Optics and photonics -- Interferometric measurement of optical elements and optical systems

This document gives fundamental explanations to interferometric measurement objects, describes hardware aspects of interferometers and evaluation methods, and gives recommendations for test reports and calibration certificates.

Optique et photonique -- Mesurage interférométrique de composants et systèmes optiques

Le présent document donne des explications fondamentales sur les objets de mesurage interférométrique, décrit les aspects matériels des interféromčtres et les méthodes d'évaluation, et donne des recommandations pour les rapports d'essai et certificats d'étalonnage.

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Status
Published
Publication Date
21-Jul-2019
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
07-Jun-2019
Completion Date
22-Jul-2019
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Technical report
ISO/TR 14999-2:2019 - Optics and photonics -- Interferometric measurement of optical elements and optical systems
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ISO/TR 14999-2:2019 - Optique et photonique -- Mesurage interférométrique de composants et systemes optiques
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Standards Content (sample)

TECHNICAL ISO/TR
REPORT 14999-2
Second edition
2019-07
Optics and photonics —
Interferometric measurement
of optical elements and optical
systems —
Part 2:
Measurement and evaluation
techniques
Optique et photonique — Mesurage interférométrique de composants
et systèmes optiques —
Partie 2: Mesurage et techniques d'évaluation
Reference number
ISO/TR 14999-2:2019(E)
ISO 2019
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 14999-2:2019(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2019

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Published in Switzerland
ii © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO/TR 14999-2:2019(E)
Contents Page

Foreword ..........................................................................................................................................................................................................................................v

Introduction ................................................................................................................................................................................................................................vi

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

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

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

4 Measurement objects ...................................................................................................................................................................................... 1

4.1 Surfaces ......................................................................................................................................................................................................... 1

4.1.1 Boundary surfaces of optical components ................................................................................................ 1

4.1.2 Reflection degree ............................................................................................................................................................. 2

4.1.3 Roughness .............................................................................................................................................................................. 2

4.1.4 Topology of the regions (discontinuous regions) ................................................................................ 2

4.1.5 Continuity of the surface; gradient of the surface ............................................................................... 2

4.1.6 Stiffness of mirrors; finite-element-calculations ................................................................................. 3

4.1.7 Temperature homogeneity of mirrors .......................................................................................................... 3

4.1.8 Examples of measurement objects................................................................................................................... 3

4.2 Optical components in transmission ................................................................................................................................... 3

4.2.1 Single-pass versus double-pass testing ........................................................................................................ 3

4.2.2 Windows (wavefront aberrations in transmission) .......................................................................... 3

4.2.3 Prisms (wavefront aberrations and angle error) ................................................................................. 3

4.2.4 Influence of temperature on the refractive index ................................................................................ 3

4.3 Optical systems ....................................................................................................................................................................................... 4

4.3.1 Single-pass versus double-pass testing ........................................................................................................ 4

4.3.2 Examination in the pupil ........................................................................................................................................... 4

4.3.3 Chromatic aberrations ................................................................................................................................................ 4

4.4 Indirect examination of the function of optical elements .................................................................................. 4

4.4.1 Examination with different wavelengths .................................................................................................... 4

4.4.2 Examination with different beam paths ...................................................................................................... 4

4.4.3 Tolerance range .................. .................................................... ........................................................................................... 4

5 Hardware aspects of an interferometer and test environment ........................................................................... 4

5.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 4

5.2 Construction principles and influences on the quality of measurements ........................................... 6

5.2.1 General...................................................................................................................................................................................... 6

5.2.2 Intrinsic instrument errors and the principle of common path ............................................. 7

5.2.3 Optical compensation of errors .......................................................................................................................... 8

5.2.4 Mathematical compensation of errors .......................................................................................................... 9

5.2.5 Contrast as a function of the irradiance in test and reference arm:

methods to attain equilibrium in both arms.........................................................................................10

5.2.6 Contrast as a function of performance of the light source ........................................................14

5.3 Test environment ...............................................................................................................................................................................16

5.3.1 General...................................................................................................................................................................................16

5.3.2 Influence of vibrations .............................................................................................................................................17

5.3.3 Influence of gravity and support of the test piece ...........................................................................18

6 Methods for evaluating the optical path difference ......................................................................................................20

6.1 General ........................................................................................................................................................................................................20

6.2 Visual inspection of interferograms ..................................................................................................................................20

6.2.1 General...................................................................................................................................................................................20

6.2.2 Example 1 — Fizeau interferometer ...........................................................................................................20

6.2.3 Example 2 — Twyman-Green interferometer .....................................................................................24

6.3 Manual evaluation of interferograms ...............................................................................................................................26

6.4 Phase measurements with temporal carrier .............................................................................................................28

6.4.1 General...................................................................................................................................................................................28

6.4.2 Heterodyne interferometry .................................................................................................................................29

© ISO 2019 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/TR 14999-2:2019(E)

6.4.3 Phase lock interferometry (PLI) ......................................................................................................................30

6.4.4 Synchronous detection and phase-shifting interferometry ....................................................30

6.5 Phase measurements with spatial carrier ....................................................................................................................34

6.5.1 Fringe analysis by Fourier transform operations .............................................................................34

6.5.2 Spatially synchronous fringe analysis ........................................................................................................35

6.6 Removal of phase ambiguities (phase unwrapping) ...........................................................................................37

6.7 Registration of wavefronts; coordinate systems, coordinate system definition .........................38

6.8 Polynomial and other representations of wavefronts........................................................................................39

6.8.1 Representation of phase data ............................................................................................................................39

6.8.2 Zernike polynomials for a circular boundary ......................................................................................40

6.8.3 Use of Zernike polynomials for an elliptical boundary ................................................................40

6.8.4 Zernike-Tatian polynomials for a circular shape with a central hole (annular) .....41

6.8.5 Legendre polynomials for a rectangle boundary ..............................................................................41

6.8.6 Orthogonal functions on “unusual areas” ...............................................................................................41

7 Test reports and calibration certificates ..................................................................................................................................41

7.1 General ........................................................................................................................................................................................................41

7.2 Content of test reports and calibration certificates .............................................................................................42

7.3 Test reports .............................................................................................................................................................................................42

7.4 Calibration certificates ..................................................................................................................................................................43

7.4.1 Basics ......................................................................................................................................................................................43

7.4.2 Specification ...................................................................... ................................................................................................43

7.4.3 Adjustment or repair .................................................................................................................................................43

7.5 Opinions and interpretations ..................................................................................................................................................43

7.6 Electronic transmission of results .......................................................................................................................................43

7.7 Format of reports and certificates.......................................................................................................................................44

7.8 Amendments to test reports and calibration certificates ...............................................................................44

8 Data format .............................................................................................................................................................................................................44

Annex A (informative) Orthogonal polynomials ...................................................................................................................................45

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................62

iv © ISO 2019 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/TR 14999-2:2019(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 1, Fundamental standards.

This second edition cancels and replaces the first edition (ISO/TR 14999-2:2005) which has been

technically revised. The main changes are:
a) Figure 1 has been updated.
b) A.1 has been aligned with the notation of ISO 14999-4.

c) Updated text referring to technologies that have evolved over the last 10+ years, such as lasers and

detectors.

d) Improved clarity of the overall document (many minor edits made throughout the text).

A list of all parts in the ISO 14999 series can be found on the ISO website.

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.
© ISO 2019 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO/TR 14999-2:2019(E)
Introduction

A series of International Standards on Indications in technical drawings for the representation of optical

elements and optical systems has been prepared by ISO/TC 172/SC 1, and published as ISO 10110 under

the title Optics and photonics — Preparation of drawings for optical elements and systems. When drafting

this standards series and especially its Part 5, Surface form tolerances and Part 14, Wavefront deformation

tolerance, it became evident to the experts involved that additional complementary documentation was

required to describe how the necessary information on the conformance of the fabricated parts with

the stated tolerances can be demonstrated. Therefore, the responsible ISO Committee ISO/TC 172/SC 1

decided to prepare an ISO Technical Report on Interferometric measurement of optical wavefronts and

surface form of optical elements.

When discussing the topics which had to be included into or excluded from such a Technical Report, it

was envisaged that it might be the first time, where an ISO Technical Report or Standard is prepared

which deals with wave-optics, i.e., in which the ray approximation of geometrical optics is no longer

valid. As a consequence, fewer references than usual were available, which made the task more difficult.

Envisaging the situation, that the topic of interferometry has so far been left blank in ISO, it was the

natural wish to now be as comprehensive as possible. Therefore, the committee held discussions,

whether important techniques such as interference microscopy (for characterizing the micro-roughness

of optical parts), shearing interferometry (e.g. for characterizing corrected optical systems), multiple

beam interferometry, coherence sensing techniques or phase conjugation techniques should be included

or not. Other techniques, which are related to the classical two beam interferometry, like holographic

interferometry, Moiré techniques and profilometry were also mentioned as well as Fourier transform

spectroscopy or the polarization techniques, which are mainly for microscopic interferometry.

In the end, the committee adopted the guideline to include what presently are common techniques used

for the purpose of characterizing the quality of optical parts as described in the ISO 10110 series. The

decision was made to complete a first Technical Report, and to then update it by supplementing new

parts, as required.

The committee intends that this document covers the need for qualifying optical parts and complete

systems regarding the wavefront error produced by them. Such errors have a distribution over the

spatial frequency scale; in this document only the low- and mid-frequency parts of this error-spectrum

are covered, not the very high end of the spectrum. These high-frequency errors can be measured only

by microscopy, measurement of the scattered light or by non-optical probing of the surface.

A similar statement can be made regarding the wavelength range of the radiation used for testing.

ISO 14999 considers test methods with visible light as the typical case. In some cases, longer wavelength

infrared radiation (e.g. 10,6 μm CO lasers) is used for testing rough surfaces after grinding. A variety of

laser wavelengths might be used for transmitted wavefront testing of optical systems at the application

wavelength (e.g. near infrared 1,55 μm or 1,06 μm, or ultraviolet 193 nm or 248 nm excimer lasers for

microlithography optics). However, these are still rare cases, which are included in standards, that will

not be dealt with in detail. The wavelength range outside these borders is not covered.

vi © ISO 2019 – All rights reserved
---------------------- Page: 6 ----------------------
TECHNICAL REPORT ISO/TR 14999-2:2019(E)
Optics and photonics — Interferometric measurement of
optical elements and optical systems —
Part 2:
Measurement and evaluation techniques
1 Scope

This document gives fundamental explanations to interferometric measurement objects, describes

hardware aspects of interferometers and evaluation methods, and gives recommendations for test

reports and calibration certificates.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions
No terms and definitions are listed in this document.

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/
4 Measurement objects
4.1 Surfaces
4.1.1 Boundary surfaces of optical components

A common task in interferometry is measurement of the shape of a surface. This can be accomplished in

two different ways. Either reflected light or the light transmitted through the surface could be used for

the measurement.

Interferometric measurement is achieved by comparing the difference of two optical path lengths ∫nd.

Usually one path is called the reference path, the other the measurement path.

The resulting wave aberration, ΔW, for a displacement d of the surface, if measured in reflection,

is ΔW = 2nd. The same displacement measured in transmission results in the wave aberration

ΔW = (n − n )d.
2 1
© ISO 2019 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO/TR 14999-2:2019(E)
4.1.2 Reflection degree

The Fresnel reflection from the boundary between two different media, R, can be calculated from the

refractive index n and n at the boundary surface.
1 2
 
nn−
R = (1)
 
nn+
 21 

For most optical glasses this value is between 4 % and 6 %, so an average of 5 % is usually a good

estimate.

This reflection causes a loss of light from the transmitted wavefront at every surface. On the other

hand, this reflection is often used for the measurement itself. To obtain maximum fringe visibility,

or contrast, the two interfering beams should have approximately the same intensity. Changing the

reflectivity of the beam splitter within an interferometer only changes the amount of light in the

interference pattern and does not change the beam intensity ratio of the two beams because the light

in both arms is transmitted through and reflected by the beam splitter once. If the measurement path

and reference path are separated, as in a Mach-Zehnder or Twyman-Green set-up, it is usually possible

to adjust the intensities of the light in both arms.

A major problem arises in a Fizeau interferometer if the reference surface has high reflectance, the

result will be multiple beam interference fringes resulting in narrow fringes as in a Fabry-Perot

interferometer. If sinusoidal fringes are required as for the evaluation by phase shifting interferometry,

the reference surface should have low reflection and an element needs to be introduced between the

reference and the measurement surface that will absorb light without distorting the wave aberration.

The issue is solvable, when using a wavelength shifting interferometer or short coherence interferometer.

4.1.3 Roughness

For interferometric measurement the roughness of the measured surface should not exceed a certain

limit that is a fraction of the wavelength and of the difference of indices of refraction, if used in

transmission.
4.1.4 Topology of the regions (discontinuous regions)

Difficulties may arise with interferometer software when the wavefront area has breaks in it (e.g.

because it is split into segments by the mechanical supports of the secondary mirror of a mirror

telescope). Problems are most severe with static fringe analysis software that depends strongly on using

neighbouring points to determine the position and continuity of fringes. Software analysis of phase

differences is not affected to the same extent as it is a point-by-point evaluation of wave aberrations.

Similar problems may occur if the wavefront area has a complicated outline.
4.1.5 Continuity of the surface; gradient of the surface

Due to the inherent ambiguity of ±n2π phase difference, it is not possible to measure any arbitrary

surface shape uniquely. The evaluation of a smooth surface is usually correct, if the wave aberration

between two resolvable points is less than π. This effectively limits the largest slopes (or highest step

discontinuities) that can unambiguously be measured with the interferometer.

The gradient of the surface under test relative to the reference surface results in a gradient of the

measured wave aberration and in high-density or closely spaced fringes. Interferograms cannot

be evaluated, if the fringe separation is less than twice the distance of two resolvable points. Thus

the local gradient of the imaged wavefront needs to be less than (0,5 λ)/(detector element spacing)

for unambiguous phase recovery. If this condition is not possible by adjustment, or by changing the

measurement set-up, compensating optics may be required in some cases.
2 © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO/TR 14999-2:2019(E)

Some of the problems caused by phase difference ambiguity can be solved by multiple wavelength

interferometry.
4.1.6 Stiffness of mirrors; finite-element-calculations

An optic under test should not be deformed in a manner other than it would be deformed under its

intended application. It can be difficult to notice whether an optic is deformed during the measurement

by the test fixture, which holds the optic in place during the measurement. As a first indication of the

influence of the test fixture, the object can be measured by using two or more different test fixtures to

hold the optic in different ways. In case of any doubt, a finite-element calculation is recommended to

evaluate the effect of deformation on the optic.
4.1.7 Temperature homogeneity of mirrors

During measurement the object should have a homogeneous temperature. Inhomogeneous temperatures

can cause deformations. The thermal expansion coefficient of optical materials is rather high and the

thermal conductivity of optical materials is very low. Sufficient time should be allowed for optics under

test to reach thermal equilibrium. In some cases, this can take minutes, but in others it might require

several hours to reach thermal equilibrium.
4.1.8 Examples of measurement objects

Items that can be measured by interferometry include optical flats, windows, raw glass, convex and

concave mirrors, lenses, prisms, and optical systems.
4.2 Optical components in transmission
4.2.1 Single-pass versus double-pass testing

Transmitting optical components can be measured in single-pass or double-pass, depending on the

interferometric set-up. Double-pass measurement increases the sensitivity by a factor of two but may

also include the effect of the reflecting surface. In double-pass measurements consideration should

also be given to the possibility that the returning light passes back through the component at different

locations.
4.2.2 Windows (wavefront aberrations in transmission)

For windows the shape error of the surfaces is usually not important. Also, the measured transmitted

wavefront will include the homogeneity of the material. Depending on the application, a certain amount

of power may be tolerated separate from the other wave aberrations. Also, a tolerated wedge can be

measured by interferometry. However, it can be more convenient to measure angular errors by different

equipment.
4.2.3 Prisms (wavefront aberrations and angle error)

As in the case for windows, the wavefront aberrations and angular errors of prisms can be measured

by different equipment. However, if the angular tolerances are in the interferometric region, and many

parts are to be measured, it can be more convenient to measure both features by interferometry. In this

case a fixed set-up, or a master specimen, is used as a reference.
4.2.4 Influence of temperature on the refractive index

For measurement of an optical component in transmission, it should be noted that not only the objects

might be deformed by the thermal expansion but, also, that the refractive index of the material changes

with temperature. Ther
...

RAPPORT ISO/TR
TECHNIQUE 14999-2
Deuxième édition
2019-07
Optique et photonique — Mesurage
interférométrique de composants et
systèmes optiques —
Partie 2:
Mesurage et techniques d'évaluation
Optics and photonics — Interferometric measurement of optical
elements and optical systems —
Part 2: Measurement and evaluation techniques
Numéro de référence
ISO/TR 14999-2:2019(F)
ISO 2019
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/TR 14999-2:2019(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

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Publié en Suisse
ii © ISO 2019 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO/TR 14999-2:2019(F)
Sommaire Page

Avant-propos ................................................................................................................................................................................................................................v

Introduction ................................................................................................................................................................................................................................vi

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

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

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

4 Objets de mesurage ........................................................................................................................................................................................... 1

4.1 Surfaces ......................................................................................................................................................................................................... 1

4.1.1 Surfaces frontières des composants optiques ........................................................................................ 1

4.1.2 Degré de réflexion ........................................................................................................................................................... 2

4.1.3 Rugosité ................................................................................................................................................................................... 2

4.1.4 Topologie des régions (régions discontinues) ....................................................................................... 2

4.1.5 Continuité de la surface; gradient de la surface .................................................................................... 2

4.1.6 Rigidité des miroirs; calculs par éléments finis .................................................................................... 3

4.1.7 Homogénéité de température des miroirs ................................................................................................ 3

4.1.8 Exemples d'objets de mesurage.......................................................................................................................... 3

4.2 Composants optiques en transmission .............................................................................................................................. 3

4.2.1 Essais en simple passage par opposition aux essais en double passage ......................... 3

4.2.2 Fenêtres (aberrations de front d'onde en transmission) .............................................................. 3

4.2.3 Prismes (aberrations de front d'onde et erreur angulaire) ........................................................ 3

4.2.4 Influence de la température sur l'indice de réfraction ................................................................... 4

4.3 Systèmes optiques ................................................................................................................................................................................ 4

4.3.1 Essais en simple passage par opposition aux essais en double passage ......................... 4

4.3.2 Examen dans la pupille ........................................................................................................................................... .... 4

4.3.3 Aberrations chromatiques .................. ..................................................................................................................... 4

4.4 Examen indirect de la fonction des composants optiques ................................................................................ 4

4.4.1 Examen avec différentes longueurs d'onde .............................................................................................. 4

4.4.2 Examen avec différentes trajectoires de faisceau ................................................................................ 4

4.4.3 Plage de tolérances ........................................................................................................................................................ 4

5 Aspects matériels d'un interféromètre et de l’environnement d'essai .......................................................5

5.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 5

5.2 Principes de construction et influences sur la qualité des mesurages ................................................... 6

5.2.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 6

5.2.2 Erreurs intrinsèques de l'instrument et principe de trajet commun ................................. 7

5.2.3 Compensation optique des erreurs ................................................................................................................. 9

5.2.4 Compensation mathématique des erreurs .............................................................................................10

5.2.5 Contraste en fonction de l’irradiance dans les bras d’essai et de référence:

méthodes pour atteindre l’équilibre dans les deux bras ............................................................11

5.2.6 Contraste en fonction des performances de la source lumineuse ......................................14

5.3 Environnement d'essai .................................................................................................................................................................16

5.3.1 Généralités .........................................................................................................................................................................16

5.3.2 Influence des vibrations .........................................................................................................................................17

5.3.3 Influence de la gravité et du support de l’éprouvette ...................................................................19

6 Méthodes pour évaluer la différence de trajet optique ............................................................................................20

6.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................20

6.2 Examen visuel des interférogrammes..............................................................................................................................21

6.2.1 Généralités .........................................................................................................................................................................21

6.2.2 Exemple 1 — Interféromètre de Fizeau ....................................................................................................21

6.2.3 Exemple 2 — Interféromètre de Twyman-Green .............................................................................25

6.3 Évaluation manuelle des interférogrammes ..............................................................................................................27

6.4 Mesures de phase avec porteuse temporelle .............................................................................................................29

6.4.1 Généralités .........................................................................................................................................................................29

6.4.2 Interférométrie hétérodyne ................................................................................................................................30

© ISO 2019 – Tous droits réservés iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/TR 14999-2:2019(F)

6.4.3 Interférométrie à verrouillage de phase (PLI) ....................................................................................31

6.4.4 Détection synchrone et interférométrie à décalage de phase ...............................................32

6.5 Mesures de phase avec porteuse spatiale .....................................................................................................................35

6.5.1 Analyse des franges par opérations de transformée de Fourier..........................................35

6.5.2 Analyse de franges spatialement synchrones ......................................................................................36

6.6 Suppression des ambiguïtés de phase (développement de phase) ........................................................38

6.7 Enregistrement des fronts d'onde; systèmes de coordonnées, définition

d’un système de coordonnées .................................................................................................................................................39

6.8 Polynôme et autres représentations des fronts d'onde ....................................................................................40

6.8.1 Représentation des données de phase ......................................................................................................40

6.8.2 Polynômes de Zernike pour une frontière circulaire ....................................................................41

6.8.3 Utilisation des polynômes de Zernike pour une frontière elliptique ..............................41

6.8.4 Polynômes de Zernike-Tatian pour une forme circulaire avec un trou

central (annulaire) ......................................................................................................................................................42

6.8.5 Polynômes de Legendre pour une frontière rectangulaire ......................................................42

6.8.6 Fonctions orthogonales sur «surfaces inhabituelles» ..................................................................42

7 Rapports d'essai et certificats d'étalonnage .........................................................................................................................43

7.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................43

7.2 Contenu des rapports d'essai et des certificats d'étalonnage .....................................................................43

7.3 Rapports d'essai ..................................................................................................................................................................................44

7.4 Certificats d'étalonnage ................................................................................................................................................................44

7.4.1 Généralités .........................................................................................................................................................................44

7.4.2 Spécification ...................................................................... ................................................................................................44

7.4.3 Ajustage ou réparation ............................................................................................................................................44

7.5 Avis et interprétations ...................................................................................................................................................................44

7.6 Transmission électronique des résultats ......................................................................................................................45

7.7 Format des rapports et des certificats .............................................................................................................................45

7.8 Amendements aux rapports d'essai et aux certificats d'étalonnage .....................................................45

8 Format des données .......................................................................................................................................................................................45

Annexe A (informative) Polynômes orthogonaux ................................................................................................................................46

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................63

iv © ISO 2019 – Tous droits réservés
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ISO/TR 14999-2:2019(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

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 (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 www .iso .org/avant -propos.

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

sous-comité SC 1, Normes fondamentales.

Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO/TR 14999-2:2005), qui a fait l’objet

d’une révision technique. Les principales modifications sont:
a) La Figure 1 a été mise à jour.
b) A.1 a été aligné sur la notation de l’ISO 14999-4.

c) Mise à jour du texte faisant référence à des technologies ayant évolué depuis plus d'une dizaine

d’années, telles que les lasers et détecteurs.

d) Amélioration de la clarté de l’ensemble du document (nombreuses modifications mineures

apportées tout au long du texte).

Une liste de toutes les parties de la série ISO 14999 est disponible sur le site Internet de l’ISO.

Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent

document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes

se trouve à l’adresse www .iso .org/fr/members .html.
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ISO/TR 14999-2:2019(F)
Introduction

Une série de Normes internationales sur les Indications sur les dessins techniques pour la

représentation des composants optiques et systèmes optiques a été préparée par ISO/TC 172/SC 1, et

publiée sous la forme de l’ISO 10110 sous le titre Optique et photonique — Préparation des dessins pour

éléments et systèmes optiques. Lors de la rédaction de cette série de normes et notamment de sa Partie 5,

Tolérances de forme de surface et de sa Partie 14, Tolérance de déformation du front d'onde, il est devenu

évident pour les experts concernés qu'une documentation complémentaire supplémentaire était

requise pour décrire comment les informations nécessaires sur la conformité des pièces fabriquées

avec les tolérances établies pouvaient être démontrées. Par conséquent, le Comité ISO responsable,

ISO/TC 172/SC 1, a décidé de préparer un Rapport technique ISO sur le Mesurage interférométrique des

fronts d'onde optiques et la forme de surface des composants optiques.

Lors de la discussion des sujets qui devaient être inclus ou exclus d’un tel Rapport technique, il a été

envisagé que, pour la première fois, un Rapport technique ou une Norme ISO puisse être préparé(e)

qui traite d'optique ondulatoire, c’est-à-dire, dans lequel (laquelle) l’approximation par le rayon de

l’optique géométrique ne soit plus valide. En conséquence, moins de références que d’habitude étaient

disponibles, ce qui a rendu la tâche plus difficile.

Compte tenu du fait que le sujet de l'interférométrie a jusqu’à présent été laissé vierge à l’ISO, le souhait

naturel a été d’être le plus exhaustif possible. Par conséquent, le comité a tenu des discussions pour

savoir s’il convenait que des techniques importantes telles que la microscopie d’interférence (pour

caractériser la micro-rugosité des pièces optiques), l'interférométrie de cisaillement (par exemple pour

caractériser les systèmes optiques corrigés), l’interférométrie à faisceaux multiples, les techniques de

détection des cohérences ou les techniques de conjugaison de phase soient incluses ou non. D’autres

techniques, qui sont liées à l'interférométrie classique à double faisceau, comme l'interférométrie

holographique, les techniques de moiré et la profilométrie ont également été mentionnées ainsi que la

spectroscopie par transformée de Fourier ou les techniques de polarisation, qui sont surtout destinées

à l'interférométrie microscopique.

En fin de compte, le comité a adopté la ligne directrice pour inclure des techniques qui sont à présent

couramment utilisées aux fins de caractériser la qualité des pièces optiques comme décrit dans la série

ISO 10110. La décision a été prise de rédiger un premier Rapport technique, et de l’actualiser ensuite en

complétant les nouvelles parties, le cas échéant.

Le comité a l'intention que ce document couvre la nécessité de qualifier les pièces et les systèmes

optiques complets concernant l’erreur de front d'onde qu'ils produisent. De telles erreurs se

répartissent sur l’échelle de fréquences spatiales; dans le présent document, seules les parties de ce

spectre d’erreur correspondant aux basses et moyennes fréquences sont couvertes, pas l’extrémité du

spectre (fréquences très élevées). Ces erreurs en hautes fréquences peuvent seulement être mesurées

par microscope, par mesurage de la lumière diffuse ou par palpage non optique de la surface.

Une constatation analogue peut être faite concernant la plage de longueurs d'onde du rayonnement

utilisé pour les essais. L’ISO 14999 considère les méthodes d’essai avec lumière visible comme le cas

typique. Dans certains cas, un rayonnement infrarouge de longueur d'onde supérieure (par exemple,

lasers CO de 10,6 μm) est utilisé pour soumettre à essai les surfaces rugueuses après meulage. Une

variété de longueurs d'onde laser pourrait être utilisée pour les essais de systèmes optiques avec

front d'onde transmis à la longueur d'onde d’application (par exemple, 1,55 µm ou 1,06 µm dans le

proche infrarouge, ou 193 nm ou 248 nm dans l’ultraviolet avec les lasers à excimère pour optique

microlithographique). Cependant, ce sont là des cas encore rares, qui sont inclus dans les normes et ne

seront pas traités en détail. La plage de longueurs d'onde en dehors de ces limites n’est pas couverte.

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RAPPORT TECHNIQUE ISO/TR 14999-2:2019(F)
Optique et photonique — Mesurage interférométrique de
composants et systèmes optiques —
Partie 2:
Mesurage et techniques d'évaluation
1 Domaine d'application

Le présent document donne des explications fondamentales sur les objets de mesurage

interférométrique, décrit les aspects matériels des interféromètres et les méthodes d’évaluation, et

donne des recommandations pour les rapports d’essai et certificats d'étalonnage.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions
Aucun terme n'est défini dans le présent document.

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/
4 Objets de mesurage
4.1 Surfaces
4.1.1 Surfaces frontières des composants optiques

Une tâche courante en interférométrie est le mesurage de la forme d'une surface. Cela peut être accompli

de deux manières différentes. Soit la lumière réfléchie, soit la lumière transmise à travers une surface

peut être utilisée pour le mesurage.

Le mesurage interférométrique est réalisé en comparant la différence des deux trajets optiques ∫nd.

Généralement, un trajet est appelé trajet de référence, l’autre, trajet de mesurage.

L’aberration d'onde résultante, ΔW, pour un déplacement d de la surface, s’il est mesuré en réflexion, est

ΔW = 2nd. Le même déplacement mesuré en transmission aboutit à l’aberration d'onde ΔW = (n − n )d.

2 1
© ISO 2019 – Tous droits réservés 1
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ISO/TR 14999-2:2019(F)
4.1.2 Degré de réflexion

La réflexion de Fresnel sur la frontière entre deux milieux différents, R, peut être calculée à partir de

l'indice de réfraction n et n à la surface frontière.
1 2
 
nn−
R = (1)
 
nn+
 21 

Pour la plupart des verres optiques, cette valeur est comprise entre 4 % et 6 %, ce qui signifie qu'une

moyenne de 5 % est généralement une bonne estimation.

Cette réflexion provoque une perte de lumière du front d’onde transmis à chaque surface. D’autre

part, cette réflexion est souvent utilisée pour le mesurage lui-même. Il convient que les deux faisceaux

interférents aient approximativement la même intensité, afin d'obtenir une visibilité maximale ou un

contraste maximal des franges. Modifier la réflectivité du séparateur de faisceau à l'intérieur d'un

interféromètre change uniquement la quantité de lumière dans la combinaison d'interférences et ne

change pas le rapport d'intensité des deux faisceaux, parce que la lumière des deux bras est transmise

et réfléchie par le séparateur de faisceau une seule fois. Si le trajet de mesurage et le trajet de référence

sont séparés, comme dans un montage de Mach-Zehnder ou de Twyman-Green, il est généralement

possible d’ajuster les intensités de la lumière dans les deux bras.

Un problème majeur survient dans un interféromètre de Fizeau si la surface de référence a une

réflectance élevée, le résultat sera des franges d’interférence à faisceaux multiples se traduisant par

des franges étroites comme dans un interféromètre de Fabry-Perot. Si des franges sinusoïdales sont

requises comme pour l’évaluation par interférométrie à décalage de phase, il convient que la surface de

référence ait une réflexion faible, et un composant doit être introduit entre la surface de référence et la

surface de mesurage qui absorbera la lumière sans déformer l’aberration d'onde.

Le problème peut être résolu par l’utilisation d'un interféromètre à décalage de longueur d'onde ou d'un

interféromètre à cohérence courte.
4.1.3 Rugosité

Pour le mesurage interférométrique, il convient que la rugosité de la surface mesurée ne dépasse pas

une certaine limite qui est une fraction de la longueur d'onde et de la différence entre les indices de

réfraction, en cas d’utilisation en transmission.
4.1.4 Topologie des régions (régions discontinues)

Des difficultés peuvent survenir avec le logiciel de l'interféromètre lorsque la surface du front d’onde

présente des ruptures (en raison, par exemple, de sa division en segments par les supports mécaniques

du miroir secondaire d'un télescope à miroir). Les problèmes sont les plus graves avec le logiciel

d’analyse des franges statiques, qui dépend fortement de l'utilisation de points voisins pour déterminer

la position et la continuité des franges. L’analyse logicielle des différences de phase n’est pas affectée de

la même manière qu’une évaluation point par point des aberrations d'onde.

Des problèmes similaires peuvent survenir si la surface du front d’onde a un contour complexe.

4.1.5 Continuité de la surface; gradient de la surface

En raison de l’ambiguïté inhérente du déphasage ±n2π, il n’est pas possible de mesurer une forme de

surface arbitraire uniquement. L’évaluation d'une surface lisse est généralement correcte, si l’aberration

d'onde entre deux points résolvables est inférieure à π. Cela limite efficacement les pentes les plus

fortes (ou les discontinuités de type marche les plus fortes) qui peuvent être mesurées sans ambiguïté

avec l'interféromètre.

Le gradient de la surface soumise à essai par rapport à la surface de référence se traduit par un gradient

de l’aberration d'onde mesurée et par une forte densité de franges ou des franges étroitement espacées.

Les interférogrammes ne peuvent pas être évalués, si la séparation des franges est inférieure au

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ISO/TR 14999-2:2019(F)

double de la distance de deux points résolvables. Ainsi le gradient local du front d’onde imagé doit être

inférieur à (0,5 λ)/(espacement des éléments détecteurs) pour une récupération de phase univoque. Si

cette condition n’est pas possible par ajustage, ou en changeant le montage de mesurage, un système

optique de compensation peut être requis dans certains cas.

Certains des problèmes causés par l’ambiguïté du déphasage peuvent être résolus par interférométrie à

longueurs d'onde multiples.
4.1.6 Rigidité des miroirs; calculs par éléments finis

Il convient qu’un élément optique soumis à essai ne soit pas déformé d'une manière autre que celle avec

laquelle il le serait dans son application prévue. Il peut être difficile de remarquer si un élément optique

est déformé pendant le mesurage par l’appareillage d’essai, qui maintient l’élément optique en place

pendant cette même étape. Comme première indication de l'influence de l’appareillage d’essai, l'objet

peut être mesuré en utilisant deux appareillages d’essai différents ou plus pour maintenir l’élément

optique de différentes façons. En cas de doute, un calcul par éléments finis est recommandé pour

évaluer l’effet de déformation sur l’élément optique.
4.1.7 Homogénéité de température des miroirs

Durant le mesurage, il convient que l'objet ait une température homogène. Les températures

inhomogènes peuvent occasionner des déformations. Le coefficient de dilatation thermique des

matériaux optiques est relativement élevé et la conductivité thermique des matériaux optiques est très

faible. Il convient qu'un temps suffisant soit autorisé pour que les éléments optiques soumis à essai

atteignent un équilibre thermique. Cela peut
...

Questions, Comments and Discussion

Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.