.1.1].
2.1.3
boucle de mesure
chaîne fermée comprenant tous les composants connectant la pièce et le palpeur, par exemple le matériel
de positionnement, le dispositif de serrage de la pièce, la table de mesure, les unités d’avance et de
déplacement, le système de palpage
Note 1 à l’article: La boucle de mesure est soumise à des perturbations extérieures et intérieures qui influenceront
l’incertitude de mesure.
VOIR: Figure 1.
2.1.4
surface réelle d’une pièce
ensemble des éléments qui existent physiquement et séparent la totalité de la pièce de son environnement
Note 1 à l’article: La surface réelle est une représentation mathématique de la surface qui est indépendante du
processus de mesure.
Note 2 à l’article: Voir également «surface mécanique» [ISO 25178-2:2012, 3.1.1.1 ou ISO 14406:2010, 3.1.1] et
«surface électromagnétique» [ISO 25178-2:2012, 3.1.1.2 ou ISO 14406:2010, 3.1.2].
Note 3 à l’article: La surface électromagnétique considérée pour un type d’instrument d’optique peut être
différente de la surface électromagnétique pour d’autres types d’instruments d’optique.
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2.1.5
palpeur de surface
dispositif convertissant la hauteur de surface en un signal pendant le mesurage
Note 1 à l’article: Le palpeur est appelé «transducteur» dans les anciennes normes.
2.1.6
volume de mesure
étendue de l’instrument définie par les limites simultanées de toutes les coordonnées spatiales mesurées
par l’instrument
Note 1 à l’article: Pour les instruments mesurant l’état de surface surfacique, le volume de mesure est défini par
l’étendue de mesure des unités d’avance et de déplacement x et y, et par l’étendue de mesure du système de palpage z.
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.1]
2.1.7
courbe de réponse
F , F , F
x y z
représentation graphique de la fonction décrivant la relation entre la grandeur réelle et la grandeur mesurée
Note 1 à l’article: Une grandeur réelle en x (respectivement y ou z) correspond à une grandeur mesurée x
M
(respectivement y ou z ).
M M
Note 2 à l’article: La courbe de réponse peut être utilisée pour l’ajustage d’un système de mesure et la
correction des erreurs.
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.2]
2.1.8
coefficient d’amplification
α , α , α
x y z
pente de la courbe de régression linéaire obtenue à partir de la courbe de réponse (2.1.7)
Note 1 à l’article: Il y aura des coefficients d’amplification applicables aux grandeurs en x, y et z.
Note 2 à l’article: La réponse idéale est une ligne droite avec une pente égale à 1, signifiant que les valeurs du
mesurande sont égales aux valeurs des grandeurs d’entrée.
[1]
Note 3 à l’article: Voir également «sensibilité» (Guide ISO/CEI 99:2007 , 4.12).
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.3, modifié — La Note 3 à l’article a été ajoutée.]
2.1.9
bruit de l’instrument
N
i
bruit interne, ajouté au signal de sortie, causé par l’instrument s’il est idéalement placé dans un
environnement non générateur de bruit
Note 1 à l’article: Le bruit interne peut être dû au bruit électronique tel que celui des amplificateurs par exemple,
ou au bruit optique, tel que celui de la lumière parasite par exemple.
Note 2 à l’article: Ce bruit a généralement des fréquences élevées et il limite la capacité de l’instrument à détecter
les petites longueurs d’onde spatiales de l’état de surface.
Note 3 à l’article: Le filtre S conforme à l’ISO 25178-3 peut réduire ce bruit.
Note 4 à l’article: Pour certains instruments, le bruit de l’instrument ne peut pas être estimé parce que l’instrument
ne relève les données que lorsqu’il se déplace.
2.1.10
bruit de mesurage
N
M
bruit ajouté au signal de sortie se produisant pendant l’utilisation normale de l’instrument
Note 1 à l’article: Les notes 2 et 3 en 2.1.9 s’appliquent aussi à cette définition.
Note 2 à l’article: Le bruit de mesurage englobe le bruit de l’instrument (2.1.9).
2.1.11
répétabilité de topographie de surface
répétabilité d’une carte topographique lors de mesures successives de la même surface effectuées dans
les mêmes conditions de mesure
Note 1 à l’article: La répétabilité de topographie de surface fournit une mesure de la probable concordance entre
des mesures répétées, normalement exprimée sous forme d’un écart-type.
[1]
Note 2 à l’article: Voir le Guide ISO/CEI 99:2007 , 2.15 et 2.21, pour une discussion générale relative à la
répétabilité et aux concepts associés.
Note 3 à l’article: L’évaluation de la répétabilité de topographie de surface est une méthode courante de
détermination du bruit de mesurage.
2.1.12
pas d’échantillonnage en x
D
x
distance entre deux points mesurés adjacents suivant l’axe x
Note 1 à l’article: Dans un grand nombre de systèmes de microscopie, le pas d’échantillonnage est déterminé par
la distance entre les capteurs d’une caméra, appelés pixels. Pour de tels systèmes, les termes «pas des pixels» et
«espacement des pixels» sont souvent utilisés de façon interchangeable avec le terme «pas d’échantillonnage».
Un autre terme, «largeur de pixel», indique une longueur associée à un côté (x ou y) de la surface sensible d’un
seul pixel; elle est toujours inférieure à l’espacement des pixels. Un autre terme encore, «zone d’échantillonnage»,
peut être utilisé pour indiquer la longueur ou la région sur laquelle est déterminé un échantillon de hauteur. Cette
grandeur peut être supérieure ou inférieure au pas d’échantillonnage.
2.1.13
pas d’échantillonnage en y
D
y
distance entre deux points mesurés adjacents suivant l’axe y)
Note 1 à l’article: Dans un grand nombre de systèmes de microscopie, le pas d’échantillonnage est déterminé par
la distance entre les capteurs d’une caméra, appelés pixels. Pour de tels systèmes, les termes «pas des pixels» et
«espacement des pixels» sont souvent utilisés de façon interchangeable avec le terme «pas d’échantillonnage».
Un autre terme, «largeur de pixel», indique une longueur associée à un côté (x ou y) de la surface sensible d’un
seul pixel; elle est toujours inférieure à l’espacement des pixels. Un autre terme encore, «zone d’échantillonnage»,
peut être utilisé pour indiquer la longueur ou la région sur laquelle est déterminé un échantillon de hauteur. Cette
grandeur peut être supérieure ou inférieure au pas d’échantillonnage.
2.1.14
pas de numérisation en z
D
z
plus petite variation de hauteur suivant l’axe z entre deux ordonnées de la surface extraite
2.1.15
résolution latérale
R
l
plus petite distance pouvant être détectée entre deux éléments de surface
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.10]
4 © ISO 2013 – Tous droits réservés
2.1.16
largeur limite pour une transmission de la hauteur totale
W
l
plus petite largeur de rainure rectangulaire dont la profondeur reste inchangée par le mesurage
Note 1 à l’article: Il convient de choisir les caractéristiques de l’instrument (telles que le pas d’échantillonnage en
x et y, le pas de numérisation en z, le filtre de coupure de courtes longueurs d’onde) de sorte qu’elles n’influencent
pas la résolution latérale ni la largeur limite pour une transmission de la hauteur totale.
Note 2 à l’article: Lors de la détermination de ce paramètre par mesurage, il convient que la profondeur de la
rainure rectangulaire soit proche de celle de la surface à mesurer.
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.11, modifié — Les notes ont été modifiées.]
2.1.17
limite latérale de la période
D
LIM
période spatiale d’un profil sinusoïdal pour laquelle la réponse en hauteur d’un instrument chute à 50 %
Note 1 à l’article: La limite latérale de la période est une grandeur permettant de décrire la résolution spatiale ou
latérale d’un instrument de mesure de la topographie de surface et sa capacité à faire la distinction et à mesurer
des éléments de surface très rapprochés. Sa valeur dépend des hauteurs des éléments de surface et de la méthode
utilisée pour palper la surface. Les valeurs maximales de ce paramètre sont indiquées dans l’ISO 25178-3:2012,
Tableau 3, par comparaison aux valeurs recommandées pour le(s) filtre(s) de courtes longueurs d’onde et les pas
d’échantillonnage.
Note 2 à l’article: La période spatiale représente le même concept que la longueur d’onde spatiale et l’inverse de la
fréquence spatiale.
Note 3 à l’article: Un facteur lié à la valeur de D pour les outils d’optique est le critère de Rayleigh (2.3.7). Un
LIM
autre est le degré de focalisation de l’objectif sur la surface.
Note 4 à l’article: Un facteur lié à la valeur de D pour les outils à contact est le rayon de la touche du palpeur,
LIM
r (voir l’ISO 25178-601).
TIP
Note 5 à l’article: Les autres termes liés à la limite latérale de la période sont la résolution de structure et la résolution
spatiale topographique.
2.1.18
pente locale maximale acceptable
pente locale la plus raide d’un élément de la surface pouvant être évaluée par le système de palpage
Note 1 à l’article: Le terme «pente locale» est défini dans l’ISO 4287:1997, 3.2.9.
2.1.19
fonction de transfert de l’instrument
ITF
fI
TF
fonction de fréquence spatiale décrivant la manière dont un instrument de mesure de la topographie de
surface répond à la topographie de surface d’un objet ayant une fréquence spatiale spécifique
Note 1 à l’article: Dans l’idéal, l’ITF indique la relation entre l’amplitude mesurée d’un réseau sinusoïdal d’une
fréquence spatiale spécifiée ν et l’amplitude vraie du réseau.
Note 2 à l’article: Pour plusieurs types d’instruments d’optique, l’ITF peut être une fonction non linéaire de la
hauteur, excepté pour des hauteurs beaucoup plus petites que la longueur d’onde optique.
2.1.20
hystérésis
x , y , z
HYS HYS HYS
propriété d’un équipement de mesure, ou caractéristique par laquelle l’indication de l’équipement ou la
valeur de la caractéristique dépend de l’orientation des stimuli précédents
Note 1 à l’article: L’hystérésis peut également dépendre, par exemple, de la distance parcourue après le changement
d’orientation des stimuli.
Note 2 à l’article: Pour les systèmes de scanning latéral, l’hystérésis est principalement une erreur de
repositionnement.
[SOURCE: ISO 14978:2006, 3.24, modifié — La Note 2 à l’article et les symboles ont été ajoutés.]
2.1.21
caractéristique métrologique
caractéristique métrologique d’un instrument de mesure
<équipement de mesure> caractéristique susceptible d’avoir une influence sur les résultats de mesurage
Note 1 à l’article: L’étalonnage des caractéristiques métrologiques peut être nécessaire.
Note 2 à l’article: Les caractéristiques métrologiques ont une contribution immédiate à l’incertitude de mesure.
Note 3 à l’article: Les caractéristiques métrologiques des instruments de mesure de l’état de surface surfacique
sont indiquées dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Liste des caractéristiques métrologiques pour les méthodes de mesure de l’état de
surface
Caractéristique métrologique Symbole Définition Erreur poten-
tielle princi-
pale suivant
Coefficient d’amplification α , α , α 2.1.8 x, y, z
x y z
Écart de linéarité l , l , l Différence locale maximale entre la x, y, z
x y z
droite à partir de laquelle est calculé le
coefficient d’amplification et la courbe de
réponse
Planéité résiduelle z Planéité de la référence surfacique z
FLT
Bruit de mesurage N 2.1.10 z
M
Limite latérale de la période D 2.1.17 z
LIM
Perpendicularité Δ Écart par rapport à 90° de l’angle formé x, y
PERxy
par les axes x et y
[SOURCE: ISO 14978:2006, 3.12, modifié — Les notes sont différentes et le tableau a été ajouté.]
2.2 Termes et définitions relatifs aux systèmes de scanning suivant x et y
2.2.1
référence de guidage surfacique
composant(s) de l’instrument générant la surface de référence, sur laquelle le système de palpage se
déplace suivant une trajectoire théoriquement exacte par rapport à la surface mesurée
Note 1 à l’article: Dans le cas d’instruments de mesure de l’état de surface surfacique par balayage suivant x et
y, la référence de guidage surfacique établit une surface de référence [ISO 25178-2:2012, 3.1.8]. Elle peut être
obtenue en utilisant deux références de guidage linéaires et perpendiculaires (voir l’ISO 3274:1996, 3.3.2) ou une
référence de guidage surfacique.
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2.2.2
système de scanning latéral
système réalisant le balayage de la surface à mesurer dans le plan (x, y)
Note 1 à l’article: Il existe essentiellement quatre composants à considérer dans une chaîne de mesurage par
balayage de l’état de surface: l’unité d’avance, l’unité à déplacement latéral, le palpeur de mesure de la hauteur (z)
et la surface à mesurer. Ceux-ci peuvent être configurés de différentes manières et les différentes configurations
présentent donc des différences, comme l’explique le Tableau 2.
Note 2 à l’article: Lorsqu’un mesurage consiste en un seul champ de visée d’un microscope, un balayage suivant x
et y n’est pas utilisé. Toutefois, lorsque plusieurs champs de visée sont réunis par des méthodes de montage (voir
Référence [2]), le système est considéré comme un système de scanning.
Tableau 2 — Différentes configurations possibles pour les références de guidage (x et y)
Unités d’avance et de déplacement
Une référence de guidage
a
Deux références de guidage (x et y)
surfacique
Px o Cy Px o Py Cx o Cy Pxy Cxy
A: sans correction de
l’erreur de distorsion Px o Cy-A Px o Py-A Cx o Cy-A Pxy-A Cxy-A
Système
d’arc
de pal-
S: sans erreur de dis-
page
torsion d’arc ou avec Px ο Cy-S Px o Py-S Cx o Cy-S Pxy-S Cxy-S
erreur corrigée
a
Pour deux fonctions données, f et g, f ο g est la composée de ces fonctions.
Px = systèmes de palpage se déplaçant suivant l’axe x
Py = systèmes de palpage se déplaçant suivant l’axe y
Cx = composant se déplaçant suivant l’axe x
Cy = composant se déplaçant suivant l’axe y
2.2.3
unité d’avance x
composant de l’instrument qui déplace le système de palpage ou la surface mesurée suivant la référence
de guidage de l’axe x et fournit la position horizontale du point mesuré en termes de coordonnée latérale
x pour le profil
2.2.4
unité d’avance y
composant de l’instrument qui déplace le système de palpage ou la surface mesurée suivant la référence
de guidage de l’axe y et fournit la position horizontale du point mesuré en termes de coordonnée latérale
y pour le profil
2.2.5
capteur de position latérale
composant des unités d’avance et de déplacement qui fournit la position latérale du point mesuré
Note 1 à l’article: La position latérale peut être mesurée ou déduite à l’aide, par exemple, d’un encodeur linéaire,
d’un interféromètre laser ou d’un dispositif de comptage associé à une vis micrométrique.
2.2.6
vitesse de mesure
v
x
vitesse du système de palpage suivant l’axe x par rapport à la surface à mesurer, pendant le mesurage
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.13]
2.2.7
bruit statique
N
S
combinaison du bruit de l’instrument (2.1.9) et du bruit de l’environnement dans le signal de sortie, en
l’absence de scanning latéral de l’instrument
Note 1 à l’article: Le bruit de l’environnement résulte par exemple des perturbations électromagnétiques externes,
sismiques ou acoustiques.
Note 2 à l’article: Les notes 2 et 3 en 2.1.9 s’appliquent également à cette définition.
Note 3 à l’article: Le bruit statique est inclus dans le bruit de mesurage (2.1.10).
2.2.8
bruit dynamique
N
D
bruit dans le signal de sortie se produisant lors du mouvement des unités d’avance et de déplacement
Note 1 à l’article: Les notes 2 et 3 en 2.1.9 s’appliquent également à cette définition.
Note 2 à l’article: Le bruit dynamique englobe le bruit statique.
Note 3 à l’article: Le bruit dynamique est inclus dans le bruit de mesurage (2.1.10).
2.3 Termes et définitions relatifs aux systèmes optiques
2.3.1
source lumineuse
dispositif optique émettant un intervalle de longueurs d’onde approprié dans un domaine spectral spécifié
2.3.2
largeur de bande spectrale de mesurage
B
λ0
intervalle de longueurs d’ondes de la lumière utilisée pour mesurer une surface
Note 1 à l’article: Des instruments peuvent être construits avec des sources lumineuses ayant une largeur de bande
spectrale limitée et/ou avec des filtres supplémentaires pour limiter davantage la largeur de bande spectrale.
2.3.3
longueur d’onde lumineuse de mesurage
λ
valeur efficace de la longueur d’onde de la lumière utilisée pour mesurer une surface
Note 1 à l’article: La longueur d’onde lumineuse de mesurage est affectée par des conditions telles que le spectre
de la source lumineuse, la transmission spectrale des composants optiques et la réponse spectrale du réseau de
capteurs d’image.
2.3.4
ouverture angulaire
angle du cône de lumière pénétrant dans un système optique depuis un point sur la surface à mesurer
[SOURCE: ISO 25178-602:2010, 3.3.3]
2.3.5
demi-angle d’ouverture
α
moitié de l’ouverture angulaire
Note 1 à l’article: Cet angle est parfois appelé «demi-angle au sommet» (voir Figure 2).
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Légende
L lentille ou système optique
P foyer
α demi-angle d’ouverture
Figure 2 — Demi-angle d’ouverture
2.3.6
ouverture numérique
A
N
sinus du demi-angle d’ouverture multiplié par l’indice de réfraction n du milieu ambiant
A = n sinα
N
Note 1 à l’article: Dans l’air pour la lumière visible, n ≅ 1.
Note 2 à l’article: L’ouverture numérique dépend de la longueur d’onde de la lumière. Généralement, l’ouverture
numérique est spécifiée pour la longueur d’onde qui se situe au milieu de la largeur de bande spectrale de mesurage.
2.3.7
critère de Rayleigh
grandeur caractérisant la résolution spatiale d’un système optique, donnée par la séparation de deux
sources ponctuelles à laquelle le premier minimum de diffraction de l’image d’une source ponctuelle
coïncide avec le maximum de l’autre source
Note 1 à l’article: Pour un système optique incohérent théoriquement parfait avec une pupille d’objectif remplie,
le critère de Rayleigh du système optique est égal à 0,61 λ /A .
0 N
Note 2 à l’article: Ce paramètre est utile pour caractériser la réponse de l’instrument à des éléments de surface
ayant une hauteur nettement inférieure à λ pour des instruments optiques de métrologie 3D.
2.3.8
critère de Sparrow
grandeur caractérisant la résolution spatiale d’un système optique, donnée par la séparation de deux
sources ponctuelles à laquelle la dérivée seconde de la distribution d’intensité disparaît entre les deux
points enregistrés
Note 1 à l’article: Pour un système optique incohérent théoriquement parfait avec une pupille d’objectif remplie,
le critère de Sparrow du système optique est égal à 0,47 λ /A , soit approximativement 0,77 fois le critère de
0 N
Rayleigh (2.3.7).
Note 2 à l’article: Ce paramètre est utile pour caractériser la réponse de l’instrument à des éléments de surface
ayant une hauteur nettement inférieure à λ pour des instruments optiques de métrologie 3D.
Note 3 à l’article: Dans les mêmes conditions de mesurage que les notes ci-dessus, le critère de Sparrow est
pratiquement égal à la période spatiale de 0,50 λ /A , pour laquelle la réponse théorique de l’instrument chute à zéro.
0 N
2.4 Termes et définitions relatifs aux propriétés optiques de la pièce
2.4.1
film superficiel
matériau déposé sur une autre surface, dont les propriétés optiques sont différentes de celles de cette surface
Note 1 à l’article: Ce concept peut également être désigné par «couche superficielle».
2.4.2
film mince
film dont l’épaisseur est telle que les faces supérieure et inférieure ne peuvent pas être facilement
distinguées par le système optique de mesure
Note 1 à l’article: Pour certains systèmes de mesure ayant des propriétés et des algorithmes particuliers, les
épaisseurs de films minces peuvent être calculées.
2.4.3
film épais
film dont l’épaisseur est telle que les faces supérieure et inférieure peuvent facilement être distinguées
par le système optique de mesure
2.4.4
surface optiquement lisse
surface à partir de laquelle la lumière réfléchie est principalement spéculaire et la lumière diffusée n’est
pas significative
Note 1 à l’article: Une surface optiquement lisse se comporte localement comme un miroir.
Note 2 à l’article: Une surface se comportant comme une surface optiquement lisse dans certaines conditions, telles
qu’un intervalle de longueurs d’onde, une ouverture numérique, une résolution de pixel, etc., peut se comporter
comme une surface optiquement rugueuse lorsqu’une ou plusieurs de ces conditions changent.
2.4.5
surface optiquement rugueuse
surface qui ne se comporte pas comme une surface optiquement lisse, c’est-à-dire où la lumière diffusée
est significative
Note 1 à l’article: Une surface se comportant comme une surface optiquement rugueuse dans certaines conditions,
telles qu’un intervalle de longueurs d’onde, une ouverture numérique, une résolution de pixel, etc., peut se
comporter comme une surface optiquement lisse lorsqu’une ou plusieurs de ces conditions changent.
2.4.6
matériau optiquement non homogène
échantillon ayant des propriétés optiques différentes dans différentes régions
Note 1 à l’article: Un matériau optiquement non homogène peut donner des déphasages mesurés dans le champ de
visée qui peuvent être interprétés à tort comme des différences de hauteur de surface.
2.5 Termes et définitions spécifiques aux microscopes interférométriques par balay-
age à cohérence
2.5.1
interférométrie par balayage à cohérence
CSI
méthode de mesure de la topographie de surface dans laquelle la localisation des franges
d’interférence au cours d’un balayage d’un chemin optique fournit un moyen pour déterminer une
carte topographique de surface
Note 1 à l’article: La CSI englobe, sans y être limitée, les instruments qui utilisent des sources visibles à large
bande spectrale (lumière blanche) pour accomplir la localisation des franges d’interférence.
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Note 2 à l’article: La CSI utilise la localisation des franges seule ou combinée à l’évaluation de la phase d’interférence,
selon le type de surface, la répétabilité de la topographie de surface désirée et les capacités du logiciel.
Note 3 à l’article: Le Tableau 3 compile les autres termes qui sont conformes au moins en partie à la définition ci-dessus.
Tableau 3 — Résumé des termes reconnus pour la CSI
Référence dans la Biblio-
Acronyme Terme
graphie
CSI Interférométrie par balayage à cohérence [3]
CPM Microscopie à sonde de faible cohérence [4]
CSM Microscopie à balayage à cohérence [5]
CR Radar cohérent [6]
CCI Interférométrie de corrélation de concordance [7]
MCM Microscopie corrélative de Mirau [8]
WLI Interférométrie en lumière blanche [9]
WLSI Interférométrie par balayage en lumière blanche [10]
SWLI Interférométrie en lumière blanche à balayage [11]
WLPSI Interférométrie en lumière blanche à décalage de phase [12]
VSI Interférométrie à balayage vertical [10]
EVSI VSI renforcée [10]
HDVSI Interférométrie à balayage vertical haute définition [13]
RSP Profilomètre d’état de surface rugueuse [14]
RST Testeur de surface rugueuse [15]
HIS Interféromètre à balayage en hauteur [16]
IRS Balayage en infrarouge [17]
[SOURCE: ISO 25178-6:2010, 3.3.5]
2.5.2
longueur du chemin optique
produit de la longueur physique parcourue par un faisceau lumineux et de l’indice de réfraction du
milieu traversé
Note 1 à l’article: La différence de chemin optique dans un interféromètre à deux faisceaux est la différence de
longueur optique entre les chemins de référence et de mesurage.
2.5.3
signal d’interférométrie par balayage à cohérence
signal CSI
donnée d’intensité enregistrée pour un point-image individuel ou un pixel caméra en fonction de la
position de balayage
Note 1 à l’article: Voir Figure 3 et A.1.
Légende
1 enveloppe de modulation (calculée)
2 signal CSI
3 intensité
4 position de balayage
Figure 3 — Signal CSI typique
2.5.4
franges d’interférence
partie du signal CSI à modulation rapide, reliée à l’effet d’interférence et générée par la variation de la
longueur du chemin optique au cours du balayage CSI
Note 1 à l’article: Les franges d’interférence sont approximativement sinusoïdales en fonction de la position de balayage.
Note 2 à l’article: La distance entre les pics des franges d’interférence correspond aux différences de position de
balayage qui sont approximativement la moitié de la longueur d’onde moyenne efficace de la source lumineuse
(voir 2.3.1).
VOIR: Figure 3.
2.5.5
phase d’interférence
argument de la fonction sinusoïdale utilisé pour approcher la forme des franges d’interférence
Note 1 à l’article: Une oscillation de frange complète ou période est égale à un déphasage de 2π.
2.5.6
modulation en amplitude
valeur de crête à creux ou mesure équivalente du signal CSI
Note 1 à l’article: La modulation en amplitude dépend principalement de la luminance de la source lumineuse, de
la sensibilité de la caméra et des réflectivités de l’objet et du miroir de référence.
Note 2 à l’article: La modulation en amplitude est aussi souvent désignée par «intensité du signal».
VOIR: Figure 3.
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2.5.7
enveloppe de modulation
variation totale de la modulation en amplitude d’un signal CSI en fonction de la position de balayage
Note 1 à l’article: L’enveloppe de modulation (Figure 3) n’est pas nécessairement un aspect rigoureusement défini
du signal. La forme quantitative de l’enveloppe est étroitement liée aux moyens par lesquels elle est calculée.
Note 2 à l’article: L’enveloppe de modulation est plus étroitement associée à l’idée de localisation de frange, qui
constitue une caractéristique essentielle des signaux CSI.
Note 3 à l’article: L’enveloppe de modulation est une conséquence de la cohérence optique limitée, qui découle
de l’utilisation d’une source de lumière à large bande spectrale (lumière blanche) et/ou d’une source de lumière
spatialement étendue.
2.5.8
méthode d’analyse
option de traitement du signal
choix du traitement qui détermine si le logiciel fait appel à l’enveloppe de modulation seule pour mesurer
les hauteurs de surface ou à la fois à l’enveloppe et à la phase de la frange d’interférence
2.5.9
seuil de modulation
modulation minimale
D
MOD
plus faible modulation en amplitude présumée utilisable par le logiciel pour une évaluation
supplémentaire de la hauteur de surface
Note 1 à l’article: Le niveau de modulation minimale fournit généralement une sélection des points de données
valides. Les points dont la modulation en amplitude chute en dessous de ce niveau sont considérés non valables.
2.5.10
balayage d’interférométrie par balayage à cohérence
balayage CSI
balayage mécanique ou optique qui fait varier la longueur optique des chemins de référence ou de
mesure pour générer un signal qui présente des franges d’interférence
Note 1 à l’article: Dans les microscopes CSI, le moyen de balayage le plus courant (mais non exclusif) est une
translation physique d’un objectif interférentiel, qui est préréglé de sorte que l’intensité du signal CSI de crête
coïncide avec la position de la meilleure mise au point.
2.5.11
longueur de balayage
z
TOT
portée totale d’une longueur de trajectoire physique traversée par le balayage CSI
Note 1 à l’article: La longueur de balayage est généralement synonyme du mouvement de translation mécanique
complet d’un composant mobile de l’interféromètre le long de son axe optique au cours de l’acquisition de données.
Le composant mobile peut être, par exemple, un objectif interférentiel ou un miroir dans le bras de référence ou
l’interféromètre complet se déplaçant par rapport à la surface.
VOIR: A.5.
2.5.12
incrément de balayage
Δ
z
distance parcourue par le balayage CSI entre les images individuelles capturées par la caméra ou les
points individuels d’acquisition de données
Note 1 à l’article: L’incrément de balayage est souvent équivalent à quatre images par frange d’interférence, mais
il peut être un nombre quelconque d’images.
2.5.13
vitesse de balayage
v
z
vitesse du balayage CSI
Note 1 à l’article: La vitesse de balayage peut être exprimée, par exemple, en micromètres par seconde
2.5.14
longueur d’onde moyenne efficace
deux fois la période de la frange d’interférence la plus proche du pic de l’enveloppe de modulation
Note 1 à l’article: La période d’une frange d’interférence est la distance balayée qui sépare deux pics contigus dans
le signal CSI.
Note 2 à l’article: La longueur d’onde moyenne efficace est fonction de la longueur d’onde lumineuse de mesurage
(2.3.3), de la géométrie optique et de la méthode d’acquisition des données; voir la Référence [18].
2.5.15
erreur sur l’ordre de frange
erreur sur l’ordre d’interférence
erreur d’identification de la frange d’interférence lors du calcul des hauteurs relatives utilisant une
phase d’interférence pour les calculs de topographie de surface
Note 1 à l’article: L’erreur sur l’ordre de frange dans la CSI peut être le résultat d’erreurs dans l’analyse de
l’enveloppe de modulation.
Note 2 à l’article: Les erreurs sur l’ordre de frange sont des multiples entiers de la demie longueur d’onde
équivalente en hauteur.
Note 3 à l’article: Les erreurs sur l’ordre de frange sont parfois appelées saut de frange.
2.5.16
vibration environnementale
N
VIB
mouvements mécaniques qui perturbent le balayage CSI de manière imprévisible et non désirée,
conduisant à des erreurs de mesure
Note 1 à l’article: Les vibrations environnementales peuvent être provoquées par diverses sources (par exemple
des perturbations sismiques, acoustiques et électromagnétiques externes); voir B.6.
3 Descriptions des grandeurs d’influence
3.1 Généralités
Les instruments CSI fournissent une mesure des valeurs latérales (x, y) et de hauteur (z) à partir
desquelles les paramètres de forme et d’état de la surface sont calculés.
3.2 Grandeurs d’influence
Les grandeurs d’influence pour les instruments CSI sont indiquées dans le Tableau 4, qui donne
également les caractéristiques métrologiques (voir 2.1.21, Tableau 1) qui sont affectées par des écarts
des grandeurs d’influence.
NOTE Pour un système optique incohérent théoriquement parfait avec une pupille d’objectif remplie
mesurant des éléments de surface ayant des hauteurs nettement inférieures à λ , la limite latérale de la période
D (2.1.17) des systèmes CSI est au moins égale à deux fois le critère de Rayleigh (2.3.7).
LIM
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Tableau 4 — Grandeurs d’influence pour l’interférométrie par balayage à cohérence
Caractéristique
Compo-
Élément Grandeurs d’influence métrologique
sant
affectée
λ Longueur d’onde lumineuse de mesurage (voir 2.3.3) α
0 z
B Largeur de bande spectrale de mesurage (voir 2.3.2) α
λ0 z
Source lumineuse
S, P, C, E, U État de polarisation de la lumière frappant la surface mesurée. α , α , α
x y z
La polarisation est habituellement décrite par S, P, circulaire
(C), elliptique (E) ou non polarisée (U).
A Ouverture numérique du microscope (2.3.6) α , α , α , D
N x y z LIM
M Grossissement entre la taille des objets et la taille des images α , α
IMG x y
sur le capte
...










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