Lasers and laser-related equipment -- Test method for angle resolved scattering

This document describes procedures for the determination of the angle resolved scattering by optical components such as coated or uncoated optical elements, photonic structures, and materials that can be transparent, translucent, or opaque. It comprises scattering into the scattering sphere around the specimen usually separated into the backward and forward hemispheres. The procedures apply to wavelengths of radiation ranging from 5 nm in the extreme ultraviolet to 15 µm in the infrared spectral ranges.

Lasers et équipements associés aux lasers -- Méthodes d’essai pour déterminer la dispersion avec résolution angulaire

Le présent document décrit les procédures de détermination de la dispersion avec résolution angulaire par des éléments optiques, tels qu'éléments optiques revętus ou non, structures photoniques et matériaux pouvant ętre transparents, translucides ou opaques. Il traite de la dispersion dans la sphčre de dispersion autour de l'éprouvette, généralement séparée en hémisphčres avant et arričre. Les procédures s'appliquent ŕ des longueurs d'onde de rayonnement s'échelonnant des domaines spectraux de 5 nm dans l'ultraviolet extręme ŕ 15 µm dans l'infrarouge.

General Information

Status
Published
Publication Date
10-Dec-2020
Current Stage
5060 - Close of voting Proof returned by Secretariat
Start Date
19-Nov-2020
Completion Date
18-Nov-2020
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ISO 19986:2020 - Lasers and laser-related equipment -- Test method for angle resolved scattering
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ISO 19986:2020 - Lasers et équipements associés aux lasers -- Méthodes d’essai pour déterminer la dispersion avec résolution angulaire
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 19986
First edition
2020-12
Lasers and laser-related equipment —
Test method for angle resolved
scattering
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d’essai pour
déterminer la dispersion avec résolution angulaire
Reference number
ISO 19986:2020(E)
ISO 2020
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 19986:2020(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2020

All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may

be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting

on the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address

below or ISO’s member body in the country of the requester.
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CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
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Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2020 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 19986:2020(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Symbols and abbreviated terms ........................................................................................................................................................... 2

5 Scattering geometry .......................................................................................................................................................................................... 2

6 Test method ............................................................................................................................................................................................................... 3

6.1 Principle ........................................................................................................................................................................................................ 3

6.2 Measurement arrangement and test equipment ....................................................................................................... 3

6.2.1 General...................................................................................................................................................................................... 3

6.2.2 Environmental conditions ....................................................................................................................................... 4

6.2.3 Radiation source .............................................................................................................................................................. 4

6.2.4 Beam preparation system ........................................................................................................................................ 5

6.2.5 Goniometer ........................................................................................................................................................................... 5

6.2.6 Detection system.............................................................................................................................................................. 6

6.2.7 Specimen preparation ................................................................................................................................................. 6

7 Procedure..................................................................................................................................................................................................................... 7

7.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 7

7.2 Alignment procedure ......................................................................................................................................................................... 7

7.2.1 General...................................................................................................................................................................................... 7

7.2.2 Alignment of the instrument ................................................................................................................................. 7

7.2.3 Alignment of the specimen ..................................................................................................................................... 8

7.3 Calibration .................................................................................................................................................................................................. 8

7.3.1 General...................................................................................................................................................................................... 8

7.3.2 Method 1 ................................................................................................................................................................................. 8

7.3.3 Method 2 ................................................................................................................................................................................. 9

7.4 Measurement procedure ................................................................................................................................................................ 9

7.4.1 Selection of specimen position .........................................................................................................................10

7.4.2 Selection of illumination conditions ............................................................................................................11

7.4.3 Selection of angular scan range .......................................................................................................................11

7.4.4 Determination of the ARS ......................................................................................................................................11

7.5 Uncertainty considerations .......................................................................................................................................................11

8 Measurement protocol ................................................................................................................................................................................12

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................14

© ISO 2020 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 19986:2020(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

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.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

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 (see www .iso .org/ patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso .org/

iso/ foreword .html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee

SC 9, Laser and electro-optical systems.

Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2020 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 19986:2020(E)
Introduction

In 2004, increasing demands from industry for qualified angle resolved scattering (ARS) measurements

led to a discussion note to start activities for a completely new standard on ARS measurements of

optical components in SC 9/WG 6, which was later discussed again in 2008. This new attempt was in

particular driven by, but not limited to, the development of optical components for the deep ultraviolet

spectral region, where scatter losses by material and surface imperfections cause critical limitations. It

was then agreed to support the development of a new working draft.

Since then, there has been an increased interest in a standard procedure that is easy to apply for

practical applications ranging from high-end surfaces, coatings, and materials, structured components

like diffraction gratings, to radiation shaping elements like display foils and diffusors used at

wavelengths ranging from the EUV and DUV to the IR spectral regions.
Two standards exist that describe measurements of angle resolved scattering:
[15]
— ASTM E 2387-19 ;
[16]
— SEMI ME 1392-0116 .

Another related document is ISO 13696 which describes procedures to measure the Total Scattering

(TS) of optical components.

Radiation scattering caused by imperfections of optical components can critically affect the performance

of optical systems. Radiation scattered into large angles usually means a loss of radiant power and thus

reduced throughput. Radiation scattered into smaller angles can lead to image degradation. Knowledge

of the angular distribution of scattered radiation is thus essential in order to assess the quality of

optical components.

This standard describes a testing procedure for the corresponding quantity, the angle resolved

scattering (ARS), which is defined by the measured scattered intensity (scattered radiant power

normalized to incident radiant power and solid angle of detection) as a function of the scattering angles.

Angle resolved scattering data can be used as input for stray-radiation calculations in optical design

software. Other information like the Total Scattering (defined in ISO 13696) or other integrated

scattering quantities can be derived from angle resolved scattering by numerical integration. In

addition, although not covered in this document, analysing angle resolved scattering can provide

information about the origins of scattering such as interface roughness, particles, defects, sub-surface

damage, and bulk inhomogeneities.
© ISO 2020 – All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 19986:2020(E)
Lasers and laser-related equipment — Test method for
angle resolved scattering
1 Scope

This document describes procedures for the determination of the angle resolved scattering by optical

components such as coated or uncoated optical elements, photonic structures, and materials that

can be transparent, translucent, or opaque. It comprises scattering into the scattering sphere around

the specimen usually separated into the backward and forward hemispheres. The procedures apply

to wavelengths of radiation ranging from 5 nm in the extreme ultraviolet to 15 µm in the infrared

spectral ranges.
2 Normative references

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content

constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For

undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

ISO 11145, Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols

ISO 14644-1, Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness

by particle concentration
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 11145 and the following apply.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
scattered radiation

fraction of the incident radiation that is deflected from the specular optical path

[SOURCE: ISO 13696:2002, 3.1.1]
3.2
detector solid angle
solid angle of the detector aperture with respect to the origin of coordinates
3.3
angle resolved scattering
ARS

radiant power ΔP scattered into a direction (θ ,�φ ) relative to the incident radiant power P and the

s s s i
detector solid angle (3.2) ΔΩ :
ΔP θφ,
ss s
f θφ, =
PΔΩ
© ISO 2020 – All rights reserved 1
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ISO 19986:2020(E)

Note 1 to entry: ARS can be transformed into the bidirectional reflectance, transmittance, or scattering

distribution function, BRDF, BTDF, or BSDF ( f ) respectively, by dividing ARS by cosθ :

f θφ,
f θφ, =
rs s
cosθ

Note 2 to entry: The total scattering defined in ISO 13696 can be derived from ARS through numerical

integration within the corresponding scattering hemispheres. For normal incidence and reflective scattering,

the integral is:
2π≥°85
σθ= f ,sφ inθθφdd
TS ss ss s
0 ≤°2
3.4
diffuse reflectance standard
diffuse reflector with known, preferably Lambertian, ARS (3.3)
3.5
instrument signature

intrinsic contribution to measured ARS (3.3) produced by the instrument itself, usually estimated by

measuring ARS (3.3) without any specimen
4 Symbols and abbreviated terms
angle resolved scattering, ARS
ΔΩ detector solid angle
ΔP scattered radiant power
P incident radiant power
φ azimuthal scattering angle
θ angle of incidence
θ angle of specular reflection
θ polar scattering angle
5 Scattering geometry

The scattering geometry is defined in spherical coordinates with respect to the specimen normal as

shown in Figure 1. The origin of coordinates lies at the specimen as follows:
— for measuring reflective scattering, the origin lies at the entrance surface;
— for measuring transmissive scattering, the origin lies at the exit surface;

— for thin specimens (specimen thickness small compared to the field of view of the detector), the

origin can be either at the entrance or the exit surface;

— for certain applications, it may be useful to place the origin at other locations, for example in the

specimen.
The exact location of the origin shall be documented.

1) In ISO 13696:2002, total scattering is currently described by the symbol TS. This will be changed to the symbol,

σ , in the upcoming revision.
2 © ISO 2020 – All rights reserved
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ISO 19986:2020(E)
Key
1 specimen under test θ angle of incidence
2 incident beam θ polar scattering angle
3 specularly reflected beam azimuthal scattering angle
4 ΔΩ detector solid angle
scattered radiation at θφ,

NOTE The angle of the specular reflection (θ ) is equal to the angle of incidence (θ ).

r i
Figure 1 — Scattering geometry

The scattering geometry is shown in Figure 1. The azimuthal scattering angle is zero for measurements

within the incident plane containing both the incident and specularly reflected beams. In addition,

a specimen orientation angle should be defined and documented. The direction of incidence and the

surface normal define the incident plane.
6 Test method
6.1 Principle

The fundamental operating principle of the instrument for ARS measurements (see Figure 2) is based

on measuring the radiant power scattered from the specimen as a function of the scattering angles

using a detector with a small but finite aperture that is scanned along a defined trajectory on or within

the full scattering sphere about the specimen. The simplest type of measurement is a detector scan

with the plane of incidence (in-plane scan).

The angle of incidence is kept constant during a single measurement. The ARS is either measured by

rotating the detector with respect to the specimen and the illumination system, or, alternatively, the

detector is fixed and the illumination system and the specimen are rotated with respect to the detector.

6.2 Measurement arrangement and test equipment
6.2.1 General

The instrument employed for the determination of ARS is divided into four functional sections which

are described in detail in Figure 2.
© ISO 2020 – All rights reserved 3
---------------------- Page: 8 ----------------------
ISO 19986:2020(E)
Key
1 radiation source 8 specimen
2 chopper (optional) 9 beam dump
3 variable attenuator (optional) 10 detector entrance aperture
4 focussing element 1 11 field lens (optional)
5 pinhole 12 detector
6 focussing element 2 13 beam splitter (optional)
7 baffles (optional) 14 reference detector (optional)
Figure 2 — Instrument for ARS measurements

If radiant power fluctuations or drifts of the radiation source of more than 5 % are expected over

the time scale comprising calibration and measurements, an additional reference channel shall be

implemented into the setup shown in Figure 2. The back reflection of a tilted superpolished substrate

of a material transparent in the relevant spectral region of the laser and positioned before the spatial

filter as well as an appropriate detector, preferably similar to the actual scatter detector, should be used

for this purpose.
6.2.2 Environmental conditions

The instrument should be located in a clean room environment or under a laminar flow system to

prevent scattering from dust particles. Some applications, in particular in the UV range, require

operation in vacuum or specific gas atmospheres to avoid absorption of radiation in air or to suppress

Rayleigh scattering from air molecules. The environmental conditions during measurements shall be

documented.
6.2.3 Radiation source

Excellent beam quality and sufficiently high incident radiant power are essential for ARS measurements

of optical components. Therefore, lasers, laser diodes or narrow or broad band sources may be used as

radiation sources. The source used shall be documented.

The temporal radiant power variation of the radiation source shall be measured and documented. This

comprises long-term drifts as well as short-term fluctuations. Drifts and fluctuations smaller than 5 %

are below the overall uncertainty of measurement and can be accepted. Larger drifts and fluctuations

should be monitored and taken into account accordingly. For this purpose, a reference signal should be

measured using a beam splitter and a reference detector.

An attenuator based on a combination of neutral density filters or other means is used to adjust the

incident radiant power.
4 © ISO 2020 – All rights reserved
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ISO 19986:2020(E)
6.2.4 Beam preparation system

The beam preparation system consists of a spatial filter to generate a clean beam and, if necessary,

additional baffles to suppress stray radiation from the illumination system. The beam profile should

be a rotationally symmetric Gaussian. Other profiles, for example a top-hat profile can also be used

provided that the instrument signature, particularly at scatter angles close to the specular directions,

is not affected.

The last focussing element images the pinhole onto the plane of the detector aperture. That is, the

specularly reflected or normally transmitted beam shall be focused on the detector aperture when the

detector is viewing that direction and when the specimen being measured is in place.

If the focal point of the illumination system is at the specimen, at infinity (collimated beam) or at any

other position other than the detector aperture, the user shall check, document, and quantify to which

extent this affects the near-specular instrument signature and the compatibility with results obtained

from TS measurements according to ISO 13696.

The focal length of the beam preparation system shall be adjustable so that the refractive power of the

specimen can be compensated.

Single surface mirrors are preferred as optical components, because they usually produce less

scattering and thus enable better (lower and narrower) instrument signatures to be achieved. Ideally

the ARS of the mirrors should be lower than the ARS of the specimen to be measured.

If spherical mirrors are used, the angles of incidence should be as small as possible to reduce aberrations

that can critically affect the instrument signature in the near-specular regions.

The beam diameter on the specimen shall be documented. It shall be smaller than the field of view of

the detector at the specimen position. Typical diameters are between D = 0,4 mm and 10 mm. The field

of view shall be adapted to the beam diameter.

NOTE Some applications require focussing onto the specimen. Thus, substantially smaller beam diameters

down to the micrometre range can be achieved, but the larger beam size at the position of the detector aperture

makes scattering into small angles close to the specular directions inaccessible. The actual near-angle limit can

be assessed by inspecting the instrument signature.

Beam traps surrounding the instrument shall be used and positioned to absorb all specularly reflected

and normally transmitted beams. Additional beam traps might be necessary to absorb off-specular

diffraction peaks from diffractive specimens.
6.2.5 Goniometer
Typically, a goniometer is used to measure the ARS.

The inner goniometer contains the specimen mount and allows for adjusting the angle of incidence. The

angle of incidence shall be documented.

The specimen mount shall allow for adjusting the specimen in all three dimensions as well as its tilt.

Motorized stages are preferred for performing automated specimen scans and scattering maps.

The outer goniometer arm carries the detector system.

Instruments with one degree of freedom allow for scanning in one plane – usually the plane of incidence.

These measurements are referred to as “in-plane ARS measurements”.

The range of scatter angles shall be documented. For constant step size, this can be done by stating the

minimum and maximum scatter angles as well as the step size.

More advanced instruments allow for scanning the detector within the entire sphere or along arbitrary

paths around the specimen. The measurements are referred to as “3D ARS measurements” or “out-of-

plane ARS measurements”, respectively.
© ISO 2020 – All rights reserved 5
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ISO 19986:2020(E)

The step width of scattering angles should be sufficiently small such that the solid angles covered by

the detector aperture at two successive measurement positions overlap by at least 30 %.

The mechanical resolution of the goniometer arms and the reproducibility are documented if necessary

for both general measurements and near-specular measurements. The mechanical resolution shall be

adapted to the detector acceptance angle and shall be 0,1° or better.

The mechanical resolution or step size shall not be confused with the actual angular resolution, in

particular the capability to separate specimen scattering from the specular beams at small scatter angles.

Larger step sizes with no overlap between solid angles may be used for certain applications. The risk

of potentially missing significant features in the ARS data and the influence on the ARS function as

well as TS values derived from the ARS by integration shall be considered and taken into account in the

uncertainty analysis.

ARS measurements should always be performed with both the specimen and the illuminating beam

fixed during scans in order to reduce the impact of alignment errors and ensure that the specularly

reflected and transmitted beams hit the beam traps at all times.

An alternative method to measure ARS is based on a detector matrix with separate detector elements

(pixels) for detecting the radiation at different scattering angles rather than using a single scanning

detector.
6.2.6 Detection system

The detection system consists of an aperture, the photosensitive detector and amplifiers. Additional

optical components can be used to limit the field of view of the detector (for example a field lens), to

homogenize the incoming radiation in front of the detector, or to suppress stray radiation from reaching

the detector on unwanted paths.

The effective detector aperture defines the detector solid angle. Using different aperture diameters is

preferred to increase the sensitivity (large aperture) and the near-specular resolution (small aperture).

The detector solid angle used during the measurements shall be documented. If different apertures are

used for different scatter angles, the detector solid angle shall be documented for each scatter angle.

An integrating sphere or a diffuser should be used to reduce the position-dependent sensitivity of the

detector.

Photomultiplier tubes, photodiodes, or any other photosensitive detectors are used to measure the

scattered radiant power. An optical fibre may be used to collect the scattered radiation and transport

it to an external detector. The spectral sensitivity and the temporal behaviour shall match the

characteristics of the radiation source.

Lock-in techniques or other techniques to increase the signal-to-noise ratio are recommended to

increase the sensitivity.
The dynamic range and the linearity shall be documented.

If a multi-element detector is employed without an imaging system (objective), the aperture diameter

defining the detector solid angle corresponds to the effective area of each element. If there is an optical

system at the entrance of the multi-element detector, the response of the ensemble (imaging system

and detector elements) will define the solid angle of detection. Normally this would be the spatial point

spread function.
6.2.7 Specimen preparation

The specimen shall have specified geometry and optical imaging properties. This test method is non-

destructive and shall be applied to the actual part.

Wavelength, angle of incidence, polarization, and range of scattering angles shall be in accordance with

the conditions for normal use. Modified conditions may be used for specific investigations.

6 © ISO 2020 – All rights reserved
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ISO 19986:2020(E)

Storage, cleaning, and preparation of the specimen are carried out according to directions given by the

manufacturer for normal use.

In the absence of specimen handling specifications, the following procedures shall be applied:

a) The specimen shall be kept under cleanroom conditions in accordance with Table 1 and the

cleanroom classes as defined in ISO 14644-1 without interruption and handled by the non-optical

surfaces only.

b) The handling and measurement procedures shall be optimized for a minimum exposure time of the

specimen to the test environment.

c) The relative humidity shall be higher than 40 % and should be lower than 60 %.

Surface contaminations may have a substantial impact onto the measured ARS. It shall be clarified

whether potential contaminations of the specimen have to be considered as being part of the specimen

or if they should be removed before or avoided during measurement.
Table 1 — Cleanroom classes for the specimen preparation environment
Expected ARS
Environment for specimen preparation
Cleanroom better than class 7
f > 0,01
Cleanroom better than class 6
0,01 ≥ f > 0,001
Cleanroom better than class 5
f ≤ 0,001
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 19986
Première édition
2020-12
Lasers et équipements associés
aux lasers — Méthodes d’essai
pour déterminer la dispersion avec
résolution angulaire
Lasers and laser-related equipment — Test method for angle resolved
scattering
Numéro de référence
ISO 19986:2020(F)
ISO 2020
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 19986:2020(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2020

Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette

publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,

y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut

être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
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Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2020 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 19986:2020(F)
Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d'application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Symboles et abréviations ............................................................................................................................................................................. 2

5 Géométrie de dispersion .............................................................................................................................................................................. 3

6 Méthode d’essai ..................................................................................................................................................................................................... 3

6.1 Principe ......................................................................................................................................................................................................... 3

6.2 Dispositif de mesurage et équipement d'essai ............................................................................................................ 4

6.2.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 4

6.2.2 Conditions environnementales ........................................................................................................................... 4

6.2.3 Source de rayonnement ............................................................................................................................................. 5

6.2.4 Système de préparation de faisceaux ............................................................................................................. 5

6.2.5 Goniomètre ........................................................................................................................................................................... 6

6.2.6 Système de détection ................................................................................................................................................... 6

6.2.7 Préparation de l’éprouvette ................................................................................................................................... 7

7 Procédure..................................................................................................................................................................................................................... 8

7.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 8

7.2 Procédure d’alignement .................................................................................................................................................................. 8

7.2.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 8

7.2.2 Alignement de l’instrument.................................................................................................................................... 8

7.2.3 Alignement de l’éprouvette .................................................................................................................................... 8

7.3 Étalonnage .................................................................................................................................................................................................. 8

7.3.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 8

7.3.2 Méthode 1 .............................................................................................................................................................................. 9

7.3.3 Méthode 2 .............................................................................................................................................................................. 9

7.4 Procédure de mesurage ................................................................................................................................................................10

7.4.1 Sélection de la position de l’éprouvette ....................................................................................................11

7.4.2 Sélection des conditions d’éclairage ............................................................................................................11

7.4.3 Sélection de la plage de balayage angulaire ..........................................................................................12

7.4.4 Détermination de la DRA .......................................................................................................................................12

7.5 Considérations sur l’incertitude ...........................................................................................................................................12

8 Protocole de mesurage ................................................................................................................................................................................13

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................15

© ISO 2020 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 19986:2020(F)
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

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 (IEC) 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/IEC, 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/IEC, Partie 2 (voir www

.iso .org/ directives).

L’attention est attirée 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 dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions

spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion

de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ fr/ avant -propos.

Le présent document a été élaboré par le Comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-

comité SC 9, Lasers et systèmes électro-optiques.

Il convient que tout retour d’information ou question sur le présent document soit adressé à l’organisme

national de normalisation de l’utilisateur. Une liste complète de ces organismes peut être consultée à

l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
iv © ISO 2020 – Tous droits réservés
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ISO 19986:2020(F)
Introduction

En 2004, les demandes croissantes de mesurages qualifiés de dispersion avec résolution angulaire

(DRA) émanant de l’industrie a mené à une note de discussion pour lancer des activités destinées à une

norme entièrement nouvelle relatives aux mesurages DRA d'éléments optiques dans SC 9/WG 6, et qui

a fait ultérieurement l’objet d’une nouvelle discussion en 2008. Cette nouvelle tentative a été pilotée, en

particulier, mais sans y être limitée, par le développement d'éléments optiques pour le domaine spectral

de l’ultraviolet profond, dans lequel les pertes par dispersion en raison d’imperfections de surface et

de matière entraînent des limitations critiques. Il a donc été décidé de soutenir le développement d’un

nouveau projet de travail.

Depuis lors, l’intérêt n’a cessé d’augmenter pour une procédure type, facile à appliquer dans la pratique,

englobant aussi bien des surfaces, des revêtements, des matériaux, des composants structurés, de

haute qualité, comme les réseaux de diffraction, que des éléments conformateurs de rayonnement, tels

que des tableaux interactifs et des diffuseurs, utilisés à des longueurs d’onde allant des régions UVE et

UVP aux régions spectrales IR.

Il existe deux normes qui décrivent des mesurages de dispersion avec résolution angulaire:

[15]
— ASTM E 2387-19 ;
[16]
— SEMI ME 1392-0116 .

Un autre document associé est l’ISO 13696 qui décrit des procédures pour mesurer la Dispersion totale

(DT) des éléments optiques.

La dispersion du rayonnement causée par des imperfections d’éléments optiques peut affecter de

manière critique la performance des systèmes optiques. Un rayonnement dispersé en grands angles

correspond habituellement à une perte de puissance rayonnante, et donc à une réduction de la

production. Un rayonnement dispersé en petits angles peut conduire à une dégradation de l’image. La

connaissance de la distribution angulaire du rayonnement dispersé est donc essentielle pour évaluer la

qualité d’éléments optiques.

La présente norme décrit une méthode d’essais pour la quantité correspondante, la dispersion avec

résolution angulaire (DRA), qui est définie par l’intensité dispersée mesurée (puissance rayonnante

dispersée normalisée à une puissance rayonnante incidente et à un angle de détection solide) en

fonction des angles de dispersion.

Les données de dispersion avec résolution angulaire peuvent servir d’entrée aux calculs de rayonnement

parasite dans un logiciel de conception optique. D’autres informations, telles que la Dispersion totale

(définie dans l’ISO 13696) ou d’autres quantités de dispersion intégrées, peuvent être fournies à

partir de la dispersion avec résolution angulaire par intégration numérique. De plus, bien que non

abordée dans le présent document, l’analyse de la dispersion avec résolution angulaire peut donner

des informations sur les origines de la dispersion, telles que rugosité d'interface, particules, défauts,

dommages sub-superficiels, et inhomogénéités importantes.
© ISO 2020 – Tous droits réservés v
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NORME INTERNATIONALE ISO 19986:2020(F)
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes
d’essai pour déterminer la dispersion avec résolution
angulaire
1 Domaine d'application

Le présent document décrit les procédures de détermination de la dispersion avec résolution angulaire

par des éléments optiques, tels qu’éléments optiques revêtus ou non, structures photoniques et

matériaux pouvant être transparents, translucides ou opaques. Il traite de la dispersion dans la sphère

de dispersion autour de l’éprouvette, généralement séparée en hémisphères avant et arrière. Les

procédures s’appliquent à des longueurs d’onde de rayonnement s’échelonnant des domaines spectraux

de 5 nm dans l’ultraviolet extrême à 15 µm dans l’infrarouge.
2 Références normatives

Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des

exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les

références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels

amendements).

ISO 11145, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et symboles

ISO 14644-1:1999, Salles propres et environnements maîtrisés apparentés — Partie 1: Classification de la

propreté de l’air
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 11145 ainsi que les

suivants s'appliquent.

L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:

— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https:// www .iso .org/ obp

— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
3.1
rayonnement dispersé
fraction du rayonnement incident dévié du trajet optique spéculaire
[SOURCE: ISO 13696:2002, 3.1.1]
3.2
angle solide de détecteur
angle solide d’ouverture du détecteur par rapport à l’origine des coordonnées
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ISO 19986:2020(F)
3.3
dispersion avec résolution angulaire
DRA

puissance rayonnante ΔP dispersée dans une direction (θ ,�φ ) par rapport à la puissance rayonnante

s s s
incidente P et à l’angle solide du détecteur ΔΩ (3.2):
i s
ΔP θφ,
ss s
f θφ, =
PΔΩ

Note 1 à l'article: La DRA peut être transformée en fonction de la distribution de la réflectance, de la transmission,

ou de la dispersion bidirectionnelle, FDRB, FDTD, ou FDDB ( f ) , respectivement, en divisant la DRA par cosθ :

r s
f θφ,
f ()θφ, =
rs s
cosθ

Note 2 à l'article: La dispersion totale définie dans l’ISO 13696 peut résulter de la DRA par intégration

numérique à l’intérieur des hémisphères de dispersion correspondantes. Pour l’incidence normale et la dispersion

de réflexion, l’intégrale est:
2π≥°85
σθ= f ,sφ inθθφdd
TS ss ss s
0 ≤°2
3.4
étalon de réflectance diffuse
réflecteur diffus avec DRA (3.3) connue, de préférence Lambertienne
3.5
signature d’instrument

contribution intrinsèque à la DRA (3.3) mesurée, produite par l’instrument lui-même, généralement

estimée en mesurant la DRA (3.3) sans éprouvette
4 Symboles et abréviations
Dispersion avec résolution angulaire, DRA
ΔΩ angle solide de détecteur
ΔP puissance rayonnante dispersée
P puissance rayonnante incidente
angle de dispersion azimutal
θ angle d’incidence
θ angle de réflexion spéculaire
θ angle de dispersion polaire

1) Dans l’ISO 13696:2002, la dispersion totale est actuellement décrite par le symbole, TS. Cette description sera

modifiée par le symbole, σ , dans la prochaine révision.
2 © ISO 2020 – Tous droits réservés
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ISO 19986:2020(F)
5 Géométrie de dispersion

La géométrie de dispersion est définie en coordonnées sphériques par rapport à la normale à

l’éprouvette, tel que représenté à la Figure 1. L’origine des coordonnées se trouve, comme suit, au niveau

de l’éprouvette:

— pour mesurer la dispersion de réflexion, l’origine se trouve au niveau de la surface d’entrée.

— pour mesurer la dispersion de transmission, l’origine se trouve au niveau de la surface de sortie.

— pour les éprouvettes minces (éprouvette de petite épaisseur comparé au champ de vision du

détecteur), l’origine peut se trouver au niveau de la surface d’entrée ou de la surface de sortie.

— pour certaines applications, il peut être utile de placer l’origine à d’autres emplacements, par

exemple, dans l’éprouvette.
L’emplacement exact de l’origine doit être documenté.
Légende
1 éprouvette sous test θ angle d’incidence
2 faisceau incident θ angle de dispersion polaire
3 faisceau réfléchi spéculairement angle de dispersion azimutal
4 ΔΩ angle solide de détecteur
rayonnement dispersé à ()θφ,

NOTE L’angle de la réflexion spéculaire (θ ) est égal à l’angle d’incidence (θ ).

r i
Figure 1 — Géométrie de dispersion

La géométrie de dispersion est représentée à la Figure 1. L’angle de dispersion azimutal est nul pour les

mesurages à l’intérieur du plan incident contenant les faisceaux incidents et réfléchis spéculairement.

De plus, il convient de définir et de documenter un angle d’orientation de l’éprouvette. La direction

d’incidence et la normale à la surface définissent le plan incident.
6 Méthode d’essai
6.1 Principe

Le principe de fonctionnement fondamental de l’instrument pour les mesurages DRA (voir Figure 2)

repose sur la mesure de la puissance rayonnante dispersée provenant de l’éprouvette, en fonction

des angles de dispersion, en utilisant un détecteur doté d’une petite ouverture bien délimitée qui est

balayée le long d’une trajectoire définie sur, ou à l’intérieur de l’ensemble de la sphère de dispersion

autour de l’éprouvette. Le type de mesurage le plus simple est un balayage de détecteur avec le plan

d’incidence (balayage en plan).
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ISO 19986:2020(F)

L’angle d’incidence est maintenu constant pendant un mesurage simple. La DRA est mesurée soit en

tournant le détecteur par rapport à l’éprouvette et au système d‘éclairage, soit le détecteur est fixé, et le

système d’éclairage ainsi que l’éprouvette sont tournés par rapport au détecteur.

6.2 Dispositif de mesurage et équipement d'essai
6.2.1 Généralités

Le fonctionnement de l’instrument servant à déterminer la DRA est divisée en quatre sections

fonctionnelles décrites en détail à la Figure 2.
Légende
1 source de rayonnement 8 éprouvette
2 hacheur (option) 9 décharge de faisceau
3 atténuateur variable (option) 10 ouverture d’entrée du détecteur
4 élément de focalisation 1 11 lentille de champ (option)
5 trou d’épingle 12 détecteur
6 élément de focalisation 2 13 séparateur de faisceaux (option)
7 déflecteurs (option) 14 détecteur de référence (option)
Figure 2 — Instrument de mesurages de DRA

Si des fluctuations ou des dérives de plus de 5 % de la puissance rayonnante sont prévues sur l’échelle

de temps comprenant l’étalonnage et les mesurages, un canal de référence supplémentaire doit

être implémenté dans la configuration représentée à la Figure 2. Il convient d’utiliser, à cet effet, la

réflexion d’un substrat super poli incliné d’un matériau transparent dans la région spectrale du laser

et placé avant le filtre spatial, ainsi qu’un détecteur approprié, de préférence, similaire au détecteur de

dispersion actuel.
6.2.2 Conditions environnementales

Il convient de placer l’instrument dans un environnement de salle propre ou sous un système à flux

laminaire pour éviter la dispersion émanant de particules de poussière. Certaines applications, en

particulier, dans la plage UV, exigent un fonctionnement en atmosphères gazeuses spécifiques ou sous

vide pour éviter l’absorption du rayonnement dans l’air ou pour supprimer la diffusion de Rayleigh

émanant des molécules d’air. Les conditions environnementales pendant les mesurages doivent être

documentées.
4 © ISO 2020 – Tous droits réservés
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ISO 19986:2020(F)
6.2.3 Source de rayonnement

Une excellente qualité du faisceau et une puissance rayonnante incidente suffisamment élevée sont

essentielles pour les mesurages de DRA d’éléments optiques. Les lasers, les diodes laser ou les sources

en bande large ou étroite peuvent donc être utilisés comme sources de rayonnement. La source utilisée

doit être documentée.

La variation temporaire de la puissance rayonnante du rayonnement doit être mesurée et documentée.

Elle comprend les dérives à long terme et les fluctuations à court terme. Les dérives et fluctuations

inférieures à 5 % sont en dessous de l’incertitude globale de mesure, et sont acceptables. Il convient

de surveiller et, par suite, de tenir compte des dérives et fluctuations plus importantes. À cet effet, il

convient de mesurer un signal de référence à l’aide d’un séparateur de faisceaux et d’un détecteur de

référence.

Un atténuateur basé sur une combinaison de filtres de densité neutre ou d’autres moyens sert à ajuster

la puissance rayonnante incidente.
6.2.4 Système de préparation de faisceaux

Le système de préparation de faisceaux consiste en un filtre spatial permettant de générer un faisceau

propre et, si nécessaire, en des déflecteurs supplémentaires pour supprimer le rayonnement parasite

du système d’éclairage. Il convient que le profil du faisceau corresponde à une fonction gaussienne

symétrique en rotation. D’autres profils, par exemple, un profil “chapeau”, peuvent être également

utilisés, à condition que la signature de l’instrument, en particulier, aux angles de dispersion proches

des directions spéculaires, ne soit pas affectée.

Le dernier élément de focalisation obtient une image du trou d’épingle sur le plan de l’ouverture du

détecteur. À savoir que le faisceau réfléchi spéculairement ou transmis normalement doit être focalisé

sur l’ouverture du détecteur lorsque celui-ci voit cette direction et que l’éprouvette mesurée est en place.

Si le point focal du système d’éclairage se trouve au niveau de l’éprouvette, à l’infini (faisceau collimaté)

ou en toute autre position autre que le plan d’ouverture du détecteur, l’utilisateur doit vérifier,

documenter, et quantifier dans quelle mesure cela affecte la signature de l’instrument proche du

spéculaire, et la compatibilité avec les résultats obtenus par les mesurages de la dispersion totale selon

l’ISO 13696.

La distance focale du système de préparation du faisceau doit être réglable de manière à pouvoir

compenser la puissance de réfraction de l’éprouvette.

Les miroirs à surface uniforme sont préférés comme éléments optiques, car ils produisent généralement

moins de dispersion et permettent d’obtenir de meilleures signatures de l'instrument (réduites et

plus étroites). Idéalement, il convient que le DRA des mirroirs soit inférieur au DRA de l’éprouvette à

mesurer.

Si des miroirs sphériques sont utilisés, il convient que les angles d’incidence soient les plus petits

possibles pour réduire les aberrations qui pourraient affecter de manière critique la signature de

l’instrument dans les régions proches du spéculaire.

Le diamètre du faisceau sur l’éprouvette doit être documenté. Il doit être plus petit que le champ de

vision du détecteur à la position de l’éprouvette. Les diamètres types sont compris entre 0,4 mm et

10 mm. Le champ de vision doit être adapté au diamètre du faisceau.

NOTE Certaines applications exigent une focalisation sur l’éprouvette. Ainsi, des diamètres de faisceau

sensiblement plus petits jusqu’au micromètre peuvent être obtenus, mais la taille du faisceau le plus grand à la

position de l’ouverture du détecteur rend inaccessible la dispersion en petits angles à proximité des directions

spéculaires. La limite réelle proche de l’angle peut être évaluée en inspectant la signature de l’instrument.

Des pièges à faisceaux entourant l’instrument doivent être utilisés et positionnés pour absorber

l’ensemble des faisceaux réfléchis spéculairement et transmis normalement. Des pièges à faisceaux

supplémentaires pourraient être nécessaires pour absorber les crêtes de diffraction non spéculaires

des éprouvettes diffractives.
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ISO 19986:2020(F)
6.2.5 Goniomètre
Un goniomètre sert généralement à mesurer la DRA.

Le goniomètre interne contient le support d’éprouvette et permet d’ajuster l’angle d’incidence. L’angle

d’incidence doit être documenté.

Le support d’éprouvette doit permettre son réglage dans les trois dimensions, ainsi que son inclinaison.

Les platines motorisées sont préférées pour réaliser des balayages automatiques de l’éprouvette, et des

cartes de dispersion.
Le bras du goniomètre externe porte le système de détection.

Les instruments à un degré de liberté permettent le balayage dans un plan - en général, le plan

d’incidence. Ces mesurages sont appelés «mesurages DRA dans le plan».

La plage d’angles de dispersion doit être documentée. Pour une valeur de coefficient constant, cela peut

être réalisé en indiquant les angles de dispersion minimal et maximal, ainsi que la valeur du coefficient.

Des instruments plus avancés permettent de balayer le détecteur à l’intérieur de la sphère ou le long

de trajets arbitraires autour de l’éprouvette. Les mesurages sont appelés, respectivement, «mesurages

DRA 3D» ou «mesurages DRA hors du plan».

La largeur de coefficient d’angles de dispersion doit être suffisamment petite pour que les angles solides

couverts par l’ouverture du détecteur, à deux positions de mesurage successives, se chevauchent d’au

moins 30 %.

La résolution mécanique des bras du goniomètre et la reproductibilité sont documentées, si nécessaire,

pour les mesurages généraux et les mesurages proches du spéculaire. La résolution mécanique doit être

adaptée à l’angle d’admission du détecteur et doit être de 0,1° ou supérieure.

Veuillez noter que la résolution mécanique ou la valeur du coefficient ne doit pas être confondue avec

la résolution angulaire réelle, en particulier, la capacité à séparer la dispersion de l’éprouvette des

faisceaux spéculaires aux petits angles de dispersion.

Des valeurs de coefficient plus grandes sans chevauchement entre les angles solides peuvent être

utilisées pour certaines applications. Le risque de non prise en compte de caractéristiques importantes

dans les données DRA et l’influence sur la fonction DRA, ainsi que sur les valeurs TS dérivées de la DRA

par intégration, doivent être prises en compte dans l’analyse de l’incertitude.

Il convient de réaliser les mesurages de DRA avec l’éprouvette et le faisceau d’éclairage fixés pendant

les balayages, de manière à réduire l’impact des erreurs d’alignement et à vérifier que les faisceaux

réfléchis spéculairement et transmis frappent les pièges à faisceaux à tout moment.

Une autre méthode pour mesurer la DRA repose sur la matrice de détecteur avec éléments de détection

séparés (pixels) pour détecter le rayonnement à différents angles de dispersion, plutôt que d’utiliser un

détecteur simple à balayage.
6.2.6 Système de détection

Le système de détection comprend une ouverture, le détecteur photosensible et des amplificateurs. Un

élément supplémentaire peut être utilisé pour limiter le champ de vision du détecteur (par exemple, une

lentille de champ), pour homogénéiser le rayonnement incident en face du détecteur, ou pour empêcher

le rayonnement parasite d’atteindre le détecteur sur des trajets non désirés.

L’ouverture effective du détecteur définit son angle solide. Il est préférable d’utiliser différents diamètres

d’ouverture pour augmenter la sensibilité (grande ouverture) et la résolution proche du spéculaire

(petite ouverture). L’angle solide du détecteur utilisé pendant les mesurages doit être documenté. Si

différentes ouvertures servent pour plusieurs angles de dispersion, l’angle solide du détecteur doit être

document
...

FINAL
INTERNATIONAL ISO/FDIS
DRAFT
STANDARD 19986
ISO/TC 172/SC 9
Lasers and laser-related equipment —
Secretariat: DIN
Test method for angle resolved
Voting begins on:
2020­09-23 scattering
Voting terminates on:
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes d’essai pour
2020­11­18
déterminer la dispersion avec résolution angulaire
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO
SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION
OF ANY RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH
THEY ARE AWARE AND TO PROVIDE SUPPOR TING
DOCUMENTATION.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
Reference number
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNO­
ISO/FDIS 19986:2020(E)
LOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES,
DRAFT INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON
OCCASION HAVE TO BE CONSIDERED IN THE
LIGHT OF THEIR POTENTIAL TO BECOME STAN­
DARDS TO WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN
NATIONAL REGULATIONS. ISO 2020
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ISO/FDIS 19986:2020(E)
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© ISO 2020

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Published in Switzerland
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ISO/FDIS 19986:2020(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Symbols and abbreviated terms ........................................................................................................................................................... 2

5 Scattering geometry .......................................................................................................................................................................................... 2

6 Test method ............................................................................................................................................................................................................... 3

6.1 Principle ........................................................................................................................................................................................................ 3

6.2 Measurement arrangement and test equipment ....................................................................................................... 3

6.2.1 General...................................................................................................................................................................................... 3

6.2.2 Environmental conditions ....................................................................................................................................... 4

6.2.3 Radiation source .............................................................................................................................................................. 4

6.2.4 Beam preparation system ........................................................................................................................................ 5

6.2.5 Goniometer ........................................................................................................................................................................... 5

6.2.6 Detection system.............................................................................................................................................................. 6

6.2.7 Specimen preparation ................................................................................................................................................. 6

7 Procedure..................................................................................................................................................................................................................... 7

7.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 7

7.2 Alignment procedure ......................................................................................................................................................................... 7

7.2.1 General...................................................................................................................................................................................... 7

7.2.2 Alignment of the instrument ................................................................................................................................. 7

7.2.3 Alignment of the specimen ..................................................................................................................................... 8

7.3 Calibration .................................................................................................................................................................................................. 8

7.3.1 General...................................................................................................................................................................................... 8

7.3.2 Method 1 ................................................................................................................................................................................. 8

7.3.3 Method 2 ................................................................................................................................................................................. 9

7.4 Measurement procedure ................................................................................................................................................................ 9

7.4.1 Selection of specimen position .........................................................................................................................10

7.4.2 Selection of illumination conditions ............................................................................................................11

7.4.3 Selection of angular scan range .......................................................................................................................11

7.4.4 Determination of the ARS ......................................................................................................................................11

7.5 Uncertainty considerations .......................................................................................................................................................11

8 Measurement protocol ................................................................................................................................................................................12

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................14

© ISO 2020 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/FDIS 19986:2020(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

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 non­governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

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 (see www .iso .org/ patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso .org/

iso/ foreword .html.

This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 172, Optics and photonics, Subcommittee

SC 9, Laser and electro-optical systems.

Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/ members .html.
iv © ISO 2020 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/FDIS 19986:2020(E)
Introduction

In 2004, increasing demands from industry for qualified angle resolved scattering (ARS) measurements

led to a discussion note to start activities for a completely new standard on ARS measurements of

optical components in SC 9/WG 6, which was later discussed again in 2008. This new attempt was in

particular driven by, but not limited to, the development of optical components for the deep ultraviolet

spectral region, where scatter losses by material and surface imperfections cause critical limitations. It

was then agreed to support the development of a new working draft.

Since then, there has been an increased interest in a standard procedure that is easy to apply for

practical applications ranging from high­end surfaces, coatings, and materials, structured components

like diffraction gratings, to radiation shaping elements like display foils and diffusors used at

wavelengths ranging from the EUV and DUV to the IR spectral regions.
Two standards exist that describe measurements of angle resolved scattering:
— ASTM E 2387­05(2011)
— SEMI ME 1392­1109

Another related document is ISO 13696 which describes procedures to measure the Total Scattering

(TS) of optical components.

Radiation scattering caused by imperfections of optical components can critically affect the performance

of optical systems. Radiation scattered into large angles usually means a loss of radiant power and thus

reduced throughput. Radiation scattered into smaller angles can lead to image degradation. Knowledge

of the angular distribution of scattered radiation is thus essential in order to assess the quality of

optical components.

This standard describes a testing procedure for the corresponding quantity, the angle resolved

scattering (ARS), which is defined by the measured scattered intensity (scattered radiant power

normalized to incident radiant power and solid angle of detection) as a function of the scattering angles.

Angle resolved scattering data can be used as input for stray-radiation calculations in optical design

software. Other information like the Total Scattering (defined in ISO 13696) or other integrated

scattering quantities can be derived from angle resolved scattering by simple numerical integration.

In addition, although not covered in this document, analysing angle resolved scattering can provide

information about the origins of scattering such as interface roughness, particles, defects, sub­surface

damage, and bulk inhomogeneities.
© ISO 2020 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
FINAL DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/FDIS 19986:2020(E)
Lasers and laser-related equipment — Test method for
angle resolved scattering
1 Scope

This document describes procedures for the determination of the angle resolved scattering by optical

components such as coated or uncoated optical elements, photonic structures, and materials that

can be transparent, translucent, or opaque. It comprises scattering into the scattering sphere around

the specimen usually separated into the backward and forward hemispheres. The procedures apply

to wavelengths of radiation ranging from 5 nm in the extreme ultraviolet to 15 µm in the infrared

spectral ranges.
2 Normative references

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content

constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For

undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.

ISO 11145, Optics and photonics — Lasers and laser-related equipment — Vocabulary and symbols

ISO 14644­1, Cleanrooms and associated controlled environments — Part 1: Classification of air cleanliness

by particle concentration
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO11145 and the following apply.

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
3.1
scattered radiation

fraction of the incident radiation that is deflected from the specular optical path

[SOURCE: ISO 13696:2002, 3.1.1]
3.2
detector solid angle
solid angle of the detector aperture with respect to the origin of coordinates
3.3
angle resolved scattering
ARS

radiant power ΔP scattered into a direction (θ ,�φ ) relative to the incident radiant power P and the

s s s i
detector solid angle (3.2) ΔΩ :
ΔP θφ,
ss s
f θφ, =
PΔΩ
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ISO/FDIS 19986:2020(E)

Note 1 to entry: ARS can be transformed into the bidirectional reflectance, transmittance, or scattering

distribution function, BRDF, BTDF, or BSDF ( f ) respectively, by dividing ARS by cosθ :

f θφ,
f θφ, =
rs s
cosθ

Note 2 to entry: The total scattering defined in ISO 13696 can be derived from ARS through numerical

integration within the corresponding scattering hemispheres. For normal incidence and reflective scattering,

the integral is:
2π≥°85
σθ= f ,sφ inθθφdd
TS ss ss s
0 ≤°2 
3.4
diffuse reflectance standard
diffuse reflector with known, preferably Lambertian, ARS (3.3)
3.5
instrument signature

intrinsic contribution to measured ARS (3.3) produced by the instrument itself, usually estimated by

measuring ARS (3.3) without any specimen
4 Symbols and abbreviated terms
angle resolved scattering, ARS
ΔΩ detector solid angle
ΔP scattered radiant power
P incident radiant power
φ azimuthal scattering angle
θ angle of incidence
θ angle of specular reflection
θ polar scattering angle
5 Scattering geometry

The scattering geometry is defined in spherical coordinates with respect to the specimen normal as

shown in Figure 1. The origin of coordinates lies at the specimen as follows:
— for measuring reflective scattering, the origin lies at the entrance surface;
— for measuring transmissive scattering, the origin lies at the exit surface;

— for thin specimens (specimen thickness small compared to the field of view of the detector), the

origin can be either at the entrance or the exit surface;

— for certain applications, it may be useful to place the origin at other locations, for example in the

specimen.

1) In ISO 13696:2002 Total reflective scattering is currently described by TS. This will be changed to σ in the

upcoming revision.
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ISO/FDIS 19986:2020(E)
The exact location of the origin shall be documented.
Key
1 specimen under test θ angle of incidence
2 incident beam θ polar scattering angle
3 specularly reflected beam azimuthal scattering angle
4 ΔΩ detector solid angle
scattered radiation at θφ,
() s

NOTE The angle of the specular reflection (θ ) is equal to the angle of incidence (θ ).

r i
Figure 1 — Scattering geometry

The scattering geometry is shown in Figure 1. The azimuthal scattering angle is zero for measurements

within the incident plane containing both the incident and specularly reflected beams. In addition,

a specimen orientation angle should be defined and documented. The direction of incidence and the

surface normal define the incident plane.
6 Test method
6.1 Principle

The fundamental operating principle of the instrument for ARS measurements (see Figure 2) is based

on measuring the radiant power scattered from the specimen as a function of the scattering angles

using a detector with a small but finite aperture that is scanned along a defined trajectory on or within

the full scattering sphere about the specimen. The simplest type of measurement is a detector scan

with the plane of incidence (in­plane scan).

The angle of incidence is kept constant during a single measurement. The ARS is either measured by

rotating the detector with respect to the specimen and the illumination system, or, alternatively, the

detector is fixed and the illumination system and the specimen are rotated with respect to the detector.

6.2 Measurement arrangement and test equipment
6.2.1 General

The instrument employed for the determination of ARS is divided into four functional sections which

are described in detail in Figure 2.
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ISO/FDIS 19986:2020(E)
Key
1 radiation source 8 specimen
2 chopper (optional) 9 beam dump
3 variable attenuator (optional) 10 detector entrance aperture
4 focussing element 1 11 field lens (optional)
5 pinhole 12 detector
6 focussing element 2 13 beam splitter (optional)
7 baffles (optional) 14 reference detector (optional)
Figure 2 — Instrument for ARS measurements

If radiant power fluctuations or drifts of the radiation source of more than 5 % are expected over

the time scale comprising calibration and measurements, an additional reference channel shall be

implemented into the setup shown in Figure 2. The back reflection of a tilted superpolished substrate

of a material transparent in the relevant spectral region of the laser and positioned before the spatial

filter as well as an appropriate detector, preferably similar to the actual scatter detector, should be used

for this purpose.
6.2.2 Environmental conditions

The instrument should be located in a clean room environment or under a laminar flow system to

prevent scattering from dust particles. Some applications, in particular in the UV range, require

operation in vacuum or specific gas atmospheres to avoid absorption of radiation in air or to suppress

Rayleigh scattering from air molecules. The environmental conditions during measurements shall be

documented.
6.2.3 Radiation source

Excellent beam quality and sufficiently high incident radiant power are essential for ARS measurements

of optical components. Therefore, lasers, laser diodes or narrow or broad band sources may be used as

radiation sources. The source used shall be documented.

The temporal radiant power variation of the radiation source shall be measured and documented. This

comprises long-term drifts as well as short-term fluctuations. Drifts and fluctuations smaller than 5 %

are below the overall uncertainty of measurement and can be accepted. Larger drifts and fluctuations

should be monitored and taken into account accordingly. For this purpose, a reference signal should be

measured using a beam splitter and a reference detector.

An attenuator based on a combination of neutral density filters or other means is used to adjust the

incident radiant power.
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ISO/FDIS 19986:2020(E)
6.2.4 Beam preparation system

The beam preparation system consists of a spatial filter to generate a clean beam and, if necessary,

additional baffles to suppress stray radiation from the illumination system. The beam profile should

be a rotationally symmetric Gaussian. Other profiles, for example a top-hat profile can also be used

provided that the instrument signature, particularly at scatter angles close to the specular directions,

are not affected.

The last focussing element images the pinhole onto the plane of the detector aperture. That is, the

specularly reflected or normally transmitted beam shall be focused on the detector aperture when the

detector is viewing that direction and when the specimen being measured is in place.

If the focal point of the illumination system is at the specimen, at infinity (collimated beam) or at any

other position other than the detector aperture, the user shall check, document, and quantify to which

extent this affects the near-specular instrument signature and the compatibility with results obtained

from TS measurements according to ISO 13696.

The focal length of the beam preparation system shall be adjustable so that the refractive power of the

specimen can be compensated.

Single surface mirrors are preferred as optical components, because they usually produce less

scattering and thus enable better (lower and narrower) instrument signatures to be achieved. Ideally

the ARS of the mirrors should be lower than the ARS of the specimen to be measured.

If spherical mirrors are used, the angles of incidence should be as small as possible to reduce aberrations

that can critically affect the instrument signature in the near-specular regions.

The beam diameter on the specimen shall be documented. It shall be smaller than the field of view of

the detector at the specimen position. Typical diameters are between D = 0,4 mm and 10 mm. The field

of view shall be adapted to the beam diameter.

NOTE Some applications require focussing onto the specimen. Thus, substantially smaller beam diameters

down to the micrometre range can be achieved, but the larger beam size at the position of the detector aperture

makes scattering into small angles close to the specular directions inaccessible. The actual near­angle limit can

be assessed by inspecting the instrument signature.

Beam traps surrounding the instrument shall be used and positioned to absorb all specularly reflected

and normally transmitted beams. Additional beam traps might be necessary to absorb off-specular

diffraction peaks from diffractive specimens.
6.2.5 Goniometer
Typically, a goniometer is used to measure the ARS.

The inner goniometer contains the specimen mount and allows for adjusting the angle of incidence. The

angle of incidence shall be documented.

The specimen mount shall allow for adjusting the specimen in all three dimensions as well as its tilt.

Motorized stages are preferred for performing automated specimen scans and scattering maps.

The outer goniometer arm carries the detector system.

Instruments with one degree of freedom allow for scanning in one plane – usually the plane of incidence.

These measurements are referred to as “in­plane ARS measurements”.

The range of scatter angles shall be documented. For constant step size, this can be done by stating the

minimum and maximum scatter angles as well as the step size.

More advanced instruments allow for scanning the detector within the entire sphere or along arbitrary

paths around the specimen. The measurements are referred to as “3D ARS measurements” or “out­of­

plane ARS measurements”, respectively.
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ISO/FDIS 19986:2020(E)

The step width of scattering angles should be sufficiently small such that the solid angles covered by

the detector aperture at two successive measurement positions overlap by at least 30 %.

The mechanical resolution of the goniometer arms and the reproducibility are documented if necessary

for both general measurements and near­specular measurements. The mechanical resolution shall be

adapted to the detector acceptance angle and shall be 0,1° or better.

The mechanical resolution or step size shall not be confused with the actual angular resolution, in

particular the capability to separate specimen scattering from the specular beams at small scatter angles.

Larger step sizes with no overlap between solid angles may be used for certain applications. The risk

of potentially missing significant features in the ARS data and the influence on the ARS function as

well as TS values derived from the ARS by integration shall be considered and taken into account in the

uncertainty analysis.

ARS measurements should always be performed with both the specimen and the illuminating beam

fixed during scans in order to reduce the impact of alignment errors and ensure that the specularly

reflected and transmitted beams hit the beam traps at all times.

An alternative method to measure ARS is based on a detector matrix with separate detector elements

(pixels) for detecting the radiation at different scattering angles rather than using a single scanning

detector.
6.2.6 Detection system

The detection system consists of an aperture, the photosensitive detector and amplifiers. Additional

optical components can be used to limit the field of view of the detector (for example a field lens), to

homogenize the incoming radiation in front of the detector, or to suppress stray radiation from reaching

the detector on unwanted paths.

The effective detector aperture defines the detector solid angle. Using different aperture diameters is

preferred to increase the sensitivity (large aperture) and the near-specular resolution (small aperture).

The detector solid angle used during the measurements shall be documented. If different apertures are

used for different scatter angles, the detector solid angle shall be documented for each scatter angle.

An integrating sphere or a diffuser should be used to reduce the position-dependent sensitivity of the

detector.

Photomultiplier tubes, photodiodes, or any other photosensitive detectors are used to measure the

scattered radiant power. An optical fibre may be used to collect the scattered radiation and transport

it to an external detector. The spectral sensitivity and the temporal behaviour shall match the

characteristics of the radiation source.

Lock-in techniques or other techniques to increase the signal-to-noise ratio are recommended to

increase the sensitivity.
The dynamic range and the linearity shall be documented.

If a multi-element detector is employed without an imaging system (objective), the aperture diameter

defining the detector solid angle corresponds to the effective area of each element. If there is an optical

system at the entrance of the multi-element detector, the response of the ensemble (imaging system

and detector elements) will define the solid angle of detection. Normally this would be the spatial point

spread function.
6.2.7 Specimen preparation

The specimen shall have specified geometry and optical imaging properties. This test method is non-

destructive and shall be applied to the actual part.

Wavelength, angle of incidence, polarization, and range of scattering angles shall be in accordance with

the conditions for normal use. Modified conditions may be used for specific investigations.

6 © ISO 2020 – All rights reserved
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ISO/FDIS 19986:2020(E)

Storage, cleaning, and preparation of the specimen are carried out according to directions given by the

manufacturer for normal use.

In the absence of specimen handling specifications, the following procedures shall be applied:

a) The specimen shall be kept under cleanroom conditions in accordance with Table 1 and the

cleanroom classes as defined in ISO 14644-1 without interruption and handled by the non-optical

surfaces only.

b) The handling and measurement procedures shall be optimized for a minimum exposure time of the

spe
...

PROJET
NORME ISO/FDIS
FINAL
INTERNATIONALE 19986
ISO/TC 172/SC 9
Lasers et équipements associés
Secrétariat: DIN
aux lasers — Méthodes d’essai
Début de vote:
2020-09-23 pour déterminer la dispersion avec
résolution angulaire
Vote clos le:
2020-11-18
Lasers and laser-related equipment — Test method for angle resolved
scattering
LES DESTINATAIRES DU PRÉSENT PROJET SONT
INVITÉS À PRÉSENTER, AVEC LEURS OBSER-
VATIONS, NOTIFICATION DES DROITS DE PRO-
PRIÉTÉ DONT ILS AURAIENT ÉVENTUELLEMENT
CONNAISSANCE ET À FOURNIR UNE DOCUMEN-
TATION EXPLICATIVE.
OUTRE LE FAIT D’ÊTRE EXAMINÉS POUR
ÉTABLIR S’ILS SONT ACCEPTABLES À DES FINS
INDUSTRIELLES, TECHNOLOGIQUES ET COM-
Numéro de référence
MERCIALES, AINSI QUE DU POINT DE VUE
ISO/FDIS 19986:2020(F)
DES UTILISATEURS, LES PROJETS DE NORMES
INTERNATIONALES DOIVENT PARFOIS ÊTRE
CONSIDÉRÉS DU POINT DE VUE DE LEUR POSSI-
BILITÉ DE DEVENIR DES NORMES POUVANT
SERVIR DE RÉFÉRENCE DANS LA RÉGLEMENTA-
TION NATIONALE. ISO 2020
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ISO/FDIS 19986:2020(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
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Tous droits réservés. Sauf prescription différente ou nécessité dans le contexte de sa mise en œuvre, aucune partie de cette

publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,

y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut

être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.

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Publié en Suisse
ii © ISO 2020 – Tous droits réservés
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ISO/FDIS 19986:2020(F)
Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

Introduction ..................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d'application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 1

4 Symboles et abréviations ............................................................................................................................................................................. 2

5 Géométrie de dispersion .............................................................................................................................................................................. 3

6 Méthode d’essai ..................................................................................................................................................................................................... 3

6.1 Principe ......................................................................................................................................................................................................... 3

6.2 Dispositif de mesurage et équipement d'essai ............................................................................................................ 4

6.2.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 4

6.2.2 Conditions environnementales ........................................................................................................................... 4

6.2.3 Source de rayonnement ............................................................................................................................................. 5

6.2.4 Système de préparation de faisceaux ............................................................................................................. 5

6.2.5 Goniomètre ........................................................................................................................................................................... 6

6.2.6 Système de détection ................................................................................................................................................... 6

6.2.7 Préparation de l’éprouvette ................................................................................................................................... 7

7 Procédure..................................................................................................................................................................................................................... 8

7.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 8

7.2 Procédure d’alignement .................................................................................................................................................................. 8

7.2.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 8

7.2.2 Alignement de l’instrument.................................................................................................................................... 8

7.2.3 Alignement de l’éprouvette .................................................................................................................................... 8

7.3 Étalonnage .................................................................................................................................................................................................. 8

7.3.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 8

7.3.2 Méthode 1 .............................................................................................................................................................................. 9

7.3.3 Méthode 2 ...........................................................................................................................................................................10

7.4 Procédure de mesurage ................................................................................................................................................................10

7.4.1 Sélection de la position de l’éprouvette ....................................................................................................11

7.4.2 Sélection des conditions d’éclairage ............................................................................................................12

7.4.3 Sélection de la plage de balayage angulaire ..........................................................................................12

7.4.4 Détermination de la DRA .......................................................................................................................................12

7.5 Considérations sur l’incertitude ...........................................................................................................................................12

8 Protocole de mesurage ................................................................................................................................................................................13

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................15

© ISO 2020 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/FDIS 19986:2020(F)
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

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/IEC, 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/IEC, Partie 2 (voir www

.iso .org/ directives).

L’attention est attirée 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 dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/ brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions

spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion

de l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: www .iso .org/ iso/ fr/ avant -propos.

Le présent document a été élaboré par le Comité technique ISO/TC 172, Optique et photonique, sous-

comité SC 9, Lasers et systèmes électro-optiques.

Il convient que tout retour d’information ou question sur le présent document soit adressé à l’organisme

national de normalisation de l’utilisateur. Une liste complète de ces organismes peut être consultée à

l’adresse www .iso .org/ fr/ members .html.
iv © ISO 2020 – Tous droits réservés
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ISO/FDIS 19986:2020(F)
Introduction

En 2004, les demandes croissantes de mesurages qualifiés de dispersion avec résolution angulaire

(DRA) émanant de l’industrie a mené à une note de discussion pour lancer des activités destinées à une

norme entièrement nouvelle relatives aux mesurages DRA d'éléments optiques dans SC 9/WG 6, et qui

a fait ultérieurement l’objet d’une nouvelle discussion en 2008. Cette nouvelle tentative a été pilotée, en

particulier, mais sans y être limitée, par le développement d'éléments optiques pour le domaine spectral

de l’ultraviolet profond, dans lequel les pertes par dispersion en raison d’imperfections de surface et

de matière entraînent des limitations critiques. Il a donc été décidé de soutenir le développement d’un

nouveau projet de travail.

Depuis lors, l’intérêt n’a cessé d’augmenter pour une procédure type, facile à appliquer dans la pratique,

englobant aussi bien des surfaces, des revêtements, des matériaux, des composants structurés, de

haute qualité, comme les réseaux de diffraction, que des éléments conformateurs de rayonnement, tels

que des tableaux interactifs et des diffuseurs, utilisés à des longueurs d’onde allant des régions UVE et

UVP aux régions spectrales IR.

Il existe deux normes qui décrivent des mesurages de dispersion avec résolution angulaire:

— ASTM E 2387-05(2011)
— SEMI ME 1392-1109

Un autre document associé est l’ISO 13696 qui décrit des procédures pour mesurer la Dispersion totale

(DT) des éléments optiques.

La dispersion du rayonnement causée par des imperfections d’éléments optiques peut affecter de

manière critique la performance des systèmes optiques. Un rayonnement dispersé en grands angles

correspond habituellement à une perte de puissance rayonnante, et donc à une réduction de la

production. Un rayonnement dispersé en petits angles peut conduire à une dégradation de l’image. La

connaissance de la distribution angulaire du rayonnement dispersé est donc essentielle pour évaluer la

qualité d’éléments optiques.

La présente norme décrit une méthode d’essais pour la quantité correspondante, la dispersion avec

résolution angulaire (DRA), qui est définie par l’intensité dispersée mesurée (puissance rayonnante

dispersée normalisée à une puissance rayonnante incidente et à un angle de détection solide) en

fonction des angles de dispersion.

Les données de dispersion avec résolution angulaire peuvent servir d’entrée aux calculs de rayonnement

parasite dans un logiciel de conception optique. D’autres informations, telles que la Dispersion totale

(définie dans l’ISO 13696) ou d’autres quantités de dispersion intégrées, peuvent être fournies à partir

de la dispersion avec résolution angulaire par simple intégration numérique. De plus, bien que non

abordée dans le présent document, l’analyse de la dispersion avec résolution angulaire peut donner

des informations sur les origines de la dispersion, telles que rugosité d'interface, particules, défauts,

dommages sub-superficiels, et inhomogénéités importantes.
© ISO 2020 – Tous droits réservés v
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PROJET FINAL DE NORME INTERNATIONALE ISO/FDIS 19986:2020(F)
Lasers et équipements associés aux lasers — Méthodes
d’essai pour déterminer la dispersion avec résolution
angulaire
1 Domaine d'application

Le présent document décrit les procédures de détermination de la dispersion avec résolution angulaire

par des éléments optiques, tels qu’éléments optiques revêtus ou non, structures photoniques et

matériaux pouvant être transparents, translucides ou opaques. Il traite de la dispersion dans la sphère

de dispersion autour de l’éprouvette, généralement séparée en hémisphères avant et arrière. Les

procédures s’appliquent à des longueurs d’onde de rayonnement s’échelonnant des domaines spectraux

de 5 nm dans l’ultraviolet extrême à 15 µm dans l’infrarouge.
2 Références normatives

Les documents suivants cités dans le texte constituent, pour tout ou partie de leur contenu, des

exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les

références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y compris les éventuels

amendements).

ISO 11145, Optique et photonique — Lasers et équipements associés aux lasers — Vocabulaire et symboles

ISO 14644-1:1999, Salles propres et environnements maîtrisés apparentés — Partie 1: Classification de la

propreté de l’air
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 11145 ainsi que les

suivants s'appliquent.

L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en

normalisation, consultables aux adresses suivantes:

— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https:// www .iso .org/ obp

— Electropedia IEC: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
3.1
rayonnement dispersé
fraction du rayonnement incident dévié du trajet optique spéculaire
[SOURCE: ISO 13696:2002, 3.1.1]
3.2
angle solide de détecteur
angle solide d’ouverture du détecteur par rapport à l’origine des coordonnées
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ISO/FDIS 19986:2020(F)
3.3
dispersion avec résolution angulaire
DRA

puissance rayonnante ΔP dispersée dans une direction (θ ,�φ ) par rapport à la puissance rayonnante

s s s
incidente P et à l’angle solide du détecteur ΔΩ (3.2):
i s
ΔP θφ,
ss s
f θφ, =
PΔΩ

Note 1 à l'article: La DRA peut être transformée en fonction de la distribution de la réflectance, de la transmission,

ou de la dispersion bidirectionnelle, FDRB, FDTD, ou FDDB ( f ) , respectivement, en divisant la DRA par cosθ :

r s
f θφ,
f ()θφ, =
rs s
cosθ

Note 2 à l'article: La dispersion totale définie dans l’ISO 13696 peut résulter de la DRA par intégration

numérique à l’intérieur des hémisphères de dispersion correspondantes. Pour l’incidence normale et la dispersion

de réflexion, l’intégrale est:
2π≥°85
σθ= f ,sφ inθθφdd
TS ss ss s
0 ≤°2 
3.4
étalon de réflectance diffuse
réflecteur diffus avec DRA (3.3) connue, de préférence Lambertienne
3.5
signature d’instrument

contribution intrinsèque à la DRA (3.3) mesurée, produite par l’instrument lui-même, généralement

estimée en mesurant la DRA (3.3) sans éprouvette
4 Symboles et abréviations
Dispersion avec résolution angulaire, DRA
ΔΩ angle solide de détecteur
ΔP puissance rayonnante dispersée
P puissance rayonnante incidente
angle de dispersion azimutal
θ angle d’incidence
θ angle de réflexion spéculaire
θ angle de dispersion polaire

1) Dans l’ISO 13696:2002, la dispersion de réflexion totale est actuellement décrite par TS. Cette description sera

modifiée dans la prochaine révision.
2 © ISO 2020 – Tous droits réservés
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ISO/FDIS 19986:2020(F)
5 Géométrie de dispersion

La géométrie de dispersion est définie en coordonnées sphériques par rapport à la normale à

l’éprouvette, tel que représenté à la Figure 1. L’origine des coordonnées se trouve, comme suit, au niveau

de l’éprouvette:

— pour mesurer la dispersion de réflexion, l’origine se trouve au niveau de la surface d’entrée.

— pour mesurer la dispersion de transmission, l’origine se trouve au niveau de la surface de sortie.

— pour les éprouvettes minces (éprouvette de petite épaisseur comparé au champ de vision du

détecteur), l’origine peut se trouver au niveau de la surface d’entrée ou de la surface de sortie.

— pour certaines applications, il peut être utile de placer l’origine à d’autres emplacements, par

exemple, dans l’éprouvette.
L’emplacement exact de l’origine doit être documenté.
Légende
1 éprouvette sous test θ angle d’incidence
2 faisceau incident θ angle de dispersion polaire
3 faisceau réfléchi spéculairement angle de dispersion azimutal
4 ΔΩ angle solide de détecteur
rayonnement dispersé à ()θφ,

NOTE L’angle de la réflexion spéculaire (θ ) est égal à l’angle d’incidence (θ ).

r i
Figure 1 — Géométrie de dispersion

La géométrie de dispersion est représentée à la Figure 1. L’angle de dispersion azimutal est nul pour les

mesurages à l’intérieur du plan incident contenant les faisceaux incidents et réfléchis spéculairement.

De plus, il convient de définir et de documenter un angle d’orientation de l’éprouvette. La direction

d’incidence et la normale à la surface définissent le plan incident.
6 Méthode d’essai
6.1 Principe

Le principe de fonctionnement fondamental de l’instrument pour les mesurages DRA (voir Figure 2)

repose sur la mesure de la puissance rayonnante dispersée provenant de l’éprouvette, en fonction

des angles de dispersion, en utilisant un détecteur doté d’une petite ouverture bien délimitée qui est

balayée le long d’une trajectoire définie sur, ou à l’intérieur de l’ensemble de la sphère de dispersion

autour de l’éprouvette. Le type de mesurage le plus simple est un balayage de détecteur avec le plan

d’incidence (balayage en plan).
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L’angle d’incidence est maintenu constant pendant un mesurage simple. La DRA est mesurée soit en

tournant le détecteur par rapport à l’éprouvette et au système d‘éclairage, soit le détecteur est fixé, et le

système d’éclairage ainsi que l’éprouvette sont tournés par rapport au détecteur.

6.2 Dispositif de mesurage et équipement d'essai
6.2.1 Généralités

Le fonctionnement de l’instrument servant à déterminer la DRA est divisée en quatre sections

fonctionnelles décrites en détail à la Figure 2.
Légende
1 source de rayonnement 8 éprouvette
2 hacheur (option) 9 décharge de faisceau
3 atténuateur variable (option) 10 ouverture d’entrée du détecteur
4 élément de focalisation 1 11 lentille de champ (option)
5 trou d’épingle 12 détecteur
6 élément de focalisation 2 13 séparateur de faisceaux (option)
7 déflecteurs (option) 14 détecteur de référence (option)
Figure 2 — Instrument de mesurages de DRA

Si des fluctuations ou des dérives de plus de 5 % de la puissance rayonnante sont prévues sur l’échelle

de temps comprenant l’étalonnage et les mesurages, un canal de référence supplémentaire doit

être implémenté dans la configuration représentée à la Figure 2. Il convient d’utiliser, à cet effet, la

réflexion d’un substrat super poli incliné d’un matériau transparent dans la région spectrale du laser

et placé avant le filtre spatial, ainsi qu’un détecteur approprié, de préférence, similaire au détecteur de

dispersion actuel.
6.2.2 Conditions environnementales

Il convient de placer l’instrument dans un environnement de salle propre ou sous un système à flux

laminaire pour éviter la dispersion émanant de particules de poussière. Certaines applications, en

particulier, dans la plage UV, exigent un fonctionnement en atmosphères gazeuses spécifiques ou sous

vide pour éviter l’absorption du rayonnement dans l’air ou pour supprimer la diffusion de Rayleigh

émanant des molécules d’air. Les conditions environnementales pendant les mesurages doivent être

documentées.
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6.2.3 Source de rayonnement

Une excellente qualité du faisceau et une puissance rayonnante incidente suffisamment élevée sont

essentielles pour les mesurages de DRA d’éléments optiques. Les lasers, les diodes laser ou les sources

en bande large ou étroite peuvent donc être utilisés comme sources de rayonnement. La source utilisée

doit être documentée.

La variation temporaire de la puissance rayonnante du rayonnement doit être mesurée et documentée.

Elle comprend les dérives à long terme et les fluctuations à court terme. Les dérives et fluctuations

inférieures à 5 % sont en dessous de l’incertitude globale de mesure, et sont acceptables. Il convient

de surveiller et, par suite, de tenir compte des dérives et fluctuations plus importantes. À cet effet, il

convient de mesurer un signal de référence à l’aide d’un séparateur de faisceaux et d’un détecteur de

référence.

Un atténuateur basé sur une combinaison de filtres de densité neutre ou d’autres moyens sert à ajuster

la puissance rayonnante incidente.
6.2.4 Système de préparation de faisceaux

Le système de préparation de faisceaux consiste en un filtre spatial permettant de générer un faisceau

propre et, si nécessaire, en des déflecteurs supplémentaires pour supprimer le rayonnement parasite

du système d’éclairage. Il convient que le profil du faisceau corresponde à une fonction gaussienne

symétrique en rotation. D’autres profils, par exemple, un profil “chapeau”, peuvent être également

utilisés, à condition que la signature de l’instrument, en particulier, aux angles de dispersion proches

des directions spéculaires, ne soit pas affectée.

Le dernier élément de focalisation obtient une image du trou d’épingle sur le plan de l’ouverture du

détecteur. À savoir que le faisceau réfléchi spéculairement ou transmis normalement doit être focalisé

sur l’ouverture du détecteur lorsque celui-ci voit cette direction et que l’éprouvette mesurée est en place.

Si le point focal du système d’éclairage se trouve au niveau de l’éprouvette, à l’infini (faisceau collimaté)

ou en toute autre position autre que le plan d’ouverture du détecteur, l’utilisateur doit vérifier,

documenter, et quantifier dans quelle mesure cela affecte la signature de l’instrument proche du

spéculaire, et la compatibilité avec les résultats obtenus par les mesurages de la dispersion totale selon

l’ISO 13696.

La distance focale du système de préparation du faisceau doit être réglable de manière à pouvoir

compenser la puissance de réfraction de l’éprouvette.

Les miroirs à surface uniforme sont préférés comme éléments optiques, car ils produisent généralement

moins de dispersion et permettent d’obtenir de meilleures signatures de l'instrument (réduites et

plus étroites). Idéalement, il convient que le DRA des mirroirs soit inférieur au DRA de l’éprouvette à

mesurer.

Si des miroirs sphériques sont utilisés, il convient que les angles d’incidence soient les plus petits

possibles pour réduire les aberrations qui pourraient affecter de manière critique la signature de

l’instrument dans les régions proches du spéculaire.

Le diamètre du faisceau sur l’éprouvette doit être documenté. Il doit être plus petit que le champ de

vision du détecteur à la position de l’éprouvette. Les diamètres types sont compris entre 0,4 mm et

10 mm. Le champ de vision doit être adapté au diamètre du faisceau.

NOTE Certaines applications exigent une focalisation sur l’éprouvette. Ainsi, des diamètres de faisceau

sensiblement plus petits jusqu’au micromètre peuvent être obtenus, mais la taille du faisceau le plus grand à la

position de l’ouverture du détecteur rend inaccessible la dispersion en petits angles à proximité des directions

spéculaires. La limite réelle proche de l’angle peut être évaluée en inspectant la signature de l’instrument.

Des pièges à faisceaux entourant l’instrument doivent être utilisés et positionnés pour absorber

l’ensemble des faisceaux réfléchis spéculairement et transmis normalement. Des pièges à faisceaux

supplémentaires pourraient être nécessaires pour absorber les crêtes de diffraction non spéculaires

des éprouvettes diffractives.
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6.2.5 Goniomètre
Un goniomètre sert généralement à mesurer la DRA.

Le goniomètre interne contient le support d’éprouvette et permet d’ajuster l’angle d’incidence. L’angle

d’incidence doit être documenté.

Le support d’éprouvette doit permettre son réglage dans les trois dimensions, ainsi que son inclinaison.

Les platines motorisées sont préférées pour réaliser des balayages automatiques de l’éprouvette, et des

cartes de dispersion.
Le bras du goniomètre externe porte le système de détection.

Les instruments à un degré de liberté permettent le balayage dans un plan - en général, le plan

d’incidence. Ces mesurages sont appelés «mesurages DRA dans le plan».

La plage d’angles de dispersion doit être documentée. Pour une valeur de coefficient constant, cela peut

être réalisé en indiquant les angles de dispersion minimal et maximal, ainsi que la valeur du coefficient.

Des instruments plus avancés permettent de balayer le détecteur à l’intérieur de la sphère ou le long

de trajets arbitraires autour de l’éprouvette. Les mesurages sont appelés, respectivement, «mesurages

DRA 3D» ou «mesurages DRA hors du plan».

La largeur de coefficient d’angles de dispersion doit être suffisamment petite pour que les angles solides

couverts par l’ouverture du détecteur, à deux positions de mesurage successives, se chevauchent d’au

moins 30 %.

La résolution mécanique des bras du goniomètre et la reproductibilité sont documentées, si nécessaire,

pour les mesurages généraux et les mesurages proches du spéculaire. La résolution mécanique doit être

adaptée à l’angle d’admission du détecteur et doit être de 0,1° ou supérieure.

Veuillez noter que la résolution mécanique ou la valeur du coefficient ne doit pas être confondue avec

la résolution angulaire réelle, en particulier, la capacité à séparer la dispersion de l’éprouvette des

faisceaux spéculaires aux petits angles de dispersion.

Des valeurs de coefficient plus grandes sans chevauchement entre les angles solides peuvent être

utilisées pour certaines applications. Le risque de non prise en compte de caractéristiques importantes

dans les données DRA et l’influence sur la fonction DRA, ainsi que sur les valeurs TS dérivées de la DRA

par intégration, doivent être prises en compte dans l’analyse de l’incertitude.

Il convient de réaliser les mesurages de DRA avec l’éprouvette et le faisceau d’éclairage fixés pendant

les balayages, de manière à réduire l’impact des erreurs d’alignement et à vérifier que les faisceaux

réfléchis spéculairement et transmis frappent les pièges à faisceaux à tout moment.

Une autre méthode pour mesurer la DRA repose sur la matrice de détecteur avec éléments de détection

séparés (pixels) pour détecter le rayonnement à différents angles de dispersion, plutôt que d’utiliser un

détecteur simple à balayage.
6.2.6 Système de détection

Le système de détection comprend une ouverture, le détecteur photosensible et des amplificateurs.

...

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