Geometrical product specifications (GPS) -- Surface texture: Areal

This document describes the influence quantities and instrument characteristics of confocal microscopy systems for areal measurement of surface topography. Because surface profiles can be extracted from surface topography images, the methods described in this document can be applied to profiling measurements as well.

Spécification géométrique des produits (GPS) -- État de surface: Surfacique

Le présent document décrit les grandeurs d'influence et les caractéristiques des instruments utilisés dans les systčmes de microscopie confocale (MC) pour le mesurage surfacique de la topographie des surfaces. Comme les profils de surface peuvent ętre extraits des images par topographie de surface, les métodes décrites dans le présent document peuvent également ętre appliqués aux mesures de profilage

General Information

Status
Published
Publication Date
04-Mar-2019
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
15-Jan-2019
Completion Date
05-Mar-2019
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ISO 25178-607:2019 - Geometrical product specifications (GPS) -- Surface texture: Areal
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ISO 25178-607:2019 - Spécification géométrique des produits (GPS) -- État de surface: Surfacique
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 25178-607
First edition
2019-03
Geometrical product specifications
(GPS) — Surface texture: Areal —
Part 607:
Nominal characteristics of non-contact
(confocal microscopy) instruments
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface:
Surfacique —
Partie 607: Caractéristiques nominales des instruments sans contact
(microscopie confocale)
Reference number
ISO 25178-607:2019(E)
ISO 2019
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 25178-607:2019(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2019

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

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

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

below or ISO’s member body in the country of the requester.
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CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
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Website: www.iso.org
Published in Switzerland
ii © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 25178-607:2019(E)
Contents Page

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

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

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

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

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

4 Descriptions of the influence quantities ..................................................................................................................................... 5

Annex A (informative) Classification of in-plane scanning techniques for confocal microscopes ......7

Annex B (informative) Theory of operation of confocal microscopes ............................................................................13

Annex C (informative) Thin and thick films with confocal microscopes......................................................................17

Annex D (informative) Relation to the GPS matrix model ...........................................................................................................19

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................20

© ISO 2019 – All rights reserved iii
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ISO 25178-607:2019(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 213, Dimensional and geometrical product

specifications and verification.
A list of all parts in the ISO 25178 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.
iv © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 25178-607:2019(E)
Introduction

This document is a geometrical product specification (GPS) standard and is to be regarded as a general

GPS standard (see ISO 14638). It influences the chain link F of the chains of standards on areal surface

texture and profile surface texture.

The ISO/GPS matrix model given in ISO 14638 gives an overview of the ISO/GPS system of which this

document is a part. The fundamental rules of ISO/GPS given in ISO 8015 apply to this document and

the default decision rules given in ISO 14253-1 apply to the specifications made in accordance with this

document, unless otherwise indicated.

For more detailed information of the relation of this document to other standards and the GPS matrix

model, see Annex D.

This document describes the metrological characteristics of confocal microscopes designed for the

measurement of surface topography maps.

For detailed information on the confocal microscopy technique, see Annex A and Annex B.

NOTE Portions of this document, particularly the informative sections, describe patented systems and

methods. This information is provided only to assist users in understanding the operating principles of confocal

microscopy. This document is not intended to establish priority for any intellectual property, nor does it imply a

license to proprietary technologies described herein.
© ISO 2019 – All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 25178-607:2019(E)
Geometrical product specifications (GPS) — Surface
texture: Areal —
Part 607:
Nominal characteristics of non-contact (confocal
microscopy) instruments
1 Scope

This document describes the influence quantities and instrument characteristics of confocal

microscopy systems for areal measurement of surface topography. Because surface profiles can be

extracted from surface topography images, the methods described in this document can be applied to

profiling measurements as well.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 25178-600 and the

following apply.

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

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

measurement method wherein the localization of optically sectioned images during an axial scan

through the focus of a microscope’s objective provides a means to determine an areal surface

topography image
Note 1 to entry: See also ISO 25178-6:2010, 3.3.6.

Note 2 to entry: Confocal microscopes produce optically sectioned images by restricting the illumination onto

the sample and through the detection system by means of a pattern, scanning this pattern in-plane to fill the

image (see also Figure B.1).

Note 3 to entry: Illumination and detection patterns could be one or several points, slits or any order of

structures, that effectively reduce the illuminated area of the surface. The geometry of these patterns influences

the evaluation of the sectioned images and has direct influence on the metrological characteristics of the

instrument.

Note 4 to entry: The difference between a confocal point sensor and a confocal microscope is defined by the

in-plane scanning scheme. In the confocal microscope one or multiple parallel working light paths scan the

surface. This is realized with various optical elements. In contrast, the single point confocal probe scans only one

point on the sample at a time by moving either the sample or the probe. A single point confocal chromatic probe

arrangement is described in ISO 25178-602:2010, Annex B.

Note 5 to entry: Table 1 compiles alternative terms that conform at least in part to the above definition.

© ISO 2019 – All rights reserved 1
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ISO 25178-607:2019(E)
Table 1 — Examples of alternative terms sometimes used for confocal microscope
Acronym Term
ICM imaging confocal microscope
LSCM laser-scanning confocal microscope (see also A.2)
CLSM confocal laser-scanning microscope (same method as LSCM)
CSLM confocal-scanning laser microscope (same method as LSCM)
LSM laser-scanning microscope (same method as LSCM)
DSCM disc-scanning confocal microscope (see also A.3)

PACM or PAM programmable array confocal microscope or programmable array microscope (see also A.4)

MSCM microdisplay scanning confocal microscope (same method as PACM)
RSOM real-time scanning optical microscope
CSOM confocal-scanning optical microscope

The term ‘laser-scanning microscope’ has also been used to refer to laser-based scanning probes with height sensors,

such as triangulation or dynamic focus, which are different from the confocal methods described here.

3.2
illumination pattern

arrangement of single or repetitive structures placed on a conjugate image position of the microscope’s

objective (typically the field diaphragm position), restricting the illuminated parts on the sample

Note 1 to entry: The illumination pattern can be a single pinhole, equally spaced pinholes on a grid, slits, parallel

slits or any other pattern that effectively reduces the amount of illuminated area.

3.3
detection pattern

arrangement of single or repetitive structures placed on a conjugate image position of the microscope’s

objective, blocking the out-of-focus light reflected from the surface and from previously illuminated parts

Note 1 to entry: The illumination and detection patterns need not have the same geometry.

3.4
in-plane scanning

mechanical or optical displacement of the illumination and/or detection patterns to fulfil an optical

section image

Note 1 to entry: Annex A describes the principle of in-plane scanning for typical confocal arrangements.

3.5
axial scan

mechanical or optical displacement between the sample under inspection and the imaging optics

Note 1 to entry: The imaging optics is nominally parallel to the axial scan axis of the microscope.

3.6
axial scan length

total range travelled by the confocal microscope axial scan, usually the total displacement between the

sample and the microscope’s objective translated along its optical axis during data acquisition

Note 1 to entry: This parameter might be limited by the overall range of the axial scanner, but is generally a

parameter chosen by the operator taking account of the height range of the surface topography.

3.7
axial response

signal recorded for an individual image point of the confocal image as a function of the axial scan

position
Note 1 to entry: See Figure 1.
2 © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 25178-607:2019(E)
Key
a normalized detector signal
b z-height
1 background offset
2 full width at half maximum
3 axial response
Figure 1 — Schematic axial response signal
3.8
full width at half maximum
FWHM
z-HM

region of the axial response symmetrical to the maximum peak where the signal falls to one-half of the

maximum peak signal

Note 1 to entry: The FWHM is used as a metric (or estimator) of the thickness of the optically sectioned slice.

3.9
maximum signal position
position of the axial scan where the amplitude of the axial response is maximum
© ISO 2019 – All rights reserved 3
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ISO 25178-607:2019(E)
3.10
background offset

value of the axial response for axial positions far from the maximum signal position

Note 1 to entry: The background offset might be caused by residual reflected and scattered light within the

instrument and from the sample, “cross talking” between pinholes and incomplete sectioning behaviour of the

light path.

Note 2 to entry: Methods exist which reduce or make use of background offset effects.

3.11
axial steps
distance between two consecutive confocal images during an axial scan
3.12
confocal imaging rate

number of confocal images per second provided by a confocal microscope without axial scan

3.13
axial scanning rate

number of confocal images per second provided by a confocal microscope during an axial scan,

expressed as the number of acquired plane sections per second

Note 1 to entry: The axial scanning rate might be equal to or lower than the confocal imaging rate depending on

the scanning hardware used and the processing algorithms.
3.14
flatness calibration surface
reference surface used to measure and adjust for the microscope flatness error

Note 1 to entry: The calibration surface is typically an optically flat single surface mirror (flatness ≤ λ/10 and

roughness average R < 0,5 nm).
3.15
confocal peak location algorithm

algorithm used to estimate the maximum signal position of the surface point from the axial response

Note 1 to entry: The maximum signal (confocal peak) position is equated to the axial location of the surface.

Note 2 to entry: The confocal peak is not necessarily represented by the absolute maximum of the axial response;

there are multiple algorithms (see Annex B).
3.16
maximum measurable local slope

largest slope that can be measured on an optically smooth surface

Note 1 to entry: See ISO 25178-600:2019, Annex A.
3.17
confocal stack
series of optical sections taken during an axial scan
3.18
confocal topography image

areal topography image derived from a stack of optical sections obtained during an axial scan

Note 1 to entry: Generally, for each pixel of the image the confocal peak location algorithm (3.15) is applied to the

confocal stack (3.17) to calculate the height of the surface.
4 © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 25178-607:2019(E)
3.19
confocal intensity image

areal intensity image derived from a stack of optical sections obtained during an axial scan

Note 1 to entry: For each pixel of the image an algorithm is applied that finds the reflected intensity of the surface.

The applied algorithm might be different from the algorithm (3.15) to find the height of the surface.

Note 2 to entry: Such a group of images typically shows a depth of field close to the axial scan range.

4 Descriptions of the influence quantities

Influence quantities for confocal microscopy instruments are given in Table 2. The table indicates the

metrological characteristics (see ISO 25178-600:2019, Table 1) affected by deviations in the influence

quantities.
Table 2 — Influence quantities for confocal microscopy
Metrological
Component Element Influence quantities characteristic
affected
λ Measurement optical wavelength α
0 z
(see ISO 25178-600)
Light source
B Measurement optical bandwidth α
λ0 z
(ISO 25178-600)
A Microscope numerical aperture α , α , α , W
N x y z R
(see ISO 25178-600)
M Magnification between object sizes on the surface and α , α
IMG x y
image sizes on the sensor
Δ Optical aberrations – a function describing net deviations in α
PATH z
the measured optical path of the system, derived from im-
perfections in the optics and the topography of the flatness
Microscope imaging
calibration surface
system
Q General quality of the optical components used, including α , α , z , l ,
OPT x y FLT x
aberrations, transmission and alignment errors l , l , W , Δ , Δ
y z R x y
P Lateral distortion of the magnified image on the camera α , α , α , z ,
DISxy x y z FLT
l , l , l , W
x y z R,
Δ , Δ
x y
U Illumination uniformity – distribution of illumination across α , α , α , z ,
I(x,y) x y z FLT
the field of view of the object (a highly uniform, constant l , l , l
x y z
distribution is desired)

These influence quantities arise from the interaction between the instrument and the sample being measured.

© ISO 2019 – All rights reserved 5
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ISO 25178-607:2019(E)
Table 2 (continued)
Metrological
Component Element Influence quantities characteristic
affected
δ x-pixel spacing of the imaging camera α , W
x x R
Camera
δ y-pixel spacing of the imaging camera α W
y y, R
f Axial scanning rate (3.13) α , l
z z z
Acquisition
z Axial scan length (3.6) α , l
TOT z z
Δ Axial steps (3.11) α
software
z z
Controller
T Integration time required to complete a single scan in z N
I M
Profile
analysis A Confocal peak location algorithm (see 3.15) α , l
ALG z z
software
Lateral sampling interval – equal to the lateral pixel W
D or
spacing of the camera (δ , δ ) divided by the magnification
x y
(ISO 25178-600)
Δ Scan linearity α , l
z-LIN z z
Instrument overall
Instrument noise
N N
I M
(see ISO 25178-600)
N Environmental vibration – unwanted motion between the N
VIB M
surface being measured and the optical system
θ Tilt – relative angle between the optical axis of the system α , α , α
TLT x y z
and the local sample normal. Object surface slopes that cause
light to reflect near to the edge or outside of the numerical
aperture of the objective also likely cause significant signal
loss. Therefore, in optical systems the maximum measura-
ble local slope (3.16) is largely determined by the numerical
aperture. The issue is illustrated in ISO 25178-600
Sample
n Complex index of refraction of dissimilar materials α
T Thickness of transparent or semi-transparent surface films α
FLM z
(see Annex C for more information)
F Under-resolved features – object features with lateral dimen- α
UR z
sions in the order of or smaller than the lateral resolution

These influence quantities arise from the interaction between the instrument and the sample being measured.

6 © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 25178-607:2019(E)
Annex A
(informative)
Classification of in-plane scanning techniques for confocal
microscopes
A.1 General

This annex describes some technical principles used for scanning the illumination and detection

patterns of a confocal arrangement in the plane perpendicular to the optical axis (x,y plane) to produce

an optical section. To recover a topography map of the surface, the in-plane scanning is combined with

axial scanning to produce a sequence of optical sections. The axial scanning process is described in

Annex B.

A number of different confocal arrangements have been developed. There are different techniques for in-

plane scanning, for illumination and detection patterns, and for detector arrangements. Each different

configuration optimizes a given application such as maximization of light efficiency, optimization of

signal-to-noise ratio, optimization of speed, simplification or reduction of hardware cost, adaptation to

different excitation wavelengths and others. Three typical configurations of confocal microscopes are

laser scanning, disc scanning and programmable array scanning.
A.2 Laser-scanning confocal microscope (LSCM) configuration

In a laser-scanning confocal microscope the illumination and detection pattern consists of two single

pinholes placed on optically conjugate planes. The beam emerging from the illumination pinhole

is scanned in a raster fashion across the sample in order to build up a confocal image point by point.

Figure A.1 shows the basic configuration of
...

NORME ISO
INTERNATIONALE25178-607
Première édition
2019-03
Spécification géométrique des
produits (GPS) — État de surface:
Surfacique —
Partie 607:
Caractéristiques nominales des
instruments sans contact (microscopie
confocale)
Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal —
Part 607: Nominal characteristics of non-contact (confocal
microscopy) instruments
Numéro de référence
ISO 25178-607:2019(F)
ISO 2019
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 25178-607:2019(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2019

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

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

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

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

ISO copyright office
Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
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Tél.: +41 22 749 01 11
Fax: +41 22 749 09 47
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii © ISO 2019 – Tous droits réservés
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ISO 25178-607:2019(F)
Sommaire Page

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

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

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

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

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

4 Descriptions des grandeurs d'influence ......................................................................................................................................5

Annexe A (informative) Classification des techniques de balayage dans le planpour les

microscopes confocaux ..................................................................................................................................................................................8

Annexe B (informative) Théorie de fonctionnement des microscopes confocaux ............................................14

Annexe C (informative) Mesurages de couches minces et de couches épaisses avec des

microscopes confocaux ...............................................................................................................................................................................18

Annexe D (informative) Relation avec le modèle de matrice GPS .......................................................................................20

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................21

© ISO 2019 – Tous droits réservés iii
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ISO 25178-607:2019(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 appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable

de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

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

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 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/iso/foreword .html.

Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 213, Spécifications et vérification

dimensionnelles et géométriques des produits.

Une liste de toutes les parties de la série de normes ISO 25178 peut être consultée sur le site 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/members .html.
iv © ISO 2019 – Tous droits réservés
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 25178-607:2019(F)
Introduction

Le présent document est une norme traitant de la spécification géométrique des produits et doit être

considérée comme une norme GPS générale (voir l'ISO 14638). Elle influence le maillon F de la chaîne de

normes concernant l'état de surface surfacique et l'état de surface du profil.

Le modèle de matrice ISO/GPS de l'ISO 14638 donne une vue d'ensemble du système ISO/GPS, dont le

présent document fait partie. Les principes fondamentaux du système ISO/GPS donnés dans l'ISO 8015

s'appliquent au présent document et les règles de décision par défaut données dans l'ISO 14253-1

s'appliquent aux spécifications faites conformément au présent document, sauf indication contraire.

Pour de plus amples informations sur la relation du présent document avec les autres normes et le

modèle de matrice GPS, voir l'Annexe D.

Le présent document décrit les caractéristiques métrologiques des microscopes confocaux conçus pour

réaliser des mesurages sur des cartes topographiques de surfaces.

Pour plus d'informations sur la technique par microscopie confocale, voir les Annexes A et B.

NOTE Certaines parties du présent document, en particulier les parties informatives, décrivent des systèmes

et méthodes brevetés. Cette information est uniquement fournie pour aider les utilisateurs à comprendre les

principes de fonctionnement de la microscopie confocale. Le présent document n'est ni destiné à privilégier

un quelconque droit de propriété intellectuelle, ni ne concède de licence d'utilisation de techniques brevetées

décrites ici.
© ISO 2019 – Tous droits réservés v
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NORME INTERNATIONALE ISO 25178-607:2019(F)
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de
surface: Surfacique —
Partie 607:
Caractéristiques nominales des instruments sans contact
(microscopie confocale)
1 Domaine d'application

Le présent document décrit les grandeurs d'influence et les caractéristiques des instruments utilisés

dans les systèmes de microscopie confocale (MC) pour le mesurage surfacique de la topographie des

surfaces. Comme les profils de surface peuvent être extraits des images par topographie de surface, les

métodes décrites dans le présent document peuvent également être appliqués aux mesures de profilage

2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et les définitions de l'ISO 25178-600 ainsi que les

suivants, s’appliquent.

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

normalisation, consultables aux adresses suivantes:

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

— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/
3.1
microscopie confocale

méthode de mesure selon laquelle la localisation des images sectionnées optiquement lors d'un

balayage axial à travers le foyer de l'objectif d'un microscope fournit un moyen de déterminer une

image surfacique de la topographie de surface
Note 1 à l'article: Voir aussi ISO 25178-6:2010, 3.3.6.

Note 2 à l'article: Les microscopes confocaux produisent des images sectionnées optiquement en limitant

l'éclairage sur l'échantillon et à travers le système de détection au moyen d'un motif et en balayant dans le plan le

motif mentionné ci-dessous pour remplir l'image (voir aussi Figure B.1).

Note 3 à l'article: Les motifs d'éclairage et de détection peuvent être un ou plusieurs points, une ou plusieurs

fentes, ou tout ordre de structures, qui réduisent efficacement la zone éclairée de la surface. La géométrie de

ces motifs influence l'évaluation des images sectionnées et a une incidence directe sur les caractéristiques

métrologiques de l'instrument.

Note 4 à l'article: La différence entre un capteur point confocal et un microscope confocal est définie par le schéma

de balayage dans le plan. En microscopie confocale, la surface est balayée par un ou plusieurs faisceaux lumineux

travaillant en parallèle. Cela est réalisé au moyen de divers éléments optiques. En revanche, le palpeur confocal

à point unique balaie un seul point à la fois sur l'échantillon en déplaçant soit l'échantillon, soit le palpeur. Une

configuration à capteur confocal chromatique à point unique est décrite dans l'ISO 25178-602:2010, Annexe B.

© ISO 2019 – Tous droits réservés 1
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ISO 25178-607:2019(F)

Note 5 à l'article: Le Tableau 1 compile les autres termes qui sont conformes au moins en partie à la définition

ci-dessus.

Tableau 1 — Exemples d'autres termes parfois utilisés pour le microscope confocal

Acronyme Terme
MCI microscope confocal d'imagerie
MCBL microscope confocal à balayage lasera (voir également en A.2)
MBLC microscope à balayage laser confocala (même méthode que le MCBL)
MLBC microscope à laser à balayage confocal (même méthode que le MCBL)
MBL microscope à balayage laser (même méthode que le MCBL)
MCBD microscope confocal à balayage à disque (voir également en A.3)

MCRP ou MRP microscope confocal à réseau programmable (MCRP) ou microscope à réseau programmable

(voir également en A.4)
MCBM microscope confocal à balayage à micro-affichage (même méthode que le MCRP)
MOBTR microscope optique à balayage en temps réel
MOBC microscope optique à balayage confocal

Le terme « microscope à balayage laser » a été également employé pour désigner les capteurs à balayage laser avec

détecteurs de hauteur, tels que ceux avec triangulation ou focalisation dynamique, qui sont différents des méthodes

confocales décrites ici.
3.2
illumination pattern

disposition de structures uniques ou répétitives placées dans une position d'image conjuguée de

l'objectif du microscope (en général la position du diaphragme de champ), limitant les parties éclairées

sur l'échantillon

Note 1 à l'article: Le motif d'éclairage peut être un sténopé unique, des sténopés équidistants sur une grille, des

fentes, des fentes parallèles, ou tout autre motif réduisant efficacement la taille de la zone éclairée.

3.3
motif d'éclairage

disposition de structures uniques ou répétitives placées dans une position d'image conjuguée de

l'objectif du microscope, arrêtant la lumière hors du foyer réfléchie par la surface et par des parties

précédemment éclairées

Note 1 à l'article: Il n'est pas nécessaire que les motifs d'éclairage et de détection aient la même géométrie.

3.4
balayage dans le plan

déplacement mécanique ou optique des motifs d'éclairage et/ou de détection pour construire une image

à partir de sections optiques

Note 1 à l'article: L'Annexe A décrit le principe du balayage dans le plan pour des dispositions confocales types.

3.5
balayage axial

déplacement mécanique ou optique entre l'échantillon étudié et le système optique d'imagerie

Note 1 à l'article: Le système optique d'imagerie est nominalement parallèle à l'axe de balayage axial du

microscope.
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3.6
longueur de balayage axial

plage totale parcourue par le balayage axial du microscope confocal, habituellement le déplacement

total entre l'échantillon et l'objectif du microscope déplacé par translation le long de son axe optique

pendant l'acquisition de données

Note 1 à l'article: Ce paramètre peut être limité par le déplacement totale du dispositif de balayage axial, mais

il s'agit généralement d'un paramètre choisi par l'opérateur en tenant compte de la plage de hauteurs de la

topographie de surface.
3.7
réponse axiale

signal enregistré pour un point-image individuel de l'image confocale en fonction de la position de

balayage axial
Note 1 à l'article: Voir Figure 1.
Légende
a signal de détecteur normalisé
b z (μm)
1 bruit de fond
2 largeur à mi-hauteur
3 réponse axiale
Figure 1 — Représentation schématique du signal de réponse axiale
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3.8
largeur à mi-hauteur
FWHM
z-HM

zone de la réponse axiale symétrique au pic maximal, où le signal chute jusqu'à la moitié du pic maximal

Note 1 à l'article: La largeur à mi-hauteur is used as a metric (or estimator) of the thickness of the optically

sectioned slice.
3.9
position maximale du signal
position du balayage axial où l'amplitude de la réponse axiale est maximale
3.10
bruit de fond

valeur de la réponse axiale pour des positions axiales éloignées de la position maximale du signal

Note 1 à l'article: Le bruit de fond peut être dû à de la lumière résiduelle réfléchie et dispersée dans l'instrument et

provenant de l'échantillon, « diaphotie » entre des sténopés et un sectionnement incomplet du faisceau lumineux.

Note 2 à l'article: Il existe des méthodes qui réduisent ou utilisent les effets de bruit de fond.

3.11
pas axiaux
distance entre deux images confocales consécutives durant un balayage axial
3.12
fréquence de formation d'images confocales

nombre d'images confocales par seconde fournies par un microscope confocal sans balayage axial

3.13
fréquence de balayage axial

nombre d'images confocales par seconde fournies par un microscope confocal lors d'un balayage axial,

exprimé en nombre de sections dans le plan acquises par seconde

Note 1 à l'article: La fréquence de balayage axial peut être inférieure ou égale à la fréquence de formation

d'images confocales, selon le matériel de balayage utilisé et les algorithmes de traitement.

3.14
surface d'étalonnage de planéité

surface de référence utilisée pour mesurer et corriger l'erreur de planéité du microscope

Note 1 à l'article: La surface d'étalonnage est en général un miroir à surface optiquement plane (planéité ≤ λ/10

et rugosité moyenne R < 0,5 nm).
3.15
algorithme de localisation des pics confocaux

algorithme utilisé pour estimer la position maximale du signal du point de surface à partir de la

réponse axiale

Note 1 à l'article: La position maximale du signal (pic confocal) équivaut à la position axiale de la surface.

Note 2 à l'article: Le pic confocal n'est pas nécessairement représenté par la valeur maximale absolue de la

réponse axiale; il existe de nombreux algorithmes (voir Annexe B).
3.16
pente locale mesurable maximale

la plus grande pente pouvant être mesurée sur une surface optiquement lisse

Note 1 à l'article: Voir ISO 25178-600:2019, Annexe A.
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3.17
pile confocale
série de sections optiques prises lors d'un balayage axial
3.18
image de topographie confocale

areal topography image derived from a stack of optical sections obtained during an axial scan

Note 1 à l'article: Pour chaque pixel de l'image, l'algorithme de localisation des pics confocaux (3.15) est appliqué à

la pile confocale (3.17) pour calculer la hauteur de la surface..
3.19
image d'intensité confocale

image de topographie surfacique construite à partir d'une pile de sections optiques obtenues lors d'un

balayage axial

Note 1 à l'article: Pour chaque pixel de l'image, un algorithme est appliqué pour déterminer l'intensité réfléchie

de la surface. L'algorithme appliqué peut être différent de l'algorithme (3.15) utilisé pour déterminer la hauteur

de la surface..

Note 2 à l'article: Un tel gropue d’images présente en général une profondeur de champ, proche de la plage de

balayage axial.
4 Descriptions des grandeurs d'influence

Le Tableau 2 fournit les grandeurs d'influence pour les instruments utilisés en microscopie confocale.

Le tableau indique les caractéristiques métrologiques (voir ISO 25178-600:2019, Tableau 1) affectées

par des écarts des grandeurs d'influence.
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ISO 25178-607:2019(F)
Tableau 2 — Grandeurs d'influence en microscopie confocale
Caractéristi
que
Composant Élément Grandeurs d'influence
métrologique
affectée
λ Longueur d'onde optique de mesure α
0 z
(voir ISO 25178-600)
Source lumineuse
B Largeur de bande passante optique de mesure α
λ0 z
(voir ISO 25178-600)
A Ouverture numérique du microscope α , α , α , W
N x y z R
(voir ISO 25178-600)
M Grossissement entre la taille des objets sur la surface et la α , α
IMG x y
taille des images sur le capteur
Δ Aberrations optiques – fonction décrivant les écarts α
PATH z
nets du trajet optique mesuré du système, découlant des
imperfections du système optique et de la topographie de la
surface d'étalonnage de planéité
Système d'imagerie du
Q Qualité générale des composants optiques utilisés, y α , α , z , l ,
microscope
OPT x y FLT x
compris les aberrations, la transmission et les erreurs l , l , W , Δ , Δ
y z R x y
d'alignement.
P Distorsion latérale de l'image agrandie sur la caméra α , α , α , z ,
DISxy x y z FLT
l , l , l , W
x y z R,
Δ , Δ
x y
U Uniformité d'éclairage – répartition de l'éclairage dans α , α , α , z ,
I(x,y) x y z FLT
le champ de vision de l'objet (une répartition hautement l , l , l
x y z
uniforme et constante est souhaitée)
δ Espacement des pixels suivant l'axe x de la caméra α , W
x x R
d'imagerie
Caméra
δ Espacement des pixels suivant l'axe y de la caméra α W
y y, R
d'imagerie
f Fréquence de balayage axial (3.13) α , l
z z z
z Longueur de balayage axial (3.6) α , l
Logiciel TOT z z
d'acquisi
Δ Pas axiaux (3.11) α
z z
tion
T Temps d'intégration requis pour réaliser un seul balayage
Contrôleur I
suivant l'axe z
Logiciel
d'analyse A Algorithme de localisation des pics confocaux (3.15) α , l
ALG z z
de profil
Pas d'échantillonnage latéral – égal à l'espacement W
D or
latéral entre les pixels de la caméra (δ , δ ) divisé par le
x y
grossissement (ISO 25178-600)
Δ Linéarité du balayage α , l
z-LIN z z
Instrument dans son
Bruit de l'instrument
ensemble
N N
I M
(ISO 25178-600)
N Vibrations ambiantes – mouvement indésirable entre la N
VIB M
surface en cours de mesurage et le système optique

Ces grandeurs d'influence résultent de l'interaction entre l'instrument et l'échantillon mesuré.

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ISO 25178-607:2019(F)
Tableau 2 (suite)
Caractéristi
que
Composant Élément Grandeurs d'influence
métrologique
affectée
θ Inclinaison – angle relatif formé par l'axe optique du α , α , α
TLT x y z
système et la normale à l'échantillon. Les pentes de la
surface de l'objet qui provoquent la réflexion de la lumière
au niveau ou au voisinage de la limite ou en dehors de
l'ouverture numérique de l'objectif sont également
susceptibles de provoquer un important affaiblissement du
signal. Par conséquent, dans les systèmes optiques, la pente
locale mesurable maximale (3.16) est largement déterminée
par l'ouverture numérique. La question est illustrée dans
Échantillon
l’ISO 25178-600
n Indice de réfraction complexe de matériaux différents α
T Épaisseur des films transparents ou semi-transparents (see α
FLM z
Annex C for more information)
F Caractéristiques sous-résolues – Caractéristiques de l'objet α
UR z
ayant des dimensions latérales de même ordre de grandeur
ou plus petites que la résolution latérale

Ces grandeurs d'influence résultent de l'interaction entre l'instrument et l'échantillon mesuré.

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Annexe A
(informative)
Classification des techniques de balayage dans le planpour les
microscopes confocaux
A.1 Généralités

La présente annexe décrit quelques principes techniques utilisés pour le balayage des motifs d'éclairage

et de détection d'une disposition confocale dans le plan perpendiculaire à l'axe optique (plan x,y) pour

produire une section optique. Pour obtenir une carte topographique de la surface, le balayage dans le

plan doit être combiné avec le balayage axial pour produire une série de sections optiques. Le processus

de balayage axial est décrit à l'Annexe B.

Plusieurs dispositions confocales différentes ont été développées. Il existe différentes techniques pour

le balayage dans le plan, les motifs d'éclairage et de détection, et les dispositions des détecteurs. Chaque

configuration différente optimise une application donnée, par exemple augmentation maximale de

l'efficacité lumineuse, optimisation du rapport signal/bruit, optimisation de la vitesse, simplification

ou réduction des coûts relatifs au matériel, adaptation à différentes longueurs d'onde d'excitation, et

autres. Les trois configurations types des microscopes confocaux sont les suivantes: balayage laser,

balayage à disque et balayage à réseau programmable.
A.2 Configuration d'un microscope confocal à balayage laser (MCBL)

Dans un microscope confocal à balayage laser, le motif d'éclairage et de détection se compose de

deux sténopés distincts placés dans des plans focaux conjugués au plan focal de l'objectif. Le faisceau

émanant du sténopé d'éclairage est balayé en trames à travers l'échantillon afin de construire une image

confocale point par point. La Figure A.1 illustre la configuration de base d'un MCBL. Un faisceau laser

éclaire un sténopé. L'image du sténopé est formée sur l'échantillon placé dans le plan focal de l'objectif.

La lumière reflétée ou rétrodiffusée par l'échantillon repasse à travers l'objectif et forme une image

sur un second sténopé appelé ouverture confocale, placé dans une position conjuguée par rapport au

sténopé d'éclairage. Un détecteur situé à l'arrière de l'ouverture confocale enregistre le signal réfléchi

par la surface. La lumière réfléchie par des positions situées hors du foyer atteint le plan de l'ouverture

confocale sous la forme d'une image hors du foyer (floue), générant un signal faible au niveau du plan

de détection. Le faisceau du sténopé d'éclairage est balayé en trames le long des directions x et y afin de

générer une image confocale. En général, le faisceau est incurvé par deux miroirs qui tournent dans des

directions perpendiculaires.
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Légende
1 laser
2 sténopé d'éclairage
3 séparateur de faisceau
4 détecteur
5 ouverture confocale
6 lentille de champ
7 dispositif de balayage par faisceau
8 objectif
9 dispositif de balayage axial
10 échantillon
Traits mixtes: axes optiques
Traits pleins: trajet d'éclairage et d'observation
Figure A.1 — Configuration type d'un MCBL
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A.3 Configuration d'un microscope confocal à balayage à disque (MCBD)

La structure du motif pour le balayage dans le plan peut se présenter sous la forme de sténopés ou de

fentes multiples. La Figure A.2 est une représentation schématique de base d'un microscope confocal à

balayage à disque avec, dans ce cas, un motif à sténopés multiples. Une source lumineuse est collimatée

et dirigée vers un disque à sténopés multiples. Le disque comprend un motif d'ouvertures (Figure A.3)

qui fonctionne en même temps que le motif d'éclairage et le motif de détection. L'image de chacun des

sténopés est formée sur la surface au moyen d'une lentille de champ et de l'objectif du microscope. La

lumière réfléchie ou rétrodiffusée par les surfaces pour chaque point éclairé repasse à travers l'objectif

et la lentille de champ, puis elle est focalisée sur le même sténopé du disque. La lumière provenant

du plan focal est bien focalisée sur la surface du disque tandis que la lumière provenant des régions

situées hors du foyer est focalisée sur des régions situées devant ou derrière le disque. Chacun des

sténopés agit simultanément comme un élément d'éclairage et de détection. La lumière transmise à

travers les sténopés est focalisée sur un détecteur bidimensionnel de lumière, tel qu'une caméra CCD.

La rotation du disque à vitesse élevée émet de la lumière et filtre la lumière située hors foyer de manière

séquentielle et produit une image sectionnée optiquement.
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Légende
1 source lumineuse
2 collimateur
3 séparateur de faisceau
4 disque de balayage
5 moteur
6 objectif
7 disque de balayage axial
8 échantillon
9 lentille de tube
10 filtre de sténopés multiples
11 détecteur
12 système optique d'imagerie
Traits en pointillés: trajet du faisceau d’éclairage
Traits mixtes: axes optiques
Traits pleins: trajet du faisceau d’observation
Figure A.2 — Configuration type d'un microscope MCBD
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NOTE Les tailles et les densités des sténopés ne sont pas à l'échelle.
Figure A.3 — Schematic diagram of a multi-pinhole disc in a DSCM
A.4 Configuration d'un microscope confocal à réseau programmable (MCRP ou
MRP)

Les microscopes à réseaux programmables (MRP) peuvent être utilisés dans des configurations

confocales pour établir la méthode MCRP. De la même manière que les microscopes à balayage à disque,

les microscopes à réseaux programmables (MRP) utilisent un éclairage parallèle pour augmenter

[26]

la vitesse de balayage, la vitesse du signal ou les deux . L'élément actif sur un MRP est un micro-

afficheur, tel qu'un micro-dispositif numérique à miroir (DMD) placé, par exemple, dans la position du

diaphragme de champ du microscope. Le micro-dispositif sert à générer les motifs d'éclairage et/ou de

[15]
détection
[5]

Un microscope MRP peut être configuré en mode éclairage seul ou en mode éclairage et détection .

En mode éclairage seul, les pixels du micro-afficheur sont utilisés pour limiter les points lumineux sur

la surface et le sectionnement optique sont réalisées à l'aide des pixels d'une caméra CCD. Par contre,

en mode éclairage et détection, les pixels du micro-afficheur sont utilisés pour éclairer la surface et en

même temps pour filtrer la lumière située hors du foyer. La Figure A.4 présente une configuration type

d'un microscope MPR en mode éclairement seul.

Un microscope MRP fonctionnant en mode éclairage et détection est similaire à un microscope MCBD,

où le disque est remplacé par le micro-afficheur. Chaque pixel du micro-afficheur agit simultanément

comme l'élément d'éclairage et de détection. Les microscopes MRP en mode éclairage et détection sont

choisis en raison de la formation d'images à grande vitesse, mais ils présentent un inconvénient qui

réside dans leur faible efficacité lumineuse. Le principal avantage d'un microscope MRP réside dans le

fait que le motif d'éclairage et de détection peut être adapté à la surface étudiée. Le motif d'éclairage peut

être une série d'éléments équidistants (agissant comme des sténopés), simulant un disque à sténopés

multiples, ou une série de fentes parallèles, ou tout autre motif qui limite efficacement la quantité de

régions éclairées.
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Légende
1 micro-afficheur ou DMD
2 source lumineuse
3 c
...

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