ISO 25178-602:2010
(Main)Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 602: Nominal characteristics of non-contact (confocal chromatic probe) instruments
Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 602: Nominal characteristics of non-contact (confocal chromatic probe) instruments
ISO 25178-602:2010 specifies the design and metrological characteristics of a particular non-contact instrument for measuring surface texture using a confocal chromatic probe based on axial chromatic dispersion of white light.
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface: Surfacique — Partie 602: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à capteur confocal chromatique)
L'ISO 25178-602:2010 spécifie la conception et les caractéristiques métrologiques d'un instrument particulier sans contact utilisé pour mesurer l'état de surface à l'aide d'un capteur confocal chromatique fonctionnant suivant le principe de la dispersion chromatique axiale de la lumière blanche.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 25178-602
First edition
2010-07-01
Geometrical product specifications
(GPS) — Surface texture: Areal —
Part 602:
Nominal characteristics of non-contact
(confocal chromatic probe) instruments
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface:
Surfacique —
Partie 602: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à
capteur confocal chromatique)
Reference number
ISO 25178-602:2010(E)
©
ISO 2010
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ISO 25178-602:2010(E)
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ISO 25178-602:2010(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction.v
1 Scope.1
2 Normative references.1
3 Terms and definitions .1
4 Summary of metrological characteristics.15
Annex A (normative) Classification of the different configurations for areal surface texture
scanning instrument .16
Annex B (informative) General principles .17
Annex C (normative) Concept diagrams .25
Annex D (informative) Relation to the GPS matrix .27
Bibliography.29
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ISO 25178-602:2010(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.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
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.
ISO 25178-602 was prepared by Technical Committee ISO/TC 213, Dimensional and geometrical product
specifications and verification.
ISO 25178 consists of the following parts, under the general title Geometrical product specifications (GPS) —
Surface texture: Areal:
⎯ Part 2: Terms, definitions and surface texture parameters
⎯ Part 3: Specification operators
⎯ Part 6: Classification of methods for measuring surface texture
⎯ Part 7: Software measurement standards
⎯ Part 601: Nominal characteristics of contact (stylus) instruments
⎯ Part 602: Nominal characteristics of non-contact (confocal chromatic probe) instruments
⎯ Part 603: Nominal characteristics of non-contact (phase-shifting interferometric microscopy) instruments
⎯ Part 701: Calibration and measurement standards for contact (stylus) instruments
The following parts are under preparation:
⎯ Part 604: Nominal characteristics of non-contact (coherence scanning interferometry) instruments
⎯ Part 605: Nominal characteristics of non-contact (point autofocusing) instruments
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ISO 25178-602:2010(E)
Introduction
This part of ISO 25178 is a geometrical product specification standard and is to be regarded as a general
GPS standard (see ISO/TR 14638). It influences chain link 5 of the chain of standards on roughness profile,
waviness profile and primary profile and areal surface texture.
For more detailed information on the relationship of this standard to the GPS matrix model, see Annex D.
The confocal chromatic optical principle can be implemented in various set-ups. The configuration described in
this document comprises three basic elements: an optoelectronic controller, a linking fibre optic cable and a
chromatic objective (sometimes called “optical pen”).
Several techniques are possible to create the axial chromatic dispersion or to extract the height information from
the reflected light. In addition to implementations as point sensors, chromatic dispersion may be integrated into
line sensors and field sensors. Annex B describes in detail confocal chromatic imaging and its implementation into
distance measurement probes.
This type of instrument is mainly designed for areal measurements, but it is also able to perform profile
measurements.
This part of ISO 25178 describes the metrological characteristics of an optical profiler using a confocal
chromatic probe based on axial chromatic dispersion of white light, designed for the measurement of areal
surface texture.
For more detailed information on the chromatic probe instrument technique, see Annex B. Reading this annex
before the main body may lead to a better understanding of this part of ISO 25178.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 25178-602:2010(E)
Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture:
Areal —
Part 602:
Nominal characteristics of non-contact (confocal chromatic
probe) instruments
1 Scope
This part of ISO 25178 defines the design and metrological characteristics of a particular non-contact
instrument for measuring surface texture using a confocal chromatic probe based on axial chromatic
dispersion of white light.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application 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 3274:1996, Geometrical Product Specifications (GPS) — Surface texture: Profile method — Nominal
characteristics of contact (stylus) instruments
ISO 4287, Geometrical Product Specifications (GPS) — Surface texture: Profile method — Terms, definitions
and surface texture parameters
ISO 10360-1, Geometrical Product Specifications (GPS) — Acceptance and reverification tests for coordinate
measuring machines (CMM) — Part 1: Vocabulary
ISO/IEC Guide 99:2007, International vocabulary of metrology — Basic and general concepts and associated
terms (VIM)
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 3274, ISO 4287, ISO 10360-1,
ISO/IEC Guide 99 and the following apply.
NOTE Several of the terms given below are common to other types of instruments that use single point sensors and
lateral scanning.
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ISO 25178-602:2010(E)
3.1 General terms and definitions
3.1.1
coordinate system of the instrument
orthonormal system of axes (X,Y,Z) defined as:
⎯ (X,Y) is the plane established by the areal reference guide of the instrument;
⎯ the Z axis is mounted parallel to the optical axis and is perpendicular to the (X,Y) plane
NOTE Normally, the X-axis is the tracing axis and the Y-axis is the stepping axis.
3.1.2
measurement loop
closed chain which comprises all components connecting the workpiece and the chromatic probe (3.3.2), e.g.
the means of positioning, the workholding fixture, the measuring stand, the drive unit (3.2.3 and 3.2.4) and
the probing system (3.3.1)
See Figure 1.
NOTE The measuring loop will be subjected to external and internal disturbances which influence the measurement
uncertainty.
Key
1 coordinate system of the instrument
2 measurement loop
Figure 1 — Coordinate system and measurement loop of the instrument
3.1.3
real surface of a workpiece
set of features which physically exist and separate the entire workpiece from the surrounding medium
[ISO 14660-1:1999, definition 2.4]
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ISO 25178-602:2010(E)
3.1.4
real electro-magnetic surface
surface obtained by the electro-magnetic interaction with the real surface of a work piece
1)
[ISO 14406:— , definition 3.2.2]
NOTE The real electro-magnetic surface considered for the instrument described in this part of ISO 25178 may be
different from the real electro-magnetic surface for other types of optical instruments.
3.1.5
primary extracted surface
finite set of data points sampled from the primary surface
1)
[ISO 14406:— , definition 3.7]
3.1.6
measurement error
error of measurement
error
measured quantity value minus a reference quantity value
NOTE 1 The concept of “measurement error” can be used both
a) when there is a single reference quantity value to refer to, which occurs if a calibration is made by means of a
measurement standard with a measured quantity value having a negligible measurement uncertainty or if a
conventional quantity value is given, in which case the measurement error is known, and
b) if a measurand is supposed to be represented by a unique true quantity value or a set of true quantity values of
negligible range, in which case the measurement error is not known.
NOTE 2 Measurement error should not be confused with production error or mistake.
[ISO/IEC Guide 99:2007, definition 2.16]
3.1.7
systematic measurement error
systematic error of measurement
systematic error
component of measurement error (3.1.6) that in replicate measurements remains constant or varies in a
predictable manner
NOTE 1 A reference quantity value for a systematic measurement error is a true quantity value, or a measured quantity
value of a measurement standard of negligible measurement uncertainty, or a conventional quantity value.
NOTE 2 Systematic measurement error, and its causes, can be known or unknown. A correction (3.1.11) can be
applied to compensate for a known systematic measurement error.
NOTE 3 Systematic measurement error equals measurement error minus random measurement error (3.1.8).
[ISO/IEC Guide 99:2007, definition 2.17]
3.1.8
random measurement error
random error of measurement
random error
component of measurement error (3.1.6) that in replicate measurements varies in an unpredictable manner
1) To be published.
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ISO 25178-602:2010(E)
NOTE 1 A reference quantity value for a random measurement error is the average that would ensue from an infinite
number of replicate measurements of the same measurand.
NOTE 2 Random measurement errors of a set of replicate measurements form a distribution that can be summarized
by its expectation, which is generally assumed to be zero, and its variance.
NOTE 3 Random measurement error equals measurement error minus systematic measurement error (3.1.7).
[ISO/IEC Guide 99:2007, definition 2.19]
3.1.9
adjustment of a measuring instrument
adjustment
set of operations carried out on a measuring system so that it provides prescribed indications corresponding
to given values of a quantity to be measured
NOTE 1 Types of adjustment of a measuring system include zero adjustment of a measuring system, offset adjustment,
and span adjustment (sometimes called gain adjustment).
NOTE 2 Adjustment of a measuring system should not be confused with calibration, which is a prerequisite for
adjustment.
NOTE 3 After an adjustment of a measuring system, the measuring system must usually be recalibrated.
[ISO/IEC Guide 99:2007, definition 3.11]
NOTE 4 This is an operation normally carried out by the instrument manufacturer because it requires specialized
equipment and knowledge that users normally do not have.
3.1.10
user adjustment
〈measuring instrument〉 adjustment of a measuring instrument (3.1.9) employing only the means at the
disposal of the user
NOTE This is an operation normally carried out by the user. It involves the use of a measurement standard, usually
supplied with the instrument. The result of this operation automatically or manually adjusts certain parameters in order for
the instrument to operate correctly.
3.1.11
correction
compensation for an estimated systematic effect
NOTE 1 See ISO/IEC Guide 98-3:2008, definition 3.2.3, for an explanation of “systematic effect”.
NOTE 2 The compensation can take different forms, such as an addend or a factor, or can be deduced from a table.
[ISO/IEC Guide 99:2007, definition 2.53]
3.1.12
residual correction error
difference between the value of a quantity obtained after correcting the systematic measurement error
(3.1.7) and the real value of this quantity
NOTE The residual error is composed of random errors (3.1.8) and uncorrected systematic errors.
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3.2 Terms and definitions relative to the lateral scanning system
3.2.1
lateral scanning system
system that performs the scanning of the surface to be measured in the (X,Y) plane
NOTE Typically, the lateral scanning system is composed of the drive unit X (3.2.3) and the drive unit Y (3.2.4).
3.2.2
areal reference guide
component of the instrument that generates the reference surface in which the probing system (3.3.1) moves
relative to the surface being measured according to a theoretically exact trajectory
NOTE In the case of areal surface texture measurement instruments, the reference guide establishes a reference
surface (see ISO 25178-2). It can be achieved through the use of two perpendicular reference guides (see ISO 3274:1996,
3.3.2) or one reference surface guide.
3.2.3
drive unit X
component of the instrument that moves the probing system (3.3.1) or the surface being measured along the
reference guide on the X-axis and returns the horizontal position of the measured point in terms of lateral X
coordinate of the profile
3.2.4
drive unit Y
component of the instrument that moves the probing system or the surface being measured along the
reference guide on the Y-axis and returns the horizontal position of the measured point in terms of lateral Y
coordinate of the profile
3.2.5
lateral position sensor
component of the drive unit that provides the lateral position of the measured point
NOTE The lateral position can be measured or inferred by using, for example, a linear encoder, a laser
interferometer, or a counting device coupled with a micrometer screw.
3.3 Terms and definitions relative to the probing system
3.3.1
probing system
〈surface texture, confocal chromatic probe〉 components of the instrument called confocal chromatic probe,
consisting of an optoelectronic controller, a fibre optic cable and a confocal chromatic objective
3.3.2
chromatic probe
device that converts the height of a point on the surface into a signal during measurement, using the confocal
chromatic dispersion of a white light source
NOTE Chromatic dispersion can be realized by using various optic configurations (see Annex B).
3.3.3
angular aperture
angle of the cone of light entering an optical system from a point on the surface being measured
3.3.4
half aperture angle
α
one half of the angular aperture (3.3.3)
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ISO 25178-602:2010(E)
See Figure 2.
NOTE This angle is sometimes also called the half cone angle.
Key
L lens or optical system
P focal point
α half aperture angle
Figure 2 — Half aperture angle
3.3.5
numerical aperture
A
N
sine of the half aperture angle (3.3.4) multiplied by the refractive index n of the surrounding medium
An= sinα
N
NOTE 1 In air, n approximately equals 1 and can be omitted from the equation.
NOTE 2 For a chromatic probe (3.3.2), the numerical aperture is dependent on the wavelength of light. Typically the
numerical aperture is specified for the wavelength focused at the middle of the vertical range (3.3.14).
3.3.6
confocal chromatic microscopy
surface topography measurement method consisting of a confocal microscope with chromatic objective
integrated with a detection device (e.g. spectrometer) whereby the surface height at a single point is sensed
by the wavelength of light reflected from the surface
[ISO 25178-6:2010, 3.3.7]
3.3.7
achromatic objective
objective that produces a single focus for all wavelengths of the transmitted light
3.3.8
objective with axial chromatic dispersion
objective that produces a different focus along its optical axis for each wavelength of the transmitted light
3.3.9
light source
〈chromatic probe〉 source of light containing a continuum of wavelengths in a predefined spectral region
NOTE 1 The spectral region emitted by the source should be compatible with the spectral bandwidth of the detector.
NOTE 2 Typically, this spectral region extends from wavelength values of 0,4 µm to 0,8 µm.
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ISO 25178-602:2010(E)
3.3.10
light source pinhole
small hole placed following the light source (3.3.9), transforming the light source into a point light source
NOTE See notes in 3.3.11.
3.3.11
discrimination pinhole
small hole placed in front of the detector, providing depth discrimination on a beam reflected from the sample
surface by blocking defocused light
NOTE 1 The system contains two pinholes: the first one is the light source pinhole (3.3.10). It defines a small spot of
light that acts as the point light source for the instrument. The second one is the discrimination pinhole. It limits the
transmitted beam to the part that is in focus on the sample surface and is reflected by it along the optical axis (see
Figure B.1).
NOTE 2 In practice, the pinholes are obtained by using a fibre optic which provides spatial discrimination and allows
the optical head to be used away from the optoelectronic controller.
3.3.12
chromatic depth of field
distance between the focal point of the shortest wavelength and the focal point of the longest wavelength of
the spectral continuum emitted by the source
NOTE This definition differs from the typical definition for depth of field used in other optical systems, such as a
conventional microscope.
3.3.13
working distance
〈chromatic probe〉 distance measured along the optical axis between the element closest to the surface and
the point on the surface located in the middle of the vertical range (3.3.14)
3.3.14
vertical range
〈chromatic probe〉 distance measured between the focal point of the shortest wavelength and the focal point of
the longest wavelength detected on the spectrometer
NOTE The vertical range depends on the chromatic depth of field (3.3.12) and on the spectral range of the
spectrometer.
3.3.15
optical pen
part of a chromatic probe (3.3.2) containing the chromatic lens and located close to the surface during the
measurement
3.3.16
stray light signal
signal composed of the stray light entering the discrimination pinhole (3.3.11), sensed by the detector when
no sample is present, and the internal signal produced by the detector itself
NOTE The stray light signal is generally captured during a calibration procedure in order to correct the
measurements.
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ISO 25178-602:2010(E)
3.4 Metrological characteristics of the instrument
3.4.1
metrological characteristic
MC
〈measuring equipment〉 characteristic of measuring equipment, which may influence the result of
measurement
[ISO 14978:2006, definition 3.12]
NOTE 1 Calibration of metrological characteristics may be necessary.
NOTE 2 The metrological characteristics have an immediate contribution to measurement uncertainty.
3.4.2
measuring volume
range of the instrument stated as simultaneous limits on all spatial coordinates measured by the instrument
NOTE For areal surface texture measuring instruments, the measuring volume is defined by
⎯ the measuring range of the drive unit X (3.2.3) and the drive unit Y (3.2.4),
⎯ the measuring range of the probing system (3.3.1).
3.4.3
hysteresis
property of measuring equipment, or a characteristic whereby the indication of the equipment or value of the
characteristic depends on the orientation of the preceding stimuli
NOTE 1 Hysteresis can also depend, for example, on the distance travelled after the orientation of stimuli has changed.
[ISO 14978:2006, definition 3.24]
NOTE 2 For lateral scanning systems, the hysteresis is mainly a repositioning error.
3.4.4
response curve
F , F , F
x y z
graphical representation of the function that describes the relation between the actual quantity and the
measured quantity
See Figure 3.
NOTE 1 An actual quantity in X (respectively Y or Z) corresponds to a measured quantity x (respectively y or z ).
m m m
NOTE 2 The response curve can be used for adjustments and error corrections.
3.4.5
amplification coefficient
α , α , α
x y z
slope of the linear regression curve obtained from the response curve
See Figure 4.
NOTE 1 There will be amplification coefficients applicable to the X, Y and Z quantities.
NOTE 2 The ideal response is a straight line with a slope equal to 1 which means that the values of the measurand are
equal to the values of the input quantities.
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ISO 25178-602:2010(E)
Key
1 response curve 3 measured quantities
2 assessment of the response curve by polynomial approximation 4 input quantities
Figure 3 — Example of a non-linear response curve
Key
1 measured quantities 4 linearized response curve
2 input quantities 5 straight line whose slope is the amplification coefficient α
3 ideal response curve 6 local residual correction error before adjustment
Figure 4 — Example of the linearization of a response curve
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ISO 25178-602:2010(E)
3.4.6
instrument noise
internal noise added to the output signal caused by the instrument if ideally placed in a noise-free environment
NOTE 1 Internal noise can be caused by the electronic noise such as amplifiers.
NOTE 2 This noise typically has high frequencies which limit the ability of the instrument to detect small scale surface
texture.
NOTE 3 The S-filter specified in ISO 25178-3 can reduce this noise.
3.4.7
static noise
N
s
combination of the instrument and environmental noise on the output signal when the instrument is not
scanning laterally
NOTE 1 Environmental noise is caused by, e.g., seismic, sonic and external electro-magnetic disturbances.
NOTE 2 Notes 2 and 3 of 3.4.6 also apply to this definition.
3.4.8
dynamic noise
N
d
noise occurring during the motion of the drive units on the output signal
NOTE 1 Notes 2 and 3 of 3.4.6 also apply to this definition.
NOTE 2 Dynamic noise includes the static noise (3.4.7).
3.4.9
sampling interval in X
D
x
distance between two adjacent measured points along the X-axis
3.4.10
sampling interval in Y
D
y
distance between two adjacent measured points along the Y-axis
3.4.11
digitization step in Z
D
z
smallest height variation along the Z-axis between two ordinates of the extracted surface
NOTE 1 The height of a point is evaluated by searching for the position of the maximum peak on the spectrometer
curve. Although the lateral resolution of the spectrometer is relatively small (small number of pixels), the digitization step in
Z of the chromatic probe (3.3.2) is improved with the use of sub-pixel algorithms.
NOTE 2 Several algorithms may be used to detect the position of the maximum peak. The most likely ones are given in
Table 1.
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ISO 25178-602:2010(E)
Table 1 — Efficiency of detection algorithms
Algorithm Accuracy Speed
Simple detection of the pixel position of Poor High
maximum intensity
Fitting of a known curve (Gaussian, Good Low
Pearson, etc.)
Barycentre of the peak Good High
3.4.12
lateral resolution
R
l
smallest distance between two features which can be detected separately
3.4.13
width limit for full height transmission
W
l
width of the narrowest rectangular groove whose measured height remains unchanged by the measurement
EXAMPLE 1 Measuring a grid for which the width of the grooves, t, is greater than the width limit for full height
transmission, W , leads to a correct measurement of the groove depth (see Figures 5 and 6).
l
EXAMPLE 2 Measuring a grid for which the width of the grooves, t, is smaller than the width limit for full height
transmission, W, leads to an incorrect groove depth (see Figures 7 and 8). In this situation, the signal is generally
l
disturbed and may contain non-measured points.
NOTE Metrological characteristics including
⎯ the sampling interval in X and Y,
⎯ the digitization step in Z, and
⎯ the filter used
should be adapted in such a way that they do not influence the lateral resolution and the width limit of full height
transmission.
Figure 5 — Grid with horizontal spacing
NOTE The spacing and depth of the grid are measured correctly.
Figure 6 — Measurement of the grid
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ISO 25178-602:2010(E)
Figure 7 — Grid with horizontal spacing
NOTE The spacing is measured correctly but the depth is smaller (d′ < d).
Figure 8 — Measurement of the grid
3.4.14
maximum acceptable local slope
greatest local slope of a surface feature that can be assessed by the probing system
EXAMPLE 1 On a tilted mirror (specular reflection), the maximum slope is about equal to the half aperture angle of the
lens (see Figures 9 and 10). If the tilt angle exceeds this angle, the light reflected by the surface will not be collected by
the lens.
In Figure 9, R is a ray of light reflected towards the detector. R is a ray of light reflected outside the lens. Only part of the
1 2
illumination rays will be reflected towards the detector, leading to a lower signal level compared to the reflection on a
non-tilted mirror. When the tilt angle approaches the half aperture angle, the signal approaches to zero (Figure 9).
When the plane mirror is tilted at an angle greater than the half aperture angle α, all illumination rays will be reflected
outside the lens (see Figure 10).
EXAMPLE 2 On a rough surface (diffuse reflection), the maximum slope is larger than the half aperture angle α. The
angular distribution of the scattered light depends on the roughness and local slopes of the facets inside the spot size. The
larger the roughness, the more light will be scattered at larger angles
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 25178-602
Première édition
2010-07-01
Spécification géométrique des produits
(GPS) — État de surface: Surfacique —
Partie 602:
Caractéristiques nominales des
instruments sans contact (à capteur
confocal chromatique)
Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal —
Part 602: Nominal characteristics of non-contact (confocal chromatic
probe) instruments
Numéro de référence
ISO 25178-602:2010(F)
©
ISO 2010
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ISO 25178-602:2010(F)
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ISO 25178-602:2010(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction.v
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .1
4 Résumé des caractéristiques métrologiques.15
Annexe A (normative) Classification des différentes configurations pour les instruments de
mesure de l'état de surface surfacique par scanning sans contact .16
Annexe B (informative) Principes généraux.17
Annexe C (informative) Schémas de concept.26
Annexe D (informative) Relation avec la matrice GPS .28
Bibliographie.30
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Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 25178-602 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 213, Spécifications et vérification
dimensionnelles et géométriques des produits.
L'ISO 25178 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Spécification géométrique des
produits (GPS) — État de surface: Surfacique:
⎯ Partie 2: Termes, définitions et paramètres d'états de surface
⎯ Partie 3: Opérateurs de spécification
⎯ Partie 6: Classification des méthodes de mesurage de l'état de surface
⎯ Partie 7: Étalons logiciels
⎯ Partie 601: Caractéristiques nominales des instruments à contact (à palpeur)
⎯ Partie 602: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à capteur confocal chromatique)
⎯ Partie 603: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (microscopes interférométriques à
glissement de franges)
⎯ Partie 701: Étalonnage et étalons de mesure pour les instruments à contact (à palpeur)
Les parties suivantes sont en cours d'élaboration:
⎯ Partie 604: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (interférométrie par balayage à
cohérence)
⎯ Partie 605: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à point de focalisation
automatique)
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Introduction
La présente partie de l'ISO 25178 est une norme traitant de la spécification géométrique des produits (GPS)
et est à considérer comme une norme GPS générale (voir l'ISO/TR 14638). Elle influence le maillon 5 de la
chaîne de normes concernant le profil de rugosité, le profil d'ondulation, le profil primaire et l'état de surface
surfacique.
Pour de plus amples informations sur la relation de la présente norme avec la matrice GPS, voir l'Annexe D.
Le principe optique de mesure confocale chromatique peut être mis en œuvre de diverses manières. La
configuration décrite dans la présente partie de l'ISO 25178 comprend trois éléments de base: un contrôleur
optoélectronique, un câble de liaison en fibre optique et un objectif chromatique (parfois appelé «crayon optique»).
Plusieurs techniques peuvent servir à créer la dispersion chromatique axiale ou à extraire l'information de la
hauteur à partir de la lumière réfléchie. En plus d'être mise en œuvre sous forme de capteurs ponctuels, la
dispersion chromatique peut être intégrée dans des barrettes et des matrices. L'Annexe B décrit en détail
l'imagerie confocale chromatique et sa mise en œuvre dans les capteurs de mesure de distance.
Ce type d'instrument est principalement conçu pour les mesurages surfaciques, mais il est également capable
d'effectuer des mesurages de profil.
La présente partie de l'ISO 25178 décrit les caractéristiques métrologiques d'un profilomètre optique utilisant
un capteur confocal chromatique basé sur la dispersion chromatique axiale de la lumière blanche, conçu pour
le mesurage de l'état de surface surfacique.
Pour de plus amples informations sur l'aspect technique des instruments à capteur chromatique, voir
l'Annexe B. La consultation de cette annexe avant la lecture du corps principal peut aider à comprendre la
présente partie de l'ISO 25178.
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NORME INTERNATIONALE ISO 25178-602:2010(F)
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de
surface: Surfacique —
Partie 602:
Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à
capteur confocal chromatique)
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 25178 spécifie la conception et les caractéristiques métrologiques d'un instrument
particulier sans contact utilisé pour mesurer l'état de surface à l'aide d'un capteur confocal chromatique
fonctionnant suivant le principe de la dispersion chromatique axiale de la lumière blanche.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application 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 3274:1996, Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface: Méthode du profil —
Caractéristiques nominales des appareils à contact (palpeur)
ISO 4287, Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface: Méthode du profil — Termes,
définitions et paramètres d'état de surface
ISO 10360-1, Spécification géométrique des produits (GPS) — Essais de réception et de vérification
périodique des machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) — Partie 1: Vocabulaire
Guide ISO/CEI 99:2007, Vocabulaire international de métrologie — Concepts fondamentaux et généraux et
termes associés (VIM)
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 3274, l'ISO 4287,
l'ISO 10360-1 et le Guide ISO/CEI 99 ainsi que les suivants s'appliquent.
NOTE Plusieurs des termes donnés ci-dessous sont communs à d'autres types d'instruments utilisant des capteurs
ponctuels et un scanning latéral.
3.1 Termes généraux et définitions
3.1.1
système de coordonnées de l'instrument
système d'axes (X, Y, Z) orthonormé défini par:
⎯ (X, Y) est le plan constitué par le guide surfacique de référence de l'instrument;
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⎯ l'axe Z est parallèle à l'axe optique et perpendiculaire au plan (X, Y)
NOTE Normalement, l'axe X est l'axe d'avance et l'axe Y celui de déplacement entre chaque profil.
3.1.2
boucle de mesure
chaîne fermée comprenant tous les composants connectant la pièce et le capteur chromatique (3.3.2), par
exemple le matériel de positionnement, le dispositif de serrage de la pièce, la table de mesure, les unités
d'avance (3.2.3) et de déplacement (3.2.4) et le système de palpage (3.3.1)
Voir la Figure 1.
NOTE La boucle de mesure est soumise à des perturbations extérieures et intérieures qui influenceront l'incertitude
de mesure.
Légende
1 système de coordonnées de l'instrument
2 boucle de mesure
Figure 1 — Système de coordonnées et boucle de mesure de l'instrument
3.1.3
surface réelle d'une pièce
ensemble des éléments qui existent physiquement et séparent la totalité de la pièce de son environnement
[ISO 14660-1:1999, définition 2.4]
3.1.4
surface électromagnétique réelle
surface obtenue par l'interaction électromagnétique avec la surface réelle d'une pièce
1)
[ISO 14660:— , définition 3.2.2]
NOTE La surface électromagnétique réelle considérée pour l'instrument décrit dans la présente partie de l'ISO 25178
peut être différente de la surface électromagnétique réelle pour d'autres types d'instruments optiques.
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3.1.5
surface primaire extraite
série finie de points de données échantillonnés sur la surface primaire
1)
[ISO 14406:— , définition 3.7]
3.1.6
erreur de mesure
erreur
différence entre la valeur mesurée d'une grandeur et une valeur de référence
NOTE 1 Le concept d'erreur peut être utilisé
a) lorsqu'il existe une valeur de référence unique à laquelle se rapporter, ce qui a lieu si on effectue un étalonnage au
moyen d'un étalon dont la valeur mesurée a une incertitude de mesure négligeable ou si on prend une valeur
conventionnelle, l'erreur étant alors connue,
b) si on suppose le mesurande représenté par une valeur vraie unique ou un ensemble de valeurs vraies d'étendue
négligeable, l'erreur étant alors inconnue.
NOTE 2 Il convient de ne pas confondre l'erreur de mesure avec une erreur de production ou une erreur humaine.
[Guide ISO/CEI 99:2007, définition 2.16]
3.1.7
erreur systématique
composante de l'erreur de mesure (3.1.6) qui, dans des mesurages répétés, demeure constante ou varie de
manière prévisible
NOTE 1 La valeur de référence pour une erreur systématique est une valeur vraie, une valeur mesurée d'un étalon
dont l'incertitude de mesure est négligeable, ou une valeur conventionnelle.
NOTE 2 L'erreur systématique et ses causes peuvent être connues ou inconnues. On peut appliquer une correction
(3.1.11) pour compenser une erreur systématique connue.
NOTE 3 L'erreur systématique est égale à la différence entre l'erreur de mesure et l'erreur aléatoire (3.1.8).
[Guide ISO/CEI 99:2007, définition 2.17]
3.1.8
erreur aléatoire
composante de l'erreur de mesure (3.1.6) qui, dans les mesurages répétés, varie de manière imprévisible
NOTE 1 La valeur de référence pour une erreur aléatoire est la moyenne qui résulterait d'un nombre infini de
mesurages répétés du même mesurande.
NOTE 2 Les erreurs aléatoires d'un ensemble de mesurages répétés forment une distribution qui peut être résumée
par son espérance mathématique, généralement supposée nulle, et par sa variance.
NOTE 3 L'erreur aléatoire est égale à la différence entre l'erreur de mesure et l'erreur systématique (3.1.7).
[Guide ISO/CEI 99:2007, définition 2.19]
3.1.9
ajustage d'un système de mesure
ajustage
ensemble d'opérations réalisées sur un système de mesure pour qu'il fournisse des indications prescrites
correspondant à des valeurs données des grandeurs à mesurer
1) À publier.
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NOTE 1 Divers types d'ajustage d'un système de mesure sont le réglage de zéro, le réglage de décalage, le réglage
d'étendue (appelé aussi réglage de gain).
NOTE 2 Il convient de ne pas confondre l'ajustage d'un système de mesure avec son étalonnage, qui est un préalable
à l'ajustage.
NOTE 3 Après un ajustage d'un système de mesure, le système demande généralement à être réétalonné.
[Guide ISO/CEI 99:2007, définition 3.11]
NOTE 4 L'ajustage est une opération qui est généralement effectuée par le fabricant parce qu'elle exige un
équipement spécialisé et une connaissance que les utilisateurs n'ont généralement pas.
3.1.10
réglage
〈instrument de mesure〉 ajustage d'un système de mesure (3.1.9) utilisant uniquement les moyens mis à la
disposition de l'utilisateur
NOTE Cette opération est normalement réalisée par l'utilisateur. Elle implique l'utilisation d'un étalon de mesure,
généralement fourni avec l'instrument. Cette opération a pour résultat le réglage automatique ou manuel de certains
paramètres afin que l'instrument fonctionne correctement.
3.1.11
correction
compensation d'un effet systématique connu
NOTE 1 Voir le Guide ISO/CEI 98-3:2008, 3.2.3, pour une explication du concept d'effet systématique.
NOTE 2 La modification peut prendre différentes formes, telles que l'addition d'une valeur ou la multiplication par un
facteur, ou peut se déduire d'une table.
[Guide ISO/CEI 99:2007, définition 2.53]
3.1.12
erreur résiduelle de correction
différence entre la valeur d'une grandeur obtenue après correction de l'erreur systématique (3.1.7) et la
valeur réelle de cette grandeur
NOTE L'erreur résiduelle de correction est composée d'erreurs aléatoires (3.1.8) et d'erreurs systématiques non
corrigées.
3.2 Termes et définitions en rapport avec le système de scanning latéral
3.2.1
système de scanning latéral
système réalisant le balayage de la surface à mesurer dans le plan (X,Y)
NOTE En général, le système de scanning latéral est composé de l'unité d'avance (3.2.3) et de l'unité à
déplacement transversal (3.2.4).
3.2.2
référence de guidage surfacique
composant de l'instrument générant la surface de référence, sur laquelle le système de palpage (3.3.1) se
déplace suivant une trajectoire théoriquement exacte par rapport à la surface mesurée
NOTE Dans le cas d'instruments de mesure de l'état de surface surfacique, la référence de guidage fournit une
surface de référence (voir l'ISO 25178-2). Elle peut être obtenue en utilisant deux références de guidage perpendiculaires
(voir l'ISO 3274:1996, 3.3.2) ou une référence de guidage surfacique.
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3.2.3
unité d'avance
composant de l'instrument déplaçant le système de palpage (3.3.1) ou la surface mesurée suivant la
référence de guidage de l'axe X et fournissant la composante suivant X du spot mesuré pour le profil
3.2.4
unité à déplacement transversal
composant de l'instrument déplaçant le système de palpage (3.3.1) ou la surface mesurée suivant la
référence de guidage de l'axe Y et fournissant la composante suivant Y du spot mesuré pour le profil
3.2.5
capteur de position latérale
composant des unités d'avance et de déplacement fournissant la position latérale du spot mesuré
NOTE La position latérale peut être mesurée ou déduite à l'aide, par exemple, d'un encodeur linéaire, d'un
interféromètre laser ou d'un dispositif de comptage associé à une vis micrométrique.
3.3 Termes et définitions en rapport avec le système de palpage
3.3.1
système de palpage
〈état de surface, capteur confocal chromatique〉 ensemble de composants de l'instrument appelé capteur
confocal chromatique, consistant en un contrôleur optoélectronique, un câble en fibre optique et un objectif
confocal chromatique
3.3.2
capteur chromatique
dispositif convertissant la hauteur d'un spot de la surface en un signal pendant le mesurage, à l'aide de la
dispersion confocale chromatique d'une source de lumière blanche
NOTE La dispersion chromatique peut être réalisée en utilisant diverses configurations optiques (voir Annexe B).
3.3.3
angle d'ouverture
angle du cône de lumière pénétrant un système optique depuis un spot de la surface mesurée
3.3.4
demi-angle d'ouverture
α
moitié de l'angle d'ouverture (3.3.3)
Voir Figure 2.
NOTE Cet angle est aussi parfois appelé demi-angle du cône.
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Légende
L lentille ou système optique
P spot focal
α demi-angle d'ouverture
Figure 2 — Demi-angle d'ouverture
3.3.5
ouverture numérique
A
N
〈système optique〉 sinus du demi-angle d'ouverture (3.3.4) multiplié par l'indice de réfraction, n, du milieu
ambiant
An= sin(α)
N
NOTE 1 Dans l'air, n vaut environ 1 et peut être omis dans cette équation.
NOTE 2 Pour un capteur chromatique (3.3.2), l'ouverture numérique dépend de la longueur d'onde de la lumière. En
général, l'ouverture numérique est spécifiée pour la longueur d'onde focalisée au milieu de l'étendue verticale (3.3.14).
3.3.6
microscopie confocale chromatique
méthode de mesure de la topographie des surfaces, consistant en un microscope confocal avec objectif
chromatique intégré à un dispositif de détection (par exemple un spectromètre), par laquelle la hauteur de la
surface en un point unique est mesurée grâce à la longueur d'onde lumineuse réfléchie par la surface
[ISO 25178-6:2010, définition 3.3.7]
3.3.7
objectif achromatique
objectif produisant une focalisation unique pour toutes les longueurs d'onde de la lumière transmise
3.3.8
objectif à dispersion chromatique axiale
objectif produisant une focalisation différente suivant son axe optique pour chaque longueur d'onde de la
lumière transmise
3.3.9
source lumineuse
〈capteur chromatique〉 une source de lumière contenant un continuum de longueurs d'onde dans une région
spectrale prédéfinie
NOTE 1 La région spectrale émise par la source est choisie de sorte à être compatible avec la bande passante
spectrale du détecteur.
NOTE 2 Cette région spectrale s'étend généralement sur des valeurs de longueurs d'onde allant de 0,4 µm à 0,8 µm.
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3.3.10
sténopé de la source lumineuse
petit trou placé juste après la source lumineuse (3.3.9), transformant la source lumineuse en une source
lumineuse ponctuelle
NOTE Voir les Notes en 3.3.11.
3.3.11
sténopé de discrimination
petit trou placé devant le détecteur, fournissant une discrimination de profondeur sur un faisceau réfléchi par
la surface de l'échantillon en bloquant la lumière défocalisée
NOTE 1 Le système comporte deux sténopés: le premier est le sténopé de la source lumineuse (3.3.10), qui définit
un petit point de lumière jouant le rôle de source de lumière ponctuelle de l'instrument. Le second est le sténopé de
discrimination. Il limite le faisceau transmis à la partie qui est focalisée sur la surface de l'échantillon et réfléchie par
celle-ci suivant l'axe optique (voir la Figure B.1).
NOTE 2 En pratique, les sténopés sont obtenus à l'aide d'une fibre optique fournissant une discrimination spatiale et
permettant d'utiliser la tête optique loin du contrôleur optoélectronique.
3.3.12
profondeur de champ chromatique
distance entre le spot focal de la longueur d'onde la plus courte et le spot focal de la longueur d'onde la plus
longue du continuum spectral émis par la source
NOTE Cette définition est différente de la définition générale de la profondeur de champ utilisée pour d'autres
systèmes optiques, tels qu'un microscope conventionnel.
3.3.13
distance de travail
〈capteur chromatique〉 distance, mesurée suivant l'axe optique, entre l'élément le plus proche de la surface et
le spot de la surface situé au milieu de l'étendue verticale (3.3.14)
3.3.14
étendue verticale
〈capteur chromatique〉 distance mesurée entre le spot focal de la longueur d'onde la plus courte et le spot
focal de la longueur d'onde la plus longue détectées par le spectromètre
NOTE L'étendue verticale dépend de la profondeur de champ chromatique (3.3.12) et du domaine spectral du
spectromètre.
3.3.15
crayon optique
partie d'un capteur chromatique (3.3.2) contenant la lentille chromatique et située près de la surface
pendant le mesurage
3.3.16
signal lumineux parasite
signal composé de la lumière parasite pénétrant le sténopé de discrimination (3.3.11), mesuré par le
détecteur en l'absence de tout échantillon, et du signal interne produit par le détecteur lui-même
NOTE Le signal lumineux parasite est généralement évalué pendant une procédure d'étalonnage de façon à corriger
les mesures.
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3.4 Caractéristiques métrologiques de l'instrument
3.4.1
caractéristique métrologique
MC
〈équipement de mesure〉 caractéristique susceptible d'avoir une influence sur les résultats de mesurage
[ISO 14978:2006, définition 3.12]
NOTE 1 L'étalonnage des caractéristiques métrologiques peut être nécessaire.
NOTE 2 Les caractéristiques métrologiques ont une contribution immédiate à l'incertitude de mesure.
3.4.2
volume de mesure
étendue de l'instrument définie par les limites simultanées de toutes les coordonnées spatiales mesurées par
l'instrument
NOTE Pour les instruments mesurant l'état de surface surfacique, le volume de mesure est défini par
⎯ l'étendue de mesure de l'unité d'avance (3.2.3) et de l'unité à déplacement transversal (3.2.4),
⎯ l'étendue de mesure du système de palpage (3.3.1).
3.4.3
hystérésis
propriété d'un équipement de mesure ou d'une caractéristique dont l'indication, lorsqu'il s'agit d'un équipement
de mesure, ou la valeur, lorsqu'il s'agit d'une caractéristique, dépend de l'orientation des signaux d'entrée
NOTE 1 L'hystérésis peut également dépendre, par exemple, de la longueur du déplacement après modification de
l'orientation des signaux d'entrée.
[ISO 14978:2006, définition 3.24]
NOTE 2 Pour les systèmes à scanning latéral, l'hystérésis est principalement une erreur de repositionnement.
3.4.4
courbe de réponse
F , F , F
x y z
représentation graphique de la fonction décrivant la relation entre la grandeur réelle et la grandeur mesurée
Voir la Figure 3.
NOTE 1 Une grandeur réelle en X (respectivement Y ou Z) correspond à une grandeur mesurée x (respectivement y
m m
ou z ).
m
NOTE 2 La courbe de réponse peut être utilisée pour l'ajustage d'un système de mesure et la correction des erreurs.
3.4.5
coefficient d'amplification
α , α , α
x y z
pente de la courbe de régression linéaire obtenue à partir de la courbe de réponse
Voir la Figure 4.
NOTE 1 Il y aura des coefficients d'amplification applicables aux grandeurs en X, Y et Z.
NOTE 2 La réponse idéale est une ligne droite avec une pente égale à 1, signifiant que les valeurs du mesurande sont
égales aux valeurs des grandeurs d'entrée.
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Légende
1 courbe de réponse 3 grandeurs mesurées
2 évaluation de la courbe de réponse par approximation polynomiale 4 grandeurs d'entrée
Figure 3 — Exemple de courbe de réponse non linéaire
Légende
1 grandeurs mesurées 4 courbe de réponse linéarisée
2 grandeurs d'entrée 5 ligne droite dont la pente est le coefficient d'amplification α
3 courbe de réponse idéale 6 erreur locale résiduelle de correction avant ajustage
Figure 4 — Exemple de linéarisation d'une courbe de réponse
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3.4.6
bruit de l'instrument
bruit interne, ajouté au signal de sortie, causé par l'instrument lorsqu'il est placé de façon idéale dans un
environnement non générateur de bruit
NOTE 1 Le bruit interne peut être dû au bruit électronique tel que celui des amplificateurs.
NOTE 2 Ce bruit a généralement des fréquences élevées qui limitent la capacité de l'instrument à détecter l'état de
surface à petite échelle.
NOTE 3 Le filtre S spécifié dans l'ISO 25178-3 peut réduire le bruit de l'instrument.
3.4.7
bruit statique
N
s
somme des bruits de l'instrument et de l'environnement dans le signal de sortie, en l'absence de mouvement
de scanning latéral de l'instrument
NOTE 1 Le bruit de l'environnement résulte par exemple des perturbations électromagnétiques externes, sismiques ou
acoustiques.
NOTE 2 Les Notes 2 et 3 en 3.4.6 s'appliquent également à la présente définition.
3.4.8
bruit dynamique
N
d
bruit dans le signal de sortie se produisant lors du mouvement des unités d'avance et de déplacement
NOTE 1 Les Notes 2 et 3 en 3.4.6 s'appliquent également à la présente définition.
NOTE 2 Le bruit dynamique inclut le bruit statique (3.4.7).
3.4.9
pas d'échantillonnage en X
D
x
distance entre deux spots mesurés suivant l'axe X
3.4.10
pas d'échantillonnage en Y
D
y
distance entre deux spots mesurés suivant l'axe Y
3.4.11
pas de numérisation en Z
D
z
plus petite variation de hauteur suivant l'axe Z entre deux ordonnées de la surface extraite
NOTE 1 La hauteur d'un spot est évaluée en cherchant la position du pic maximal de la courbe du spectromètre. Bien
que la résolution latérale du spectromètre soit relativement basse (petit nombre de pixels), le pas de numérisation en Z du
capteur chromatique (3.3.2) est amélioré avec l'aide des algorithmes de sous-pixels.
NOTE 2 Plusieurs algorithmes peuvent être utilisés pour détecter la position du pic. Les plus fréquemment employés
sont donnés dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Efficacité des algorithmes de détection
Algorithme Précision Vitesse
Détection simple de la position du pixel Faible Rapide
d'intensité maximale
Ajustement d'une courbe connue (de Bonne Lent
Gauss, de Pearson, etc.)
Barycentre du pic Bonne Rapide
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3.4.12
résolution latérale
R
l
plus petite distance entre deux éléments qui peut être détectée séparément
3.4.13
largeur limite pour une transmission de la hauteur totale
W
l
plus petite largeur de rainure rectangulaire dont la profondeur reste inchangée par le mesurage
EXEMPLE 1 Le mesurage d'un réseau pour lequel la largeur des fentes, t, est plus grande que la largeur limite pour
une transmission de la hauteur totale, W, entraîne une mesure correcte de la profondeur des fentes (voir les Figures 5
l
et 6).
EXEMPLE 2 Le mesurage d'un réseau pour lequel la largeur des fentes, t′, est plus petite que la largeur limite pour
une tran
...
Questions, Comments and Discussion
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