ISO 25178-603:2013
(Main)Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 603: Nominal characteristics of non-contact (phase-shifting interferometric microscopy) instruments
Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 603: Nominal characteristics of non-contact (phase-shifting interferometric microscopy) instruments
ISO 25178-603:2013 describes the metrological characteristics of phase-shifting interferometric (PSI) profile and areal surface texture measuring microscopes.
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface: Surfacique — Partie 603: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (microscopes interférométriques à glissement de franges)
L'ISO 25178-603:2013 décrit les caractéristiques métrologiques des microscopes de mesure de profil et d'état de surface surfacique par interférométrie à glissement de franges (PSI).
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 25178-603
First edition
2013-10-01
Geometrical product specifications
(GPS) — Surface texture: Areal —
Part 603:
Nominal characteristics of non-contact
(phase-shifting interferometric
microscopy) instruments
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface:
Surfacique —
Partie 603: Caractéristiques nominales des instruments sans contact
(microscopes interférométriques à glissement de franges)
Reference number
ISO 25178-603:2013(E)
©
ISO 2013
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ISO 25178-603:2013(E)
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Published in Switzerland
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ISO 25178-603:2013(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Terms and definitions . 1
2.1 Terms and definitions related to all areal surface texture measurement methods . 1
2.2 Terms and definitions related to x- and y-scanning systems . 8
2.3 Terms and definitions related to optical systems .10
2.4 Terms and definitions related to optical properties of the workpiece .12
2.5 Terms and definitions specific to phase-shifting interferometric microscopy .12
3 Descriptions of the influence quantities .13
3.1 General .13
3.2 Influence quantities .14
Annex A (informative) Components of a phase-shifting interferometric (PSI) microscope .16
Annex B (informative) Phase-shifting interferometric (PSI) microscope — Theory of operation .17
Annex C (informative) Errors and corrections for phase-shifting interferometric
(PSI) microscopes .22
Annex D (informative) Relation to the GPS matrix model .25
Bibliography .27
© ISO 2013 – All rights reserved iii
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ISO 25178-603:2013(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. 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. 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 on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical Barriers
to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 213, Dimensional and geometrical product
specifications and verification.
ISO 25178 consists of the following parts, under the general title Geometrical product specification (GPS)
— Surface texture: Areal:
— Part 1: Areal surface texture drawing indication
— Part 2: Terms, definitions and surface texture parameters
— Part 3: Specification operators
— Part 6: Classification of methods for measuring surface texture
— Part 70: Material measures
— Part 71: Software measurement standards
— Part 601: Nominal characteristics of contact (stylus) instruments
— Part 602: Nominal characteristics of non-contact (confocal chromatic probe) instruments
— Part 603: Nominal characteristics of non-contact (phase-shifting interferometric microscopy) instruments
— Part 604: Nominal characteristics of non-contact (coherence scanning interferometric microscopy)
instruments
— Part 605: Nominal characteristics of non-contact (point autofocus probe) instruments
— Part 606: Nominal characteristics of non-contact (focus variation microscopy) instruments
— Part 701: Calibration and measurement standards for contact (stylus) instruments
— Part 702 Calibration of non-contact (confocal chromatic probe) instruments
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ISO 25178-603:2013(E)
— Part 703: Calibration and measurement standards for non-contact (interferometric) instruments
The following part is under preparation: Part 72: XML file format x3p
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ISO 25178-603:2013(E)
Introduction
This part of ISO 25178 is a Geometrical Product Specification standard and is to be regarded as a
general GPS standard (see ISO/TR 14638). It influences the chain link 5 of the chain of standards on
areal surface texture.
This part of ISO 25178 describes the metrological characteristics of phase-shifting interferometric (PSI)
profile and areal surface texture measuring microscopes, designed for the measurement of surface
topography maps. For more detailed information on the phase-shifting interferometry technique, see
Annex A and Annex B.
The ISO/GPS Masterplan given in ISO /TR 14638 gives an overview of the ISO/GPS system of which this
document is a part. The fundamental rules of ISO/GPS given in ISO 8015 apply to this document and
the default decision rules given in ISO 14253-1 apply to specifications made in accordance with this
document, unless otherwise indicated.
NOTE Portions of this document, particularly the informative clauses, may describe patented systems and
methods. This information is provided only to assist users in understanding the operating principles of phase-
shifting interferometry. This document is not intended to establish priority for any intellectual property, nor
does it imply a license to any proprietary technologies that may be described herein.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 25178-603:2013(E)
Geometrical product specifications (GPS) — Surface
texture: Areal —
Part 603:
Nominal characteristics of non-contact (phase-shifting
interferometric microscopy) instruments
1 Scope
This part of ISO 25178 describes the metrological characteristics of phase-shifting interferometric (PSI)
profile and areal surface texture measuring microscopes.
2 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
2.1 Terms and definitions related to all areal surface texture measurement methods
2.1.1
areal reference
component of the instrument that generates a reference surface with respect to which the surface
topography is measured
2.1.2
coordinate system of the instrument
right hand orthonormal system of axes (x, y, z) where
— (x, y) is the plane established by the areal reference of the instrument (note that there are optical
instruments that do not possess a physical areal guide);
— z-axis is mounted parallel to the optical axis and is perpendicular to the (x, y) plane for an optical
instrument; the z-axis is in the plane of the stylus trajectory and is perpendicular to the (x, y) plane for
a stylus instrument
Note 1 to entry: Normally, the x-axis is the tracing axis and the y-axis is the stepping axis. (This note is valid for
instruments that scan in the horizontal plane.)
Note 2 to entry: See also “specification coordinate system” [ISO 25178-2:2012, 3.1.2] and “measurement coordinate
system” [ISO 25178-6:2010, 3.1.1].
SEE: Figure 1.
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ISO 25178-603:2013(E)
2
1
Key
1 coordinate system of the instrument
2 measurement loop
Figure 1 — Coordinate system and measurement loop of the instrument
2.1.3
measurement loop
closed chain which comprises all components connecting the workpiece and the probe, e.g. the means of
positioning, the work holding fixture, the measuring stand, the drive unit, the probing system
Note 1 to entry: The measurement loop will be subjected to external and internal disturbances that influence the
measurement uncertainty.
SEE: Figure 1.
2.1.4
real surface of a workpiece
set of features which physically exist and separate the entire workpiece from the surrounding medium
Note 1 to entry: The real surface is a mathematical representation of the surface that is independent of the
measurement process.
Note 2 to entry: See also “mechanical surface” [ISO 25178-2:2012, 3.1.1.1 or ISO 14406:2010, 3.1.1] and
“electromagnetic surface” [ISO 25178-2:2012, 3.1.1.2 or ISO 14406:2010, 3.1.2].
Note 3 to entry: The electromagnetic surface considered for one type of optical instrument may be different from
the electromagnetic surface for other types of optical instruments.
2.1.5
surface probe
device that converts the surface height into a signal during measurement
Note 1 to entry: In earlier standards, this was termed “transducer”.
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ISO 25178-603:2013(E)
2.1.6
measuring volume
range of the instrument stated in terms of the limits on all three coordinates measured by the instrument
Note 1 to entry: For areal surface texture measuring instruments, the measuring volume is defined by the
measuring range of the x- and y- drive units, and the measuring range of the z-probing system.
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.1]
2.1.7
response curve
F , F , F
x y z
graphical representation of the function that describes the relation between the actual quantity and the
measured quantity
Note 1 to entry: An actual quantity in x (respectively y or z) corresponds to a measured quantity x
M
(respectively y or z ).
M M
Note 2 to entry: The response curve can be used for adjustments and error corrections.
SEE: Figure 2
3
2
1
4
Key
1 response curve 3 measured quantities
2 assessment of the linearity deviation by polynomial 4 input quantities
approximation
Figure 2 — Example of a nonlinear response curve
[ISO 25178-601:2010, 3.4.2]
2.1.8
amplification coefficient
α , α , α
x y z
slope of the linear regression curve obtained from the response curve (2.1.7)
Note 1 to entry: There will be amplification coefficients applicable to the x, y and z quantities.
Note 2 to entry: The ideal response is a straight line with a slope equal to 1 which means that the values of the
measurand are equal to the values of the input quantities.
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ISO 25178-603:2013(E)
[1]
Note 3 to entry: See also “sensitivity of a measuring system” (ISO/IEC Guide 99:2007, 4.12) .
SEE: Figure 3
1
6
3
4
5
2
Key
1 measured quantities 4 linearization of the response curve of Figure 2
2 input quantities 5 line from which the amplification coefficient α is
derived
3 ideal response curve 6 local residual correction error before adjustment
Figure 3 — Example of the linearization of a response curve
[ISO 25178-601:2010, 3.4.3, modified — Note 3 to entry has been added.]
2.1.9
instrument noise
N
I
internal noise added to the output signal caused by the instrument if ideally placed in a noise-free environment
Note 1 to entry: Internal noise can be due to electronic noise, as e.g. amplifiers, or to optical noise, as e.g. stray light.
Note 2 to entry: This noise typically has high frequencies and it limits the ability of the instrument to detect small
scale spatial wavelengths of the surface texture.
Note 3 to entry: The S-filter according ISO 25178-3 may reduce this noise.
Note 4 to entry: For some instruments, instrument noise cannot be estimated because the instrument only takes
data while moving.
2.1.10
measurement noise
N
M
noise added to the output signal occurring during the normal use of the instrument
Note 1 to entry: Notes 2 and 3 of 2.1.9 apply as well to this definition.
Note 2 to entry: Measurement noise includes instrument noise (2.1.9).
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ISO 25178-603:2013(E)
2.1.11
surface topography repeatability
repeatability of topography map in successive measurements of the same surface under the same
conditions of measurement
Note 1 to entry: Surface topography repeatability provides a measure of the likely agreement between repeated
measurements normally expressed as a standard deviation.
[1]
Note 2 to entry: See ISO/IEC Guide 99:2007 , 2.15 and 2.21, for a general discussion of repeatability and
related concepts.
Note 3 to entry: Evaluation of surface topography repeatability is a common method for determining the
measurement noise.
2.1.12
sampling interval in x
D
x
distance between two adjacent measured points along the x-axis
Note 1 to entry: In many microscopy systems, the sampling interval is determined by the distance between
sensor elements in a camera, called pixels. For such systems, the terms pixel pitch and pixel spacing are often
used interchangeably with the term sampling interval. Another term, pixel width, indicates a length associated
with one side (x or y) of the sensitive area of a single pixel and is always smaller than the pixel spacing. Yet another
term, sampling zone, may be used to indicate the length or region over which a height sample is determined. This
quantity could either be larger or smaller than the sampling interval. See also A.3.
2.1.13
sampling interval in y
D
y
distance between two adjacent measured points along the y-axis
Note 1 to entry: In many microscopy systems the sampling interval is determined by the distance between sensor
elements in a camera, called pixels. For such systems, the terms pixel pitch and pixel spacing are often used
interchangeably with the term sampling interval. Another term, pixel width, indicates a length associated with
one side (x or y) of the sensitive area of a single pixel and is always smaller than the pixel spacing. Yet another
term, sampling zone, may be used to indicate the length or region over which a height sample is determined. This
quantity could either be larger or smaller than the sampling interval. See also A.3.
2.1.14
digitization step in z
D
Z
smallest height variation along the z-axis between two ordinates of the extracted surface
2.1.15
lateral resolution
R
l
smallest distance between two features which can be detected
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.10, modified — The word “separation” has been removed before
“distance”.]
2.1.16
width limit for full height transmission
W
l
width of the narrowest rectangular groove whose measured height remains unchanged by the measurement
Note 1 to entry: Instrument properties (such as the sampling interval in x and y, the digitization step in z, and the
short wavelength cutoff filter) should be chosen so that they do not influence the lateral resolution and the width
limit for full height transmission.
Note 2 to entry: When determining this parameter by measurement, the depth of the rectangular groove should
be close to that of the surface to be measured.
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ISO 25178-603:2013(E)
t ≥ W
l
a) Grid with horizontal spacing where t is greater than or equal to W
l
t
b) Measurement of the grid in a) — The spacing and depth of the grid are measured correctly
t’ < W
l
c) Grid with horizontal spacing t’ smaller than W
l
t’
d) Measurement of the grid in c) — The spacing is measured correctly but the depth is smaller
(d’ < d)
Figure 4 — Examples of grids and their measurements
EXAMPLE 1 Measuring a grid for which the grooves are wider than the width limit for full height transmission
leads to a correct measurement of the groove depth [see Figure 4 a) and b)].
EXAMPLE 2 Measuring a grid for which the grooves are narrower than the width limit for full height transmission
leads to an incorrect groove depth [see Figure 4 c) and d)]. In this situation, the signal is generally disturbed and
may contain non-measured points.
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.11, modified — The definition is identical. The notes, examples and
figures are different.]
6 © ISO 2013 – All rights reserved
d d
d
d’
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ISO 25178-603:2013(E)
2.1.17
lateral period limit
D
LIM
spatial period of a sinusoidal profile at which the height response of an instrument falls to 50 %
Note 1 to entry: The lateral period limit is one metric for describing spatial or lateral resolution of a surface
topography measuring instrument and its ability to distinguish and measure closely spaced surface features. Its
value depends on the heights of surface features and on the method used to probe the surface. Maximum values
for this parameter are listed in ISO 25178-3: 2012, Table 3, in comparison with recommended values for short
wavelength (s-) filters and sampling intervals.
Note 2 to entry: Spatial period is the same concept as spatial wavelength and is the inverse of spatial frequency.
Note 3 to entry: One factor related to the value of D for optical tools is the Rayleigh criterion (2.3.7). Another
LIM
is the degree of focus of the objective on the surface.
Note 4 to entry: One factor related to the value of D for contact tools is the stylus tip radius, r (see 25178–601).
LIM TIP
Note 5 to entry: Other terms related to lateral period limit are structural resolution and topographic spatial resolution
2.1.18
maximum local slope
greatest local slope of a surface feature that can be assessed by the probing system
Note 1 to entry: The term “local slope” is defined in ISO 4287:1997, 3.2.9.
2.1.19
instrument transfer function
ITF
f
ITF
function of spatial frequency describing how a surface topography measuring instrument responds to
an object surface topography having a specific spatial frequency
Note 1 to entry: Ideally, the ITF tells us what the measured amplitude of a sinusoidal grating of a specified spatial
frequency ν would be relative to the true amplitude of the grating.
Note 2 to entry: For several types of optical instruments, the ITF may be a nonlinear function of height except for
heights much smaller than the optical wavelength.
2.1.20
hysteresis
x , y , z
HYS HYS HYS
property of measuring equipment or characteristic whereby the indication of the equipment or value of
the characteristic depends on the orientation of the preceding stimuli
Note 1 to entry: Hysteresis can also depend, for example, on the distance travelled after the orientation of
stimuli has changed.
Note 2 to entry: For lateral scanning systems, the hysteresis is mainly a repositioning error.
[SOURCE: ISO 14978:2006, 3.24, modified — Note 2 to entry and the symbols have been added.]
2.1.21
metrological characteristic
metrological characteristic of a measuring instrument
characteristic of measuring equipment, which may influence the results of
measurement
Note 1 to entry: Calibration of metrological characteristics may be necessary.
Note 2 to entry: The metrological characteristics have an immediate contribution to measurement uncertainty.
Note 3 to entry: Metrological characteristics for areal surface texture measuring instruments are given in Table 1.
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ISO 25178-603:2013(E)
Table 1 — List of metrological characteristics for surface texture measurement methods
Metrological characteristic Symbol Definition Main potential
error along
Amplification coefficient α , α , α 2.1.8 (see Figure 3) x, y, z
X Y Z
Linearity deviation l , l , l Maximum local difference between x, y, z
X Y Z
the line from which the amplifi-
cation coefficient is derived (see
Figure 3 – Key 5) and the response
curve (see Figure 3 – Key 4)
Residual flatness z Flatness of the areal reference z
FLT
Measurement noise N 2.1.10 z
M
Lateral period limit D 2.1.17 z
LIM
Perpendicularity Δ Deviation from 90° of the angle x, y
PERxy
between the x- and y-axes
[SOURCE: ISO 14978:2006, 3.12, modified — The notes are different and the table has been added.]
2.2 Terms and definitions related to x- and y-scanning systems
2.2.1
areal reference guide
component(s) of the instrument that generate(s) the reference surface, in which the probing system
moves relative to the surface being measured according to a theoretically exact trajectory
Note 1 to entry: In the case of x- and y-scanning areal surface texture measuring instruments, the areal reference
guide establishes a reference surface [ISO 25178-2:2012, 3.1.8]. It can be achieved through the use of two linear
and perpendicular reference guides [ISO 3274:1996, 3.3.2] or one reference surface guide.
2.2.2
lateral scanning system
system that performs the scanning of the surface to be measured in the (x,y) plane
Note 1 to entry: There are essentially four aspects to a surface texture scanning instrument system: the x-axis
drive, the y-axis drive, the z-measurement probe and the surface to be measured. There are different ways in
which these may be configured and thus there will be a difference between different configurations as explained
in Table 2.
Note 2 to entry: When a measurement consists of a single field of view of a microscope, x- and y-scanning is not
used. However, when several fields of view are linked together by stitching methods, see Reference [2], the system
is considered to be a scanning system
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ISO 25178-603:2013(E)
Table 2 — Possible different configurations for reference guides (x and y)
Drive unit
a
Two reference guides (x and y) One areal reference guide
Px o Cy Px o Py Cx o Cy Pxy Cxy
A: without arcuate
Px o Cy-A Px o Py-A Cx o Cy-A Pxy-A Cxy-A
error correction
Probing
S: without arcu-
System
ate error or with
Px ο Cy-S Px o Py-S Cx o Cy-S Pxy-S Cxy-S
arcuate error cor-
rected
a For two given functions f and g, f ο g is the combination of these functions.
P x = probing systems moving along the x-axis
P y = probing systems moving along the y-axis
C x = component moving along the x-axis
C y = component moving along the y-axis
2.2.3
drive unit x
component of the instrument that moves the probing system or the surface being measured along the
reference guide on the x-axis and returns the horizontal position of the measured point in terms of the
lateral x-coordinate of the profile
2.2.4
drive unit y
component of the instrument that moves the probing system or the surface being measured along the
reference guide on the y-axis and returns the horizontal position of the measured point in terms of the
lateral y-coordinate of the profile
2.2.5
lateral position sensor
component of the drive unit that provides the lateral position of the measured point
Note 1 to entry: The lateral position can be measured or inferred by using, for example, a linear encoder, a laser
interferometer, or a counting device coupled with a micrometer screw.
2.2.6
speed of measurement
V
x
speed of the probing system relative to the surface to be measured during the measurement along the x-axis
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.13]
2.2.7
static noise
N
S
combination of the instrument and environmental noise on the output signal when the instrument is not
scanning laterally
Note 1 to entry: Environmental noise is caused by e.g. seismic, sonic and external electromagnetic disturbances.
Note 2 to entry: Notes 2 and 3 in 2.1.9 apply to this definition.
Note 3 to entry: Static noise is included in measurement noise (2.1.10)
© ISO 2013 – All rights reserved 9
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ISO 25178-603:2013(E)
2.2.8
dynamic noise
N
D
noise occurring during the motion of the drive units on the output signal
Note 1 to entry: Notes 2 and 3 in 2.1.9 apply to this definition.
Note 2 to entry: Dynamic noise includes the static noise.
Note 3 to entry: Dynamic noise is included in measurement noise (2.1.10).
2.3 Terms and definitions related to optical systems
2.3.1
light source
optical device emitting an appropriate range of wavelengths in a specified spectral region
2.3.2
measurement optical bandwidth
B
λ0
range of wavelengths of light used to measure a surface
Note 1 to entry: Instruments may be constructed with light sources with a limited optical bandwidth and/or with
additional filter elements to further limit the optical bandwidth.
2.3.3
measurement optical wavelength
λ
0
effective value of the wavelength of the light used to measure a surface
Note 1 to entry: The measurement optical wavelength is affected by conditions such as the light source spectrum,
spectral transmission of the optical components, and spectral response of the image sensor array (see Annex A).
2.3.4
angular aperture
angle of the cone of light entering an optical system from a point on the surface being measured
[SOURCE: ISO 25178-602:2010, 3.3.3]
2.3.5
half aperture angle
α
one half of the angular aperture
Note 1 to entry: This angle is sometimes called the “half cone angle” (see Figure 5).
10 © ISO 2013 – All rights reserved
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α
ISO 25178-603:2013(E)
L
P
Key
L lens or optical system
P focal point
α half aperture angle
Figure 5 — Half aperture angle
2.3.6
numerical aperture
A
N
sine of the half aperture angle multiplied by the refractive index n of the surrounding medium
A = n sinα
N
Note 1 to entry: In air for visible light, n ≅ 1.
Note 2 to entry: The numerical aperture is dependent on the wavelength of light. Typically, the numerical aperture
is specified for the wavelength that is in the middle of the measurement optical bandwidth.
2.3.7
Rayleigh criterion
quantity characterizing the spatial resolution of an optical system given by the separation of two point
sources at which the first diffraction minimum of the image of one point source coincides with the
maximum of the other
Note 1 to entry: For a theoretically perfect, incoherent optical system with a filled objective pupil, the Rayleigh
criterion of the optical system is equal to 0,61 λ /A .
0 N
Note 2 to entry: This parameter is useful for characterizing the instrument response to features with heights
much less than λ for optical 3D metrology instruments.
0
2.3.8
Sparrow criterion
quantity characterizing the spatial resolution of an optical system given by the separation of two point
sources at which the second derivative of the intensity distribution vanishes between the two imaged points
Note 1 to entry: For a theoretically perfect, incoherent optical sys
...
NORME ISO
INTERNATIONALE25178-603
Première édition
2013-10-01
Spécification géométrique des produits
(GPS) — État de surface: Surfacique —
Partie 603:
Caractéristiques nominales
des instruments sans contact
(microscopes interférométriques à
glissement de franges)
Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal —
Part 603: Nominal characteristics of non-contact (phase-shifting
interferometric microscopy) instruments
Numéro de référence
ISO 25178-603:2013(F)
©
ISO 2013
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .vi
1 Domaine d’application .1
2 Termes et définitions .1
2.1 Termes et définitions liés à toutes les méthodes de mesure de l’état de
surface surfacique . 1
2.2 Termes et définitions liés aux systèmes de balayage x et y . 8
2.3 Termes et définitions liés aux systèmes optiques .10
2.4 Termes et définitions liés aux propriétés optiques de la pièce .12
2.5 Termes et définitions spécifiques à la microscopie interférométrique à glissement
de franges .12
3 Descriptions des grandeurs d’influence .13
3.1 Généralités .13
3.2 Grandeurs d’influence.14
Annexe A (informative) Composants d’un microscope interférométrique à glissement de
franges (PSI) .16
Annexe B (informative) Principe de fonctionnement d’un microscope interférométrique à
glissement de franges (PSI) .17
Annexe C (informative) Erreurs et corrections des microscopes interférométriques à glissement
de franges (PSI) .22
Annexe D (informative) Relation avec la matrice GPS .25
Bibliographie .27
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Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/CEI, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/CEI, Partie 2, www.iso.
org/directives.
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les
références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration
du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou sur la liste ISO des déclarations de brevets reçues,
www.iso.org/patents.
Les éventuelles appellations commerciales utilisées dans le présent document sont données pour
information à l’intention des utilisateurs et ne constituent pas une approbation ou une recommandation.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 213, Spécifications et vérification
dimensionnelles et géométriques des produits.
L’ISO 25178 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Spécification géométrique
des produits (GPS) — État de surface: Surfacique:
— Partie 1: Indication des états de surface
— Partie 2: Termes, définitions et paramètres d’états de surface
— Partie 3: Opérateurs de spécification
— Partie 6: Classification des méthodes de mesurage de l’état de surface
— Partie 70: Mesures matérialisées
— Partie 71: Étalons logiciels
— Partie 601: Caractéristiques nominales des instruments à contact (à palpeur)
— Partie 602: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à capteur confocal chromatique)
— Partie 603: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (microscopes interférométriques
à glissement de franges)
— Partie 604: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à interférométrie par
balayage à cohérence)
— Partie 605: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à capteur autofocus à point)
— Partie 606: Caractéristiques nominales des instruments sans contact (à variation focale)
— Partie 701: Étalonnage et étalons de mesure pour les instruments à contact (à palpeur)
— Partie 702: Étalonnage et étalons de mesure pour les instruments sans contact (à capteur confocal
chromatique)
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— Partie 703: Étalonnage et étalons de mesures pour les instruments sans contact (microscopes
interférométriques à glissement de franges)
La partie suivante est en cours d’élaboration: Partie 72: Format de fichier XML x3p.
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Introduction
La présente partie de l’ISO 25178 est une norme traitant de la spécification géométrique des produits et
doit être considérée comme une norme GPS générale (voir l’ISO/TR 14638). Elle influence le maillon 5 de
la chaîne de normes concernant l’état de surface surfacique.
La présente partie de l’ISO 25178 décrit les caractéristiques métrologiques des microscopes de mesure
de profil et d’état de surface surfacique par interférométrie à glissement de franges (PSI), conçus pour la
mesure des cartes topographiques des surfaces. Pour plus d’informations sur la technique par balayage
à cohérence, voir les Annexes A et B.
Le schéma directeur ISO/GPS de l’ISO/TR 14638 donne une vue d’ensemble du système ISO/GPS, dont le
présent document fait partie. Les principes fondamentaux du système ISO/GPS, donnés dans l’ISO 8015,
s’appliquent au présent document et les règles de décision par défaut, données dans l’ISO 14253-1,
s’appliquent aux spécifications faites conformément au présent document, sauf indication contraire.
NOTE Certaines parties du présent document, en particulier les articles informatifs, peuvent décrire des
systèmes et des méthodes brevetés. Ces informations ne sont fournies que dans le but d’aider les utilisateurs à
comprendre les principes de fonctionnement de l’interférométrie à glissement de franges. 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 susceptibles pouvant y être décrites.
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NORME INTERNATIONALE ISO 25178-603:2013(F)
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de
surface: Surfacique —
Partie 603:
Caractéristiques nominales des instruments sans contact
(microscopes interférométriques à glissement de franges)
1 Domaine d’application
La présente partie de l’ISO 25178 décrit les caractéristiques métrologiques des microscopes de mesure
de profil et d’état de surface surfacique par interférométrie à glissement de franges (PSI).
2 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s’appliquent.
2.1 Termes et définitions liés à toutes les méthodes de mesure de l’état de surface sur-
facique
2.1.1
référence surfacique
composant de l’instrument générant la surface de référence par rapport à laquelle la topographie de
surface est mesurée
2.1.2
système de coordonnées de l’instrument
système d’axes (x, y, z) orthonormé de sens direct défini ainsi:
— (x, y) est le plan constitué par la référence surfacique de l’instrument (il est à noter qu’il y a des
instruments optiques qui ne possèdent pas de guide surfacique physique).
— l’axe z est monté en parallèle de l’axe optique et est perpendiculaire au plan (x, y) pour un instrument
optique; l’axe z est dans le plan de la trajectoire du stylet et perpendiculaire au plan (x, y) pour un
instrument à stylet.
Note 1 à l’article: Normalement, l’axe x est l’axe d’avance et l’axe y celui de déplacement entre chaque profil. (La
présente note est valable pour les instruments à balayage dans le plan horizontal.)
Note 2 à l’article: Voir aussi système de coordonnées des spécifications [ISO 25178-2:2012, 3.1.2] et système de
coordonnées du mesurage [ISO 25178-6:2010, 3.1.1].
VOIR: Figure 1.
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2
1
Légende
1 système de coordonnées de l’instrument
2 boucle de mesure
Figure 1 — Système de coordonnées et boucle de mesure de l’instrument
2.1.3
boucle de mesure
chaîne fermée comprenant tous les composants connectant la pièce et le palpeur, par exemple le matériel
de positionnement, le dispositif de serrage de la pièce, la table de mesure, les unités d’avance et de
déplacement, le système de palpage
Note 1 à l’article: La boucle de mesure est soumise à des perturbations extérieures et intérieures qui influencent
l’incertitude de mesure.
VOIR: Figure 1.
2.1.4
surface réelle d’une pièce
ensemble des éléments qui existent physiquement et séparent la totalité de la pièce de son environnement
Note 1 à l’article: La surface réelle est une représentation mathématique de la surface qui est indépendante du
processus de mesurage.
Note 2 à l’article: Voir aussi surface mécanique [ISO 25178-2:2012, 3.1.1.1 ou ISO 14406:2010, 3.1.1] et surface
électromagnétique [ISO 25178-2:2012, 3.1.1.2 ou ISO 14406:2010, 3.1.2].
Note 3 à l’article: La surface réelle électromagnétique considérée pour un type d’instrument optique peut être
différente de la surface réelle électromagnétique pour d’autres types d’instruments optiques.
2.1.5
palpeur de surface
dispositif convertissant la hauteur de surface en un signal pendant le mesurage
Note 1 à l’article: Dans les normes antérieures, était appelé transducteur.
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2.1.6
volume de mesure
étendue de l’instrument définie par les limites simultanées de toutes les coordonnées spatiales mesurées
par l’instrument
Note 1 à l’article: Pour les instruments mesurant l’état de surface surfacique, le volume de mesure est défini par
l’étendue de mesure de l’unité d’avance et de l’unité à déplacement transversal, et par l’étendue de mesure du
système de palpage.
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.1]
2.1.7
courbe de réponse
F , F , F
x y z
représentation graphique de la fonction décrivant la relation entre la grandeur réelle et la grandeur mesurée
Note 1 à l’article: Note 1 à l’article: Une grandeur réelle en x (respectivement y ou z) correspond à une grandeur
mesurée x (respectivement y ou z ).
M M M
Note 2 à l’article: La courbe de réponse peut être utilisée pour l’ajustage d’un système de mesure et la
correction des erreurs.
VOIR: Figure 2.
3
2
1
4
Légende
1 courbe de réponse
2 évaluation de l’écart de linéarité par approximation polynomiale
3 grandeurs mesurées
4 grandeurs d’entrée
Figure 2 — Exemple de courbe de réponse non linéaire
[ISO 25178-601:2010, 3.4.2]
2.1.8
coefficient d’amplification
α , α , α
x y z
pente de la courbe de régression linéaire obtenue à partir de la courbe de réponse (2.1.7)
Note 1 à l’article: Il y aura des coefficients d’amplification applicables aux grandeurs en x, y et z.
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Note 2 à l’article: La réponse idéale est une ligne droite avec une pente égale à 1, signifiant que les valeurs du
mesurande sont égales aux valeurs des grandeurs d’entrée.
[1]
Note 3 à l’article: Voir également la sensibilité d’un système de mesure (Guide ISO/CEI 99:2007, 4.12).
VOIR: Figure 3.
1
6
3
4
5
2
Légende
1 grandeurs mesurées
2 grandeurs d’entrée
3 courbe de réponse idéale
4 linéarisation de la courbe de réponse de la Figure 2
5 ligne droite dont le coefficient d’amplification α (pente) est dérivé
6 erreur locale résiduelle de correction avant ajustage
Figure 3 — Exemple de linéarisation d’une courbe de réponse
[ISO 25178-601:2010, 3.4.3, modifiée — La Note 3 à l’article a été ajoutée.]
2.1.9
bruit de l’instrument
N
I
bruit interne ajouté au signal de sortie, causé par l’instrument lorsqu’il est placé de façon idéale dans un
environnement non générateur de bruit
Note 1 à l’article: Le bruit interne peut être dû au bruit électronique, tel que celui des amplificateurs, ou au bruit
optique, tel que celui de la lumière parasite.
Note 2 à l’article: Ce bruit a généralement des fréquences élevées et il limite la capacité de l’instrument à détecter
les longueurs d’onde spatiales de l’état de surface à petite échelle.
Note 3 à l’article: Le filtre S spécifié dans l’ISO 25178-3 peut réduire ce bruit.
Note 4 à l’article: Pour certains instruments, le bruit de l’instrument ne peut pas être estimé car l’instrument ne
prend les données que pendant son déplacement.
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2.1.10
bruit de mesure
N
M
bruit ajouté au signal de sortie, survenant en cours d’utilisation normale de l’instrument
Note 1 à l’article: Les Notes 2 et 3 en 2.1.9 s’appliquent aussi à cette définition.
Note 2 à l’article: Le bruit de mesure inclut le bruit de l’instrument (2.1.9).
2.1.11
répétabilité de la topographie de surface
répétabilité d’une carte topographique pour les mesurages successifs de la même surface dans les
mêmes conditions de mesurage
Note 1 à l’article: La répétabilité topographique de la surface fournit une mesure de la correspondance possible
entre les mesurages répétés, généralement décrits comme un écart-type.
[1]
Note 2 à l’article: Voir le Guide ISO/CEI 99:2007, 2.15 et 2.21, pour une discussion générale sur la répétabilité et
les concepts liés.
Note 3 à l’article: L’évaluation de la répétabilité de la topographie de la surface est une méthode fréquente pour
déterminer le bruit de mesure.
2.1.12
pas d’échantillonnage en x
D
x
distance entre deux points adjacents mesurés suivant l’axe x
Note 1 à l’article: Pour de nombreux systèmes de microscopie, le pas d’échantillonnage est déterminé par la
distance entre les éléments de capteur dans une caméra, appelés pixels. Pour de tels systèmes, les termes pas de
pixel et espacement entre les pixels sont souvent utilisés indifféremment avec le terme pas d’échantillonnage. Un
autre terme, largeur de pixel, indique une longueur associée à un côté (x ou y) de la partie sensible d’un seul pixel
et est toujours plus petit que l’espacement entre les pixels. Cependant, un autre terme, zone d’échantillonnage,
peut être utilisé pour indiquer la longueur ou la partie sur laquelle un échantillon de hauteur permettant est
déterminé. Cette grandeur peut être supérieure ou inférieure au pas d’échantillonnage. Voir également A.3.
2.1.13
pas d’échantillonnage en y
D
y
distance entre deux points adjacents mesurés suivant l’axe y
Note 1 à l’article: Pour de nombreux systèmes de microscopie, le pas d’échantillonnage est déterminé par la
distance entre les éléments de capteur dans une caméra, appelés pixels. Pour de tels systèmes, les termes pas de
pixel et espacement entre les pixels sont souvent utilisés indifféremment avec le terme pas d’échantillonnage. Un
autre terme, largeur de pixel, indique une longueur associée à un côté (x ou y) de la partie sensible d’un seul pixel
et est toujours plus petit que l’espacement entre les pixels. Cependant, un autre terme, zone d’échantillonnage,
peut être utilisé pour indiquer la longueur ou la partie sur laquelle un échantillon de hauteur permettant est
déterminé. Cette grandeur peut être supérieure ou inférieure au pas d’échantillonnage. Voir également A.3.
2.1.14
pas de numérisation en z
D
z
plus petite variation de hauteur suivant l’axe z entre deux ordonnées de la surface extraite
2.1.15
résolution latérale
R
l
plus petite distance pouvant être détectée entre deux éléments de surface
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.10]
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2.1.16
largeur limite pour une transmission de la hauteur totale
W
l
plus petite largeur de rainure rectangulaire dont la profondeur reste inchangée par le mesurage
Note 1 à l’article: Il convient de choisir les propriétés de l’instrument (telles que le pas d’échantillonnage en x et y,
le pas de numérisation en z, et le filtre de coupure des longueurs d’ondes courtes), de sorte qu’elles n’influencent
pas la résolution latérale et la largeur limite pour une transmission de la hauteur totale.
Note 2 à l’article: En déterminant ce paramètre par mesurage, il convient que la profondeur de la rainure
rectangulaire soit proche la surface à mesurer.
t ≥ W
l
a) Grille avec espacement horizontal où t est supérieur ou égal à W
1
t
b) Mesurage de la grille en a) — L’espacement et la profondeur de la grille sont correctement
mesurés
t’ < W
l
c) Grille avec espacement horizontal où t’ est inférieur à W
1
t’
d) Mesurage de la grille en c) — L’espacement est correctement mesuré mais la profondeur est
plus petite (d’ < d)
Figure 4 — Exemples de grilles et leurs mesurages
EXEMPLE 1 Le mesurage d’une grille dont les rainures sont plus larges que la largeur limite pour une
transmission de la hauteur totale conduit à un mesurage correct de la profondeur de rainure [voir Figure 4 a) et b)].
EXEMPLE 2 Le mesurage d’une grille dont les rainures sont plus étroites que la largeur limite pour une
transmission de la hauteur totale conduit à un mesurage incorrect de la profondeur de rainure [voir Figure 4 c) et
d)]. Dans cette situation, le signal est en général perturbé et peut contenir des points non mesurés.
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.11, modifiée — La définition est identique. Les notes, exemples et
figures sont différents.]
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d d
d
d’
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2.1.17
période latérale limitée
D
LIM
période spatiale d’un profil sinusoïdal pour laquelle la réponse de hauteur d’un instrument tombe à 50 %
Note 1 à l’article: La période latérale limite est un métrique permettant de décrire la résolution latérale ou spatiale
d’un instrument de mesure de la topographie d’une surface et ses capacités à distinguer et mesurer des éléments
de surface proches. Sa valeur dépend des hauteurs des éléments de surface et de la méthode utilisée pour palper la
surface. Les valeurs maximales de ce paramètre sont données dans l’ISO 25178-3, Tableau 3, en comparaison avec
les valeurs recommandées pour les filtres (-s) à longueurs d’onde courtes et les pas d’échantillonnage.
Note 2 à l’article: Le concept de période spatiale est le même que celui de longueur d’onde spatiale et s’oppose à celui
de fréquence spatiale.
Note 3 à l’article: Un facteur lié à la valeur de D pour les outils optiques est le critère de Rayleigh (2.3.7). Un
LIM
autre facteur est le degré de concentration de l’objectif sur la surface.
Note 4 à l’article: Un facteur lié à la valeur de D pour les outils de contact est le rayon de la touche du stylet, r
LIM TIP
(voir l’ISO 25178-601).
Note 5 à l’article: D’autres termes liés à période latérale limite sont la résolution structurelle et la résolution spatiale
topographique
2.1.18
pente locale maximale
pente locale la plus raide d’un élément de la surface pouvant être évaluée par le système de palpage
Note 1 à l’article: Le terme «pente locale» est défini dans l’ISO 4287:1997, 3.2.9.
2.1.19
fonction de transfert de l’instrument
ITF
f
ITF
fonction ou fréquence spatiale décrivant la manière dont l’instrument de mesure de la topographie d’une
surface réagit face à la topographie de la surface d’un objet ayant une fréquence spatiale particulière
Note 1 à l’article: Idéalement, l’ITF nous montre quelle serait la mesure de l’amplitude d’une grille sinusoïdale
d’une fréquence spatiale spécifique ν liée à l’amplitude réelle de la grille.
Note 2 à l’article: Pour plusieurs types d’instruments optiques, l’ITF peut être une fonction non linéaire de la
hauteur, excepté pour les hauteurs bien plus petites que la longueur d’onde optique.
2.1.20
hystérésis
x , y , z
HYS HYS HYS
propriété d’un équipement de mesure ou d’une caractéristique dont l’indication, lorsqu’il s’agit d’un
équipement de mesure, ou la valeur, lorsqu’il s’agit d’une caractéristique, dépend de l’orientation des
signaux d’entrée
Note 1 à l’article: L’hystérésis peut également dépendre, par exemple, de la longueur du déplacement après
modification de l’orientation des signaux d’entrée.
Note 2 à l’article: Pour les systèmes à balayage latéral, l’hystérésis est principalement une erreur de
repositionnement.
[SOURCE: ISO 14978:2006, 3.24, modifiée — La Note 2 à l’article et les symboles ont été ajoutés.]
2.1.21
caractéristique métrologique
caractéristique métrologique d’un instrument de mesure
<équipement de mesure> caractéristique susceptible d’avoir une influence sur les résultats de mesure
Note 1 à l’article: L’étalonnage des caractéristiques métrologiques peut être nécessaire.
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Note 2 à l’article: Les caractéristiques métrologiques ont une contribution immédiate à l’incertitude de mesure
Note 3 à l’article: Les caractéristiques métrologiques des instruments de mesure d’état de surface surfacique sont
données dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Liste des caractéristiques métrologiques pour les méthodes de mesure d’état de
surface
Caractéristique métrologique Symbole Définition Erreur potentielle
principale suivant
l’axe
Coefficient d’amplification α , α , α 2.1.8 (voir Figure 3) x, y, z
X Y Z
Déviation de linéarité l , l , l Écart local maximal entre la ligne x, y, z
X Y Z
dont le coefficient d’amplification est
dérivé (voir Figure 3 – légende 5) et
la courbe de réponse (voir Figure 3 –
légende 4)
Planéité résiduelle z Planéité de la référence surfacique z
FLT
Bruit de mesure N 2.1.10 z
M
Période latérale limite D 2.1.17 z
LIM
Perpendicularité Δ Déviation de 90° de l’angle entre les x, y
PERxy
axes x et y
[SOURCE: ISO 14978:2006, 3.12, modifiée — Les notes sont différentes et le tableau a été ajouté.]
2.2 Termes et définitions liés aux systèmes de balayage x et y
2.2.1
référence de guidage surfacique
composant(s) de l’instrument générant la surface de référence, sur laquelle le système de palpage se
déplace par rapport à la surface mesurée, suivant une trajectoire théoriquement exacte
Note 1 à l’article: Pour les instruments de mesure d’état de surface surfacique à balayage x et y, la référence de guidage
surfacique établit une surface de référence [ISO 25178-2:2012, 3.1.8]. Cela peut être obtenu par l’utilisation de deux
références de guidage linéaire et perpendiculaire [ISO 3274:1996, 3.3.2] ou d’une référence de guidage surfacique.
2.2.2
système à balayage latéral
système effectuant le balayage de la surface à mesurer dans le plan (x, y)
Note 1 à l’article: Il existe essentiellement quatre composants à considérer dans un instrument de mesure de l’état
de surface à contact: l’unité d’avance, l’unité à déplacement transversal, le palpeur de mesure de la hauteur (z) et
la surface à mesurer. Ceux-ci peuvent être configurés de différentes manières et les différentes configurations
présentent donc des différences, comme l’explique le Tableau 2.
Note 2 à l’article: Lorsqu’un mesurage comprend le champ de vision d’un microscope, le balayage x et y n’est
pas utilisé. Néanmoins, lorsque plusieurs champs de visions sont liés par des méthodes de brochage (voir
Référence [2]), le système est considéré comme étant un système de balayage.
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ISO 25178-603:2013(F)
Tableau 2 — Différentes configurations possibles pour les références de guidage (x et y)
Unité d’avance
Une référence de guidage
a
Deux références de guidage (x et y)
surfacique
Px o Cy Px o Py Cx o Cy Pxy Cxy
A: sans correction
de l’erreur de distor- Px o Cy-A Px o Py-A Cx o Cy-A Pxy-A Cxy-A
Système
sion d’arc
de pal-
S: sans erreur de
page
distorsion d’arc ou Px ο Cy-S Px o Py-S Cx o Cy-S Pxy-S Cxy-S
avec erreur corrigée
a
Pour deux fonctions, f et g, données, f o g est la combinaison de ces fonctions.
P x = systèmes de palpage se déplaçant suivant l’axe x
P y = systèmes de palpage se déplaçant suivant l’axe y
C x = composant se déplaçant suivant l’axe x
Cy = composant se déplaçant suivant l’axe y
2.2.3
unité d’avance x
composant de l’instrument déplaçant le système de palpage ou la surface mesurée suivant la référence
de guidage sur l’axe x et remet le point mesuré en position horizontale en termes de coordonnées x
latérales du profil
2.2.4
unité d’avance y
composant de l’instrument déplaçant le système de palpage ou la surface mesurée suivant la référence
de guidage sur l’axe y et remet le point mesuré en position horizontale en termes de coordonnées y
latérales du profil
2.2.5
position latérale du capteur
composant des unités d’avance et de déplacement fournissant la position latérale du point mesuré
Note 1 à l’article: La position latérale peut être mesurée ou déduite en utilisant, par exemple, un encodeur linéaire,
un interféromètre laser ou un dispositif de comptage associé à une vis micromètre.
2.2.6
vitesse de mesurage
V
x
vitesse du système de palpage suivant l’axe X par rapport à la surface à mesurer, pendant le mesurage
[SOURCE: ISO 25178-601:2010, 3.4.13]
2.2.7
bruit statique
N
S
combinaison du bruit de l’instrument et du bruit ambiant sur le signal de sortie lorsque l’instrument ne
balaye pas littéralement
Note 1 à l’article: Le bruit ambiant peut être causé par exemple par des secousses sismiques, des nuisances sonores
ou des troubles électromagnétiques extérieurs.
...
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