ISO 25178-604:2025
(Main)Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 604: Design and characteristics of non-contact (coherence scanning interferometry) instruments
Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 604: Design and characteristics of non-contact (coherence scanning interferometry) instruments
This document specifies the design and metrological characteristics of coherence scanning interferometry (CSI) instruments for the areal measurement of surface topography. Because surface profiles can be extracted from surface topography data, the methods described in this document are also applicable to profiling measurements.
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface: Surfacique — Partie 604: Conception et caractéristiques des instruments sans contact (à interférométrie par balayage à cohérence)
Le présent document spécifie la conception et les caractéristiques métrologiques des instruments d'interférométrie par balayage à cohérence (CSI) pour le mesurage surfacique de la topographie de surface. Puisque les profils de surface peuvent être extraits des données de topographie de surface, les méthodes décrites dans le présent document s'appliquent également aux mesurages de profil.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
International
Standard
ISO 25178-604
Second edition
Geometrical product specifications
2025-02
(GPS) — Surface texture: Areal —
Part 604:
Design and characteristics of
non-contact (coherence scanning
interferometry) instruments
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface:
Surfacique —
Partie 604: Conception et caractéristiques des instruments sans
contact (à interférométrie par balayage à cohérence)
Reference number
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Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Instrument requirements . 5
5 Metrological characteristics . 6
6 Design features . 6
7 General information . 6
Annex A (informative) Principles of CSI instruments for areal surface topography measurement . 7
Annex B (informative) Sources of measurement error for CSI instruments .13
Annex C (informative) Relationship to the GPS matrix model .18
Bibliography . 19
iii
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 document 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).
ISO draws attention to the possibility that the implementation of this document may involve the use of (a)
patent(s). ISO takes no position concerning the evidence, validity or applicability of any claimed patent
rights in respect thereof. As of the date of publication of this document, ISO had not received notice of (a)
patent(s) which may be required to implement this document. However, implementers are cautioned that
this may not represent the latest information, which may be obtained from the patent database available at
www.iso.org/patents. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
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, in collaboration with the European Committee for Standardization (CEN)
Technical Committee CEN/TC 290, Dimensional and geometrical product specification and verification, in
accordance with the Agreement on technical cooperation between ISO and CEN (Vienna Agreement).
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 25178-604:2013), which has been technically
revised.
The main changes are as follows:
— removal of the terms and definitions now specified in ISO 25178-600;
— revision of all terms and definitions for clarity and consistency with other ISO standards documents;
— addition of Clause 4 for instrument requirements, which summarizes normative features and
characteristics;
— addition of Clause 5 on metrological characteristics;
— addition of Clause 6 on design features, which clarifies types of instruments relevant to this document;
— addition of an information flow concept diagram in Clause 4;
— revision of Annex A describing the principles of instruments addressed by this document;
— addition of Annex B on metrological characteristics and influence quantities; replacement of the
normative table of influence quantities with an informative description of common error sources and
how these relate the metrological characteristics in ISO 25178-600.
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
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 chain link F of the chains of standards on profile and areal 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 on the relation of this document to other standards and the GPS matrix model,
see Annex C.
This document includes terms and definitions relevant to the coherence scanning interferometry (CSI)
instrument for the measurement of areal surface topography. Annex A briefly summarizes CSI instruments
and methods to clarify the definitions and to provide a foundation for Annex B, which describes common
sources of uncertainty and their relation to the metrological characteristics of CSI.
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 CSI instruments. This
document is not intended to establish priority for any intellectual property, nor does it imply a license to proprietary
technologies described herein.
v
International Standard ISO 25178-604:2025(en)
Geometrical product specifications (GPS) — Surface
texture: Areal —
Part 604:
Design and characteristics of non-contact (coherence
scanning interferometry) instruments
1 Scope
This document specifies the design and metrological characteristics of coherence scanning interferometry
(CSI) instruments for the areal measurement of surface topography. Because surface profiles can be
extracted from surface topography data, the methods described in this document are also applicable to
profiling measurements.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content constitutes
requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references,
the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 25178-600:2019, Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 600:
Metrological characteristics for areal topography measuring methods
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 terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
coherence scanning interferometry
CSI
surface topography measurement method wherein the localization of interference fringes (3.7) during a scan
of optical path length provides a means to determine a surface topography map
Note 1 to entry: The optical path length difference is the difference in optical path length, including the effect
of geometry and refractive index, between the measurement and reference paths of an interferometer (see
ISO 10934:2020, 3.3.1).
Note 2 to entry: CSI uses a broad illumination spectral bandwidth or the illumination geometry, or both, to localize the
interference fringes.
Note 3 to entry: CSI uses either fringe localization alone or in combination with interference phase (3.8) evaluation,
depending on the surface type, desired surface topography repeatability and software capabilities.
Note 4 to entry: Table 1 provides a list of alternative terms for CSI that are within the scope of this document.
Table 1 — Summary of common alternative terms for CSI
Term Bibliography
Coherence probe microscopy
References [13], [14], [15],
Coherence radar
[16], [17] and [18]
Coherence correlation interferometry
White light interferometry
References [19], [20] and
White light scanning interferometry
[21]
Scanning white light interferometry
Vertical scanning interferometry
References [22] and [23]
Height scanning interferometry
Full-field optical coherence tomography Reference [24]
[SOURCE: ISO 25178-6:2010, 3.3.5, modified — Note 1 to entry has been replaced by Notes 1 to 4 to entry.]
3.2
coherence scanning interferometry scan
CSI scan
mechanical or optical scan which varies the optical length of either the reference path or measurement path
to vary the optical path difference
Note 1 to entry: The imaging optics is nominally parallel to the axial scan axis of the microscope (see
ISO 25178-607:2019, 3.5).
Note 2 to entry: A CSI signal (3.3) can correspond to a sequence of electronic camera detections of intensity values
during a CSI scan (see Annex A).
Note 3 to entry: In CSI, the most common (but not exclusive) scanning means is a physical adjustment of the path
length of an interferometer (see ISO/TR 14999-2).
Note 4 to entry: Mechanical means for performing the CSI scan can be motorized or piezo-electrically driven stages or
others, depending on the instrument design, the linearity and consistency of the CSI scan, or the desired maximum CSI
scan length (3.5).
3.3
coherence scanning interferometry signal
CSI signal
correlogram
white light interferometry signal
intensity data recorded for an individual image point or camera pixel as a function of CSI scan (3.2) position
Note 1 to entry: See Figure 1 for a simulated example CSI signal for an equivalent wavelength (3.12) of 450 nm and
a measurement optical bandwidth of 110 nm at full width half maximum (see ISO 25178-600:2019, 3.3.2) and a low
illumination numerical aperture (see ISO 10934:2020, 3.1.10.4 and ISO 25178-600:2019, 3.3.6).
Key
X CSI scan position expressed in micrometres B interference fringes
Y intensity C phase gap
A modulation envelope (calculated)
Figure 1 — Defined features of a CSI signal
3.4
coherence scanning interferometry scan increment
CSI scan increment
distance travelled by the CSI scan (3.2) between data captures
Note 1 to entry: A data capture can be a single image point or a camera frame.
Note 2 to entry: The CSI scan increment is most often small enough to sample each interference fringe (3.7) at several
points, e.g. four camera frames per fringe, consistent with the Nyquist criterion. Sub-Nyquist sampling is also possible
for higher data acquisition speeds, at the cost of higher measurement noise.
3.5
coherence scanning interferometry scan length
CSI scan length
total range of physical path length traversed by the CSI scan (3.2)
Note 1 to entry: The CSI scan length should normally be sufficiently long so as to capture the desired surface
topography range plus at least a portion of the modulation envelope width.
3.6
coherence scanning interferometry scanning rate
CSI scanning rate
CSI scan speed
speed at which the CSI scan (3.2) is executed
Note 1 to entry: For a linear CSI scan, the CSI scanning rate is the camera frame rate multiplied by the CSI scan
increment (3.4).
3.7
interference fringe
modulating portion of the CSI signal (3.3), related to the interference
effect and generated by the variation of optical path length during the CSI scan (3.2)
Note 1 to entry: The interference fringes are approximately sinusoidal as a function of scan position.
Note 2 to entry: See Figure 1 for an illustration of the interference fringes of a CSI signal.
Note 3 to entry: The term “interferogram” is often used to describe the image of an interference fringe pattern recorded
by a single camera frame (see ISO/TR 14999-2:2019, 6.2). An interference fringe in an interferogram is an attribute of
the interference pattern; whereas an interference fringe in CSI (3.1) refers to an attribute of a scan-dependent signal,
as illustrated in Figure 1.
3.8
interference phase
phase corresponding to the sinusoidal form of the interference fringes
(3.7) in the CSI signal (3.3)
3.9
modulation amplitude
interference fringe visibility
interference fringe contrast
one-half the peak-to-valley variation or equivalent measure of the
amplitude of the interference fringes (3.7)
Note 1 to entry: See ISO/TR 14999-2:2019, 4.1.2 and 5.2.5, for example uses of the terms “visibility” and “contrast” as
synonyms, respectively.
Note 2 to entry: The modulation amplitude of a CSI signal (3.3) varies as a function of scan position.
3.10
modulation envelope
fringe contrast envelope
fringe visibility function
fringe visibility envelope
degree of coherence as a function of CSI scan position
overall variation in the modulation amplitude (3.9) of a CSI signal (3.3) as a function of scan position
Note 1 to entry: See Figure 1 for an illustration of the modulation envelope of a CSI signal (3.3).
Note 2 to entry: The modulation envelope is a consequence of limited optical coherence, which follows from using a
spectrally broadband light source (white light) or a spatially extended light source, or both.
Note 3 to entry: The modulation envelope is calculated as a function of scan position that depends on the data
analysis method.
3.11
coherence scanning interferometry signal processing option
CSI signal processing option
processing selection that determines whether the software makes use of the modulation envelope (3.10), the
interference phase (3.8), a model-based analysis or other approach to interpreting the CSI signal (3.3)
Note 1 to entry: See Clause A.3.
3.12
equivalent wavelength
λ
eq
change in surface topography height which corresponds to the scan
length between two successive interference fringes (3.7) in the CSI signal (3.3) near the maximum value of
the modulation envelope (3.10) of a CSI signal
Note 1 to entry: The equivalent wavelength is a definition in the context of CSI for the measurement optical wavelength,
defined in ISO 25178-600:2019, 3.3.3, as the “effective value of the wavelength of the light used to measure a surface”.
Note 2 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.
Note 3 to entry: The equivalent wavelength can be calculated from factors related to the instrument design, calibrated
experimentally, or determined as part of the CSI signal analysis (see Clause A.3).
3.13
width of the modulation envelope
scan length over which the signal strength represented by the modulation envelope (3.10) is greater than a
defined value
Note 1 to entry: The width of the modulation envelope is quantifiable in different ways, such as the full width at half
maximum (FWHM).
Note 2 to entry: The width of the modulation envelope is related to the coherence length described in
ISO 11145:2018, 3.11.4, and is a function of the light source bandwidth (see ISO 25178-600:2019, 3.3.2), the camera
spectral sensitivity and geometrical factors such as the numerical aperture of the illumination (see ISO 10934:2020,
3.1.10.4 and ISO 25178-600:2019, 3.3.6).
3.14
phase gap
ϕ
G
offset in units of phase at the equivalent wavelength (3.12) between
the CSI scan (3.2) position for the interference fringe (3.7) and the maximum value of the modulation envelope
(3.10) of a CSI signal (3.3)
Note 1 to entry: See Figure 1 for an example CSI signal illustrating the phase gap.
Note 2 to entry: The phase gap is a calculated value that depends on the data analysis method.
Note 3 to entry: The phase gap can vary as a function of optical dispersion in the instrument optics as well as sample
surface characteristics such as surface films (see ISO 25178-600:2019, 3.4.1), local slope and optically non-uniform
materials (see ISO 25178-600:2019, 3.4.6).
3.15
fringe-order error
2π error
error in the identification of the correct 2π phase interval in a
topography map that makes use of the interference phase (3.8) as part of the CSI signal processing option (3.11)
Note 1 to entry: Fringe-order errors are integer multiples of one-half the equivalent wavelength (3.12) in height.
Note 2 to entry: Fringe-order errors can lead to artificial steps within the topography map. On smooth, continuous
surfaces, these artificial steps can sometimes be corrected by using phase unwrapping algorithms (see
ISO/TR 14999-2:2019, 6.6)
4 Instrument requirements
An instrument according to this document shall perform areal surface topography measurements of a
sample surface using CSI. The instrument shall comprise an interferometer (see ISO/TR 14999-2) and means
to perform a CSI scan. The instrument shall acquire camera images captured at scan positions determined
by a CSI scan increment. The data acquisition proceeds at a CSI scanning rate over a CSI scan length. The
CSI signal for a single image point shall comprise interference fringes having an interference phase and
modulation amplitudes shaped by a modulation envelope characterized by the width of the modulation
envelope. The instrument shall convert acquired data to an areal topography using a CSI signal processing
option that uses the interference fringes or modulation envelope, or both. The topography height values
shall be inferred from either the CSI scanning rate or the equivalent wavelength, or both. If the final surface
topography relies on the interference phase, the CSI signal processing option shall take into account the
phase gap when interpreting the interference fringes, so as to avoid fringe-order errors.
Figure 2 shows the information flow between these elements for a CSI microscope, from the real surface to
a scale-limited surface. Example CSI hardware, techniques and error sources are given in Annexes A and B.
Key
measurand
operator with intended modification
operator without intended modification
Figure 2 — Information flow concept diagram for CSI
5 Metrological characteristics
The standard metrological characteristics for areal surface texture measuring instruments specified in
ISO 25178-600 shall be considered when designing and calibrating the instrument.
Annex B describes sources of measurement error that can influence the calibration result.
6 Design features
Standard design features described in ISO 25178-600 shall be considered in the design.
Annex A provides examples of specific design features of CSI instruments.
7 General information
The relationship between this document and the GPS matrix model is given in Annex C.
Annex A
(informative)
Principles of CSI instruments for areal surface topography
measurement
A.1 General
CSI is a mature technology and there are substantial resources in existing ISO documents listed in the
[25][26]
bibliography and in the published literature regarding instrument design and theory of operation.
[27][28]
This annex is a summary with the goal of clarifying terms and definitions as well as some of the
influence quantities that contribute to the metrological characteristics of CSI.
A.2 Instrument design
Figure A.1 provides an illustration of an example CSI microscope system based on a Michelson interferometer.
[2][16][29][30][31]
The scanning mechanism G imparts a controlled variation of optical path length by means of an axial
scan of the sample part along the z-axis direction (see ISO 25178-607:2019, 3.5). The sample surface lies
nominally within the plane, consistent with the coordinate system defined in ISO 25178-600:2019, 3.1.2, and
is imaged to the electronic camera. Superimposed onto the image of the sample is an interference pattern or
interferogram resulting from the coherent superposition of the light from the sample surface and from the
reference surface (see ISO/TR 14999-2:2019, 6.2.1).
CSI instruments configured as microscopes often have interchangeable interference objectives (see
ISO 25178-603) in place of conventional microscope objectives (see ISO 10934:2020, 3.1.106). These
[25][26][27][32][33][34][35]
objectives have built-in beam splitters and reference surfaces. CSI microscopes can
have the scanning mechanism as part of the part support or integrated into the mount for the interference
objective.
Key
A light source F workpiece
B illumination aperture stop G scanning mechanism
C condensing lens H imaging aperture stop
D beamsplitter I camera lens
E reference mirror J camera
ζ scanning motion K tube lens
Figure A.1 — Schematic diagram of a Michelson-type CSI microscope
The measurement principle is to determine the surface height at each point on the sample surface by analysis
of multiple interference patterns recorded as CSI signals for each image point acquired during a sequence
of controlled CSI scan positions. Figure A.2 shows the camera image at different scan positions during a
data acquisition scan, illustrating the changes in the appearance of the fringes that correspond to horizontal
slices through the object surface topography. Note that elements related to the camera and imaging system
that were shown in Figure A.1 are also part of the assembly but are not shown in Figure A.2.
Key
A objective lens E scanning mechanism
B interferometer beamsplitter F image at beginning of the scan
C reference mirror G image at midpoint of the scan
D workpiece H image at end of the scan
ζ scanning motion
NOTE Figure A.2 shows a conceptual drawing of data acquisition for a CSI microscope equipped with a Mirau-
type interference objective lens.
Figure A.2 — Conceptual drawing of data acquisition for a CSI microscope
A characteristic of most CSI systems is that the reported areal surface topography is everywhere in focus,
even if the topography variations are much greater than the depth of field of the objective lens. This
characteristic assumes that the objectives are adjusted such that the position of best focus and the peak of
[32]
the modulation envelope are coincident. For microscope systems that scan the interference objective, the
objective lenses are of the infinite conjugate type, meaning that a point on the object is imaged at infinity
(see ISO 9335:2012, 4.4.2.3, and ISO/TR 14999-1:2005, 4.1).
Light sources for CSI are most commonly spatially incoherent and spectrally broadband or white
light, exemplified by incandescent lamps or white-light or broadband light-emitting diodes (see
ISO 10934:2020, 3.1.73). CSI instruments are also realized with light sources in the blue, green, red or infrared
wavelengths. The light source can include interchangeable filters for adjusting the illumination spectrum
(see ISO 10934:2020, 3.1.38.7). For dynamically moving objects, such as oscillating microstructures, the
[37][38][39]
light source can be flashed at high speed to stroboscopically freeze the object motion.
For a CSI microscope, the light source is often imaged into the objective pupil in the epi-illumination
Köhler geometry (see ISO 10934:2020, 3.1.73.2 and 3.1.73.3). Many instruments have adjustable light stops
for controlling the size of the illumination field as well as the illumination aperture (see ISO 10934:2020,
[25]
3.1.10.4). In Figure A.1, an illumination aperture stop B controls the numerical aperture (NA) of the
illumination, while an imaging aperture stop H controls the imaging NA.
Depending on the measurement task, it can be useful to have a small diameter aperture stop (component
B in Figure A.1), or equivalently, a small light source, such that the CSI instrument illuminates the sample
with an almost parallel beam. A small illumination NA facilitates a large working distance, shadowing is
avoided and deep surface features can be investigated. However, a small illumination NA reduces the lateral
resolution compared to completely filling the entrance pupil of the objective.
Cameras for the visible wavelengths can be of the charge-coupled device (CCD) or complementary metal-
oxide semiconductor (CMOS type), with a format ranging from 300 000 pixels to over 4 million pixels. The
sampling interval as described in ISO 25178-600:2019, 3.1.17 is determined by the camera format and the
optical magnification (see Clause B.10).
The topographic lateral resolution defined in ISO 25178-600 summarizes the net effect of the camera,
optics and data processing on the ability of the instrument to resolve closely spaced topographical features
on the surface (see also Clauses B.9 and B.10). The net effect of the camera, optics and data processing
on the topographic lateral resolution can be determined in accordance with ISO 25178-700. For example,
the instrument transfer function (ITF) defined in ISO 25178-600:2019, 3.1.19 as a curve, describes an
instrument’s height response as a function of the spatial frequency of the surface topography. Another
approach is given by using the topography fidelity, defined in ISO 25178-600:2019, 3.1.26. The lateral
resolution and the ITF can vary with specific surfaces structures comprising steep slopes, sharp edges or
high aspect ratios. Further information on the ITF can be found in References [2], [40], [41] and [42].
Adjustments upwards or downwards of the position of the objective or a sample stage (not shown in
Figure A.1) brings the test surface into focus (see ISO 10934:2020, 3.1.65). Part setup can require a nominal
adjustment of both focus and tip and tilt, although automation can complete some or all these steps (for
example, see "autofocus" as defined in ISO 10934:2020, 3.2.4).
The CSI scan length is often between 10 μm and 400 μm for piezoelectric scanners. For motorized scanners,
[31]
the scan length can be 70 mm or more. In that CSI measures surface heights by referencing to CSI scan
[25]
position, knowledge of the scanner position is important to the overall accuracy of the CSI instrument.
Although less common, it is feasible to move the reference mirror, beam splitter or some other combination
of optical elements to perform a CSI scan. With a moving reference mirror, the depth of field determines the
range of surface heights accommodated by the instrument.
A.3 CSI theory of operation
As illustrated in Figure 1, a CSI signal is characterized by oscillating interference fringes and an overall
modulation envelope. Depending on the data analysis mode and the instrument design, surface topography
measurements are based on the location of the modulation envelope at each image point during the CSI scan
or the interference phase, or both.
An approximate mathematical model of a CSI signal I(x, y) is shown in Formula (A.1):
4π zx , y −ζ
()(()
2 2
Ix ,,yI= xy +Ix ,,yz exp − xy −ζσ/2 cos +φ (A.1)
() () () ()()
DC AC G
λ
eq
where
I (x, y) is the background intensity;
DC
I (x, y) is the interference fringe intensity;
AC
z(x, y) surface height for an individual image point;
ζ
is the scan position.
In systems with low illumination and NA (see ISO 10934:2020, 3.1.10.4, and ISO 25178-607), the equivalent
wavelength λ is close to the mean spectral emission wavelength of the light source. The phase gap φ is
eq G
the distance expressed in terms of interference phase between the modulation peak position and the central
bright fringe of the interference pattern. The standard deviation σ is for a Gaussian modelling of the
modulation envelope. The width and shape of the modulation envelope relates to spectral and geometric
[19]
factors that limit both the temporal and spatial coherence. More exact models of CSI signals have a more
[43]
complicated form.
The general strategy for data analysis is to measure the surface topography by identifying a feature of the
modulation envelope, such as the peak, the centroid or the position of stationary phase. As an example, in
Formula (A.1), the maximum value of the modulation envelope is for z=ζ ; therefore, the scan position for
which the modulation envelope reaches its peak value is a measure of surface height. A topography
measurement using the modulation envelope is sometimes referred to as the “coherence profile” or
[44]
“coherence map”, and can be the final reported areal surface topography for optically rough surfaces (see
ISO 25178-600:2019, 3.4.5).
A common signal processing option is to refine the topography by analysis of the interference fringes, e.g.
using zero crossings, sinusoidal fitting or the equivalent of phase shifting interferometry (see ISO 25178-603)
using data collected near the modulation envelope peak. The initial surface topography measurement using
the coherence information determines the appropriate 2π interval for the phase evaluation. A measurement
using interference phase is often considered to be more precise or as having a lower measurement noise than
the coherence map, but is typically restricted to optically smooth surfaces (see ISO 25178-600:2019, 3.4.4).
A wide range of data acquisition strategies and data processing methods are employed in modern
instruments to make use of the modulation envelope alone or together with the interference fringes in
the CSI signal described by Formula (A.1). These acquisition strategies and algorithms include electronic
[45][46]
envelope detection, correlation of the experimental CSI signal with a theoretical or calibrated
[47] [44][48]
complex kernel, and Fourier analysis of the frequency content of the CSI signal. Summary details of
algorithms and data processing methods are provided in References [25], [26], [27] and [28].
A.4 CSI for transparent films profiling
CSI has the ability to separate multiple reflections from semi-transparent film structures on surfaces so as
[15][49]
to measure the surface topography over and under these films. From Figure A.3, it is apparent that for
a single-layer film (see ISO 25178-600:2019, 3.4.3) that is thicker than the width of the modulation envelope,
there are two clearly identifiable modulation envelopes corresponding to surface reflections from the film
boundaries. An approach to generating surface topography maps over films is to identify the right-most
signal as the top-surface signal, as shown in Figure A.3. If the refracting properties of the film are known,
the substrate or other secondary surfaces below the top surface can be mapped for height by analysis of
the signals that follow the top-surface signal, yielding additional information such as 3D film thickness. CSI
instruments may have an adjustable illumination NA, to optimize the signal strength and improve accuracy
[23][50][51]
when viewing through films.
The thinnest film for which the two signals shown in Figure A.3 can be considered separable is related to the
width of the modulation envelope. This lower limit on film thickness is defined informally as the axial response
[52] [20]
or axial resolution of the CSI instrument, in analogy with optical coherence tomography, optical
[53]
microscopy (see ISO 10934:2020, 3.1.128.5) and confocal microscopy (see ISO 25178-607:2019, C.2).
Key
X CSI scan position, in µm A substrate signal
Y intensity B top-surface signal
Figure A.3 — Example CSI signal for a single-layer, partially transparent surface film
A.5 Model-based CSI
Signal modelling allows CSI instruments in many cases to measure surface characteristics beyond
[50]
the limits of the signal processing methods in Clauses A.3 and A.4. As an example, for thin films (see
ISO 25178-600:2019, 3.4.2), the separate signals shown in Figure A.3 can overlap such that it is difficult to
clearly separate them. In this case, an approach is to model the expected signal for a range of film thickness.
A search through a library of such theoretical signals for a match to an experimental result provides the
areal surface topography in the presence of the film, as well as additional dimensional properties of the film
[43][55]
layer.
The same strategy of modelling the CSI signal can be used to determine areal surface topography in
the presence of surface features that are closer together than the topographic spatial resolution (see
ISO 25178-600:2019, 3.1.20). Modelling methods include diffraction calculations with variable parameters
[56][57][58][59]
that include feature height and spacing.
Annex B
(informative)
Sources of measurement error for CSI instruments
B.1 Metrological characteristics and influence quantities
ISO 25178-600:2019, 3.1.28 defines a specific set of metrological characteristics for areal surface topography
measuring instruments. These metrological characteristics capture influence quantities, factors that
can influence a measurement result and can be propagated through an appropriate measurement model
to evaluate measurement uncertainty. See ISO 25178-700 and ISO 12179 for methods for calibration,
adjustment and verification of the metrological characteristics.
In this annex, influence quantities are described that affect the metrological characteristics. Knowledge of
these influence quantities is not needed for uncertainty analysis if it is feasible to perform a direct calibration
of the corresponding metrological characteristics. However, knowledge of influence quantities can be useful
for optimizing measurements and minimizing sources of error.
Table B.1 summarizes the influence quantities discussed in this annex.
Table B.1 — Summary of influence quantities and related metrological characteristics
Item Influence quantity Relevant metrological characteristic
B.2 Equivalent wavelength α amplification coefficient
z
B.3 Mean value of the CSI scan increment α amplification coefficient
z
B.4 Focus effects T topography fidelity
FI
W topographic spatial resolution
R
B.5 Reference mirror flatness z flatness deviation
FLT
B.6 Optical ray tracing error z flatness deviation
FLT
Δx(x,y), Δy(x,y) x-y mapping deviation
B.7 Random environmental vibration N measurement noise
M
B.8 Camera noise N measurement noise
M
B.9 Optical lateral resolution W topographic spatial resolution
R
B.10 Sampling interval W topographic spatial resolution
R
B.11 Optical distortion Δx(x,y), Δy(x,y) x-y mapping deviation
B.12 Surface films T topography fidelity
FI
B.13 Dissimilar materials T topography fidelity
FI
B.14 Surface slopes and discrete step features T topography fidelity
FI
B.15 CSI scan linearity l linearity deviation
z
B.16 Fringe-order errors T topography fidelity
FI
B.2 Equivalent wavelength
The use of interference fringe phase to refine the CSI measurement relies on the equivalent wavelength
λ as the scaling factor for the conversion of phase to surface height. The equivalent wavelength can be
eq
calculated from contributions such as the light source wavelength together with other factors related to
[60][61]
the instrument design. Alternatively, the equivalent wavelength λ can be linked directly to the scan
eq
[25][62][63]
increment so that the envelope detection and phase estimation measurements agree in scale.
The equivalent wavelength is an influence quantity for the amplification coefficient α defined in
z
ISO 25178-600:2019, 3.1.10.
B.3 Mean value of the CSI scan increment
In CSI, unlike many other interferometric techniques that rely on the source wavelength to scale the
[25]
measurement result, the basic unit of measure is the scan increment. The scan increment can be
[64][65]
determined by comparison with a material measure such as a step height, or by a calibration using
[66]
the interference effect with a known equivalent wavelength. Some instruments equip the scanner
with electronic sensors, such as capacitance sensors, linear variable differential transformers (LVDTs),
displacement interferometers, optical encoders or other methods used in feedback systems, to improve scan
[67]
linearity.
The mean value of the CSI scan increment is an influence quantity for the amplification coefficient α defined
z
in ISO 25178-600:2019, 3.1.10.
B.4 Focus effects
In most CSI systems, the position of best focus is coincident with the maximum modulation amplitude. If this
is not the case, perhaps because of thermal effects or inadequate adjustment, the interference patterns used
to calculate the measured surface topography will be blurred, thereby reducing the modulation amplitude.
Focus effects are influence quantities for the topographic spatial resolution W defined in ISO 25178-600:2019,
R
3.1.20, and the topographic fidelity T defined in ISO 25178-600:2019, 3.1.26.
FI
B.5 Reference mirror flatness
For CSI instruments as described in Annex A, the interference pattern is a measure of the difference between
the sample surface topography and a reference flat, also referred to as an “areal reference”, as defined in
ISO 25178-600:2019, 3.1.1. Therefore, the topography of the reference flat is relevant to accurately measuring
[68][69]
surface topography with respect to the areal reference.
Reference mirror flatness is an influence quantity for the flatness deviation z defined in
FLT
ISO 25178-600:2019, 3.1.12.
B.6 Optical ray tracing error
In practice, imperfections in the optical system can have a similar effect to form deviations of the reference
flat. These contributions are difficult to distinguish and are often either calibrated or adjusted, or both, at
[70]
the same time. Optical imperfections can produce flatness deviations that depend on both local slope
and the overall orientation of the sample part. Ray tracing errors can be different between an evaluation
based on the modulation envelope position and the interference fringe phase and can also depend on the
scattering properties of the sample surface.
Optical ray tracing error is an influence quantity for the flatness deviation z defined in ISO 25178-600:2019,
FLT
3.1.12 as well as for x – y mapping deviation Δx(x,y), Δy(x,y) defined in ISO 25178-600:2019, 3.1.13.
B.7 Random environmental vibration
A CSI instrument performs best in an environment isolated from vibration. Often, the instrument is
placed on a vibration isolation table, e.g. a rigid slab supported on air-damped legs. The effect of vibration
depends strongly on its frequency. Vibrational frequencies well below the camera framerate generate form
distortions as a function of sample part orientation, whereas higher frequencies generate cyclic errors that
[71]
vary from measurement to measurement. The effect of vibrations on specific CSI algorithms and data
[71][72][73]
acquisition methods has been studied in detail. Some CSI methods can interpret the interference
[74]
signals to compensate at least in part for the presence of vibration.
Environmental vibration is an influence quantity for the measurement noise N defined in
M
ISO 25178-600:2019, 3.1.15.
B.8 Camera noise
In CSI, the imaging camera can be a significant source of random instrument noise (see ISO 25178-600:2019,
3.1.14). The effect of camera noise on the measurement is a function of the data acquisition time, as well as
[71][73][75][76]
the number of repeat measurements that are used to obtain an average.
...
Norme
internationale
ISO 25178-604
Deuxième édition
Spécification géométrique des
2025-02
produits (GPS) — État de surface:
Surfacique —
Partie 604:
Conception et caractéristiques
des instruments sans contact (à
interférométrie par balayage à
cohérence)
Geometrical product specifications (GPS) — Surface
texture: Areal —
Part 604: Design and characteristics of non-contact (coherence
scanning interferometry) instruments
Numéro de référence
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y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
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CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .vi
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Exigences d'instrument . 5
5 Caractéristiques métrologiques . . 6
6 Éléments de conception . 6
7 Informations générales. 6
Annexe A (informative) Principes des instruments CSI pour le mesurage par topographie de
surface surfacique . 7
Annexe B (informative) Sources d'erreur de mesure pour les instruments CSI .13
Annexe C (informative) Relation avec le modèle de matrice GPS .18
Bibliographie . 19
iii
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’ISO attire l’attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner l’utilisation
d’un ou de plusieurs brevets. L’ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et à l’applicabilité de
tout droit de propriété revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent document, l’ISO n'avait pas
reçu notification qu’un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa mise en application. Toutefois,
il y a lieu d’avertir les responsables de la mise en application du présent document que des informations
plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de brevets, disponible à l'adresse
www.iso.org/brevets. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir identifié tout ou partie de
tels droits de propriété.
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données pour
information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion de
l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au
commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 213, Spécifications et vérification
dimensionnelles et géométriques des produits, en collaboration avec le comité technique CEN/TC 290,
Spécification dimensionnelle et géométrique des produits, et vérification correspondante, du Comité européen
de normalisation (CEN) conformément à l’Accord de coopération technique entre l’ISO et le CEN (Accord de
Vienne).
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 25178-604:2013), dont elle constitue
une révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— suppression des termes et des définitions maintenant spécifiées dans l'ISO 25178-600;
— révision de tous les termes et définitions pour la clarté et la cohérence avec les autres documents
normatifs ISO;
— ajout de l’Article 4 pour les exigences de l'instrument, qui résume les éléments et caractéristiques
normatifs des instruments;
— ajout de l’Article 5 sur les caractéristiques métrologiques;
— ajout de l’Article 6 sur les éléments de conception, qui clarifie les types d'instruments applicables au
présent document;
— ajout d’un diagramme conceptuel de flux d'information à l'Article 4;
— révision de l'Annexe A qui décrit les principes des instruments couverts par le présent document.
iv
— ajout de l’Annexe B sur les caractéristiques métrologiques et sur les grandeurs d'influence, remplacement
du tableau normatif des grandeurs d'influence avec une description informative des sources d'erreur
communes et comment elles sont liées aux caractéristiques métrologiques dans l'ISO 25178-600.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 25178 peut être trouvée sur le site internet de l'ISO.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes se
trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
v
Introduction
Le présent document est une norme de spécification géométrique des produits (GPS) et doit être considéré
comme une norme GPS générale (voir ISO 14638). Elle influence le maillon F de la chaîne de normes
concernant l'état de surface du profil et l'état de surface surfacique.
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 C.
Le présent document inclut des termes et définitions pertinents pour l'instrument d'interférométrie par
balayage à cohérence (CSI) pour le mesurage de topographie de surface surfacique. L'Annexe A résume
brièvement les instruments et méthodes CSI permettant de clarifier les définitions et de fournir une base
pour l'Annexe B qui décrit les sources courantes d'incertitude et leur relation avec les caractéristiques
métrologiques de la CSI.
NOTE Des parties du présent document, en particulier les sections informatives, décrivent des systèmes et
méthodes brevetés. Cette information est donnée uniquement pour aider les utilisateurs à mieux comprendre les
principes de fonctionnement des instruments CSI. Le présent document n'est ni destiné à privilégier un quelconque
droit de propriété intellectuelle, ni n’implique de licence d'utilisation de techniques brevetées susceptibles d'y être
décrites.
vi
Norme internationale ISO 25178-604:2025(fr)
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de
surface: Surfacique —
Partie 604:
Conception et caractéristiques des instruments sans contact
(à interférométrie par balayage à cohérence)
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie la conception et les caractéristiques métrologiques des instruments
d'interférométrie par balayage à cohérence (CSI) pour le mesurage surfacique de la topographie de surface.
Puisque les profils de surface peuvent être extraits des données de topographie de surface, les méthodes
décrites dans le présent document s'appliquent également aux mesurages de profil.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu'ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour
les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 25178-600:2019, Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface: Surfacique — Partie 600:
Caractéristiques métrologiques pour les méthodes de mesure par topographie surfacique
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans 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 https:// www .electropedia .org/
3.1
interférométrie par balayage à cohérence
CSI
méthode de mesure de la topographie des surfaces par laquelle la localisation de franges d'interférence (3.7)
pendant le balayage d'un parcours optique fournit un moyen de déterminer la carte topographique d’une surface
Note 1 à l'article: La différence de longueur de chemin optique est la différence de longueur optique, incluant
l'effet de géométrie et l'indice de réfraction, entre les chemins de mesure et de référence d'un interféromètre (voir
ISO 10934:2020, 3.3.1).
Note 2 à l'article: La CSI utilise une bande spectrale d'éclairage large ou la géométrie d'éclairage, ou les deux, pour
localiser les franges d'interférence.
Note 3 à l'article: La CSI utilise la localisation des franges seule ou combinée à l'évaluation de la phase d'interférence
(3.8), selon le type de surface, la répétabilité de la topographie de surface souhaitée et les capacités du logiciel.
Note 4 à l'article: Le Tableau 1 fournit une liste d'autres termes pour la CSI qui sont dans le domaine d'application du
présent document.
Tableau 1 — Résumé d'autres termes courants pour la CSI
Terme Bibliographie
Microscopie à sonde de cohérence
Réferences [13], [14],
Radar de cohérence
[15], [16], [17] et [18]
Interférométrie de corrélation de cohérence
Interférométrie en lumière blanche
Réferences [19], [20] et
Interférométrie par balayage en lumière blanche
[21]
Interférométrie en lumière blanche à balayage
Interférométrie à balayage vertical
Réferences [22] et [23]
Interférométrie à balayage en hauteur
Tomographie par cohérence optique plein champ Réference [24]
[SOURCE: ISO 25178-6:2010, 3.3.5, modifié — La Note 1 à l'article a été remplacée par les Notes 1 à 4 à
l'article.]
3.2
balayage d'interférométrie par balayage à cohérence
balayage CSI
balayage mécanique ou optique qui fait varier la longueur optique du chemin de référence ou du chemin de
mesure pour faire varier la différence de chemin optique
Note 1 à l'article: Le système optique d'imagerie est nominalement parallèle à l'axe de balayage axial du microscope
(voir ISO 25178-607:2019, 3.5).
Note 2 à l'article: Un signal CSI (3.3) peut correspondre à une séquence de détections de valeurs d'intensité par une
caméra électronique pendant un balayage CSI (voir Annexe A).
Note 3 à l'article: Dans la CSI, le moyen de balayage le plus courant (mais pas exclusif) est un ajustage physique de la
longueur de chemin d'un interféromètre (voir ISO/TR 14999-2), qui doit être préajustée de sorte que l'amplitude de
modulation (3.9) du signal CSI maximale coïncide avec la position de la meilleure mise au point.
Note 4 à l'article: Un moyen mécanique permettant de réaliser le balayage CSI peut être constitué d'étages motorisés ou
à entraînement piézoélectrique ou autres, en fonction de la conception d'instrument, de la linéarité et de la cohérence
du balayage CSI, ou de la longueur de balayage CSI (3.5) maximale souhaitée.
3.3
signal d'interférométrie par balayage à cohérence
signal CSI
corrélogramme
signal d'interférométrie en lumière blanche
donnée d'intensité enregistrée pour un point-image individuel ou un pixel caméra en fonction de la position
de balayage CSI (3.2)
Note 1 à l'article: Voir Figure 1 pour un exemple de signal CSI simulé pour une longueur d'onde équivalente (3.12)
de 450 nm et une largeur de bande optique de mesure de 110 nm à un demi-maximum de largeur totale (voir
ISO 25178-600:2019, 3.3.2) et une faible ouverture numérique de l'éclairage (voir ISO 10934:2020, 3.1.10.4; voir
ISO 25178-600:2019, 3.3.6).
Légende
X position de balayage CSI exprimée en micromètres B franges d'interférence
Y intensité C écart de phase
A enveloppe de modulation (calculée)
Figure 1 — Éléments définis d'un signal CSI
3.4
incrément de balayage d'interférométrie par balayage à cohérence
incrément de balayage CSI
distance parcourue par le balayage CSI (3.2) entre des captures de données
Note 1 à l'article: Une capture de données peut être un unique point-image ou une image de caméra.
Note 2 à l'article: L'incrément de balayage CSI est le plus souvent assez faible pour échantillonner chaque frange
d'interférence (3.7) en plusieurs points, par exemple quatre images de caméra par frange, conformément au critère
de Nyquist. Un sous-échantillonnage de Nyquist est également possible pour des vitesses d'acquisition de données
supérieures, au prix d'un bruit de mesure supérieur.
3.5
longueur de balayage d'interférométrie par balayage à cohérence
longueur de balayage CSI
étendue totale d'une longueur de trajectoire physique traversée par le balayage CSI (3.2)
Note 1 à l'article: Il convient que la longueur de balayage CSI soit normalement suffisamment longue de manière à
pouvoir capturer l'étendue de topographie de surface souhaitée plus au moins une partie de la largeur d'enveloppe de
modulation.
3.6
fréquence de balayage d'interférométrie par balayage à cohérence
fréquence de balayage CSI
vitesse de balayage CSI
vitesse à laquelle le balayage CSI (3.2) est exécuté
Note 1 à l'article: Pour un balayage CSI linéaire, la fréquence de balayage CSI est la fréquence d'images de caméra
multipliée par l'incrément de balayage CSI (3.4).
3.7
frange d'interférence
partie du signal CSI (3.3) à modulation, reliée à l'effet
d'interférence et générée par la variation de la longueur du chemin optique au cours du balayage CSI (3.2)
Note 1 à l'article: Les franges d'interférence sont approximativement sinusoïdales en fonction de la position de
balayage.
Note 2 à l'article: Voir Figure 1 pour une illustration des franges d'interférence d'un signal CSI.
Note 3 à l'article: Le terme «interférogramme» est souvent utilisé pour décrire l'image d'un motif de franges
d'interférence enregistré par une image de caméra unique (voir ISO/TR 14999-2:2019, 6.2). Une frange d'interférence
dans un interférogramme est un attribut du motif d'interférence; tandis qu'une frange d'interférence dans la CSI (3.1)
désigne un attribut d'un signal dépendant du balayage, tel qu'illustré à la Figure 1.
3.8
phase d'interférence
phase correspondant à la forme sinusoïdale des franges
d'interférence (3.7) dans le signal CSI (3.3)
3.9
amplitude de modulation
visibilité des franges d'interférence
contraste des franges d'interférence
moitié de la variation de la valeur de crête à creux ou mesure
équivalente de l'amplitude des franges d'interférence (3.7)
Note 1 à l'article: Voir l'ISO/TR 14999-2:2019, 4.1.2 et 5.2.5 pour un exemple d'utilisation des termes «visibilité» et
«contraste» en tant que synonymes, respectivement.
Note 2 à l'article: L'amplitude de modulation d'un signal CSI (3.3) varie en fonction de la position de balayage.
3.10
enveloppe de modulation
enveloppe de contraste de franges
fonction de visibilité de franges
enveloppe de visibilité de franges
degré de cohérence en fonction de la position de balayage CSI
variation totale de l'amplitude de modulation (3.9) d'un signal CSI (3.3) en fonction de la position de balayage
Note 1 à l'article: Voir Figure 1 pour une illustration de l'enveloppe de modulation d'un signal CSI (3.3).
Note 2 à l'article: L'enveloppe de modulation est une conséquence de la cohérence optique limitée, qui découle de
l'utilisation d'une source de lumière à large bande spectrale (lumière blanche) ou d'une source de lumière spatialement
étendue, ou des deux.
Note 3 à l'article: L'enveloppe de modulation est calculée en fonction de la position de balayage qui dépend de la
méthode d'analyse des données.
3.11
option de traitement du signal d'interférométrie par balayage à cohérence
option de traitement du signal CSI
choix du traitement qui détermine si le logiciel fait appel à l'enveloppe de modulation (3.10), à la phase d'interférence
(3.8), à une analyse basée sur un modèle ou à une autre approche pour interpréter le signal CSI (3.3)
Note 1 à l'article: Voir l'Article A.3.
3.12
longueur d'onde équivalente
λ
eq
changement de hauteur de topographie de surface qui
correspond à la longueur de balayage entre deux franges d'interférence (3.7) successives dans le signal CSI
(3.3) à proximité de la valeur maximale de l'enveloppe de modulation (3.10) d'un signal CSI
Note 1 à l'article: La longueur d'onde équivalente est une définition dans le contexte de la CSI pour la longueur d'onde
optique de mesure, définie dans l'ISO 25178-600:2019, 3.3.3, en tant que «valeur effective de la longueur d'onde de la
lumière utilisée pour mesurer une surface».
Note 2 à l'article: La longueur d'onde optique de mesure dépend de conditions telles que le spectre de la source
lumineuse, la transmission spectrale des composants optiques et la réponse spectrale du réseau de capteurs d'image.
Note 3 à l'article: La longueur d'onde équivalente peut être calculée à partir de facteurs liés à la conception d'instrument,
étalonnée expérimentalement, ou déterminée en tant que partie de l'analyse du signal CSI (voir l'Article A.3).
3.13
largeur de l'enveloppe de modulation
longueur de balayage sur laquelle l'intensité du signal représentée par l'enveloppe de modulation (3.10) est
supérieure à une valeur définie
Note 1 à l'article: La largeur de l'enveloppe de modulation est quantifiable de différentes manières, telles que la largeur
totale à mi-hauteur (FWHM).
Note 2 à l'article: La largeur de l'enveloppe de modulation est liée à la longueur de cohérence décrite dans
l'ISO 11145:2018, 3.11.4, et est fonction de la largeur de bande de la source lumineuse (voir ISO 25178-600:2019, 3.3.2),
de la sensibilité spectrale de la caméra et de facteurs géométriques tels que l'ouverture numérique de l'éclairage (voir
ISO 10934:2020, 3.1.10.4 et ISO 25178-600:2019, 3.3.6).
3.14
écart de phase
ϕ
G
décalage d'unités de phase à la longueur d'onde équivalente
(3.12) entre la position de balayage CSI (3.2) pour la frange d'interférence (3.7) et la valeur maximale de
l'enveloppe de modulation (3.10) d'un signal CSI (3.3)
Note 1 à l'article: Voir Figure 1 pour un exemple de signal CSI illustrant l'écart de phase.
Note 2 à l'article: L'écart de phase est une valeur calculée qui dépend de la méthode d'analyse des données.
Note 3 à l'article: L'écart de phase peut varier en fonction de la dispersion optique dans le système optique de l'instrument,
ainsi que de caractéristiques de surface de l'échantillon telles que les films de surface (voir ISO 25178-600:2019, 3.4.1),
la pente locale et des matériaux optiquement non uniformes (voir ISO 25178-600:2019, 3.4.6).
3.15
erreur sur le saut de frange
2π error
erreur d'identification de l'intervalle de phase 2π correct
dans une carte de topographie qui fait appel à la phase d'interférence (3.8) en tant que partie de l'option de
traitement du signal CSI (3.11)
Note 1 à l'article: Les erreurs sur l'ordre de frange sont des multiples habituellement entiers de la demi-longueur d'onde
équivalente (3.12) en hauteur.
Note 2 à l'article: Les erreurs sur l'ordre de frange peuvent conduire à des marches artificielles dans la carte de
topographie. Sur des surfaces lisses et continues, ces marches artificielles peuvent parfois être corrigées en utilisant
des algorithmes de développement de phase (voir ISO/TR 14999-2:2019, 6.6).
4 Exigences d'instrument
Un instrument conforme au présent document doit réaliser des mesurages par topographie de surface
surfacique d'une surface d'échantillon en utilisant la CSI. L'instrument doit comprendre un interféromètre
(voir ISO/TR 14999-2) et un moyen de réaliser un balayage CSI. L'instrument doit acquérir des images de
caméra capturées en des positions de balayage déterminées par un incrément de balayage CSI. L'acquisition
de données se déroule à une fréquence de balayage CSI sur une longueur de balayage CSI. Le signal CSI pour
un unique point-image doit comprendre des franges d'interférence ayant une phase d'interférence et des
amplitudes de modulation mises en forme par une enveloppe de modulation caractérisée par la largeur de
l'enveloppe de modulation. L'instrument doit convertir les données acquises en une topographie surfacique
en utilisant une option de traitement du signal CSI qui utilise les franges d'interférence ou l'enveloppe de
modulation, ou les deux. Les valeurs de hauteur de topographie doivent être déduites de la fréquence de
balayage CSI ou de la longueur d'onde équivalente, ou des deux. Si la topographie de surface finale repose sur
la phase d'interférence, l'option de traitement du signal CSI doit prendre en compte l'écart de phase lors de
l'interprétation des franges d'interférence, de manière à éviter des erreurs sur l'ordre de frange.
La Figure 2 présente le flux d'information entre ces éléments pour un microscope CSI, entre la surface réelle
et une surface à échelle limitée. Des exemples de matériels, de techniques et de sources d'erreur pour la CSI
sont donnés aux Annexes A et B.
Légende
mesurande
operateur avec modification voulue
operateur sans modification voulue
Figure 2 — Diagramme conceptuel de flux d'information pour la CSI
5 Caractéristiques métrologiques
Les caractéristiques métrologiques types des instruments de mesure de l'état de surface surfacique
spécifiées dans l'ISO 25278-600 doivent être prises en considération lors de la conception et de l'étalonnage
de l'instrument.
L'Annexe B décrit des sources d'erreur de mesure qui peuvent influencer le résultat de l'étalonnage.
6 Éléments de conception
Les éléments de conception types décrits dans l'ISO 25178-600 doivent être pris en considération dans la
conception.
L'Annexe A fournit des exemples d'éléments de conception spécifiques d'instruments CSI.
7 Informations générales
Les relations entre le présent document et le modèle de matrice GPS sont données à l'Annexe C.
Annexe A
(informative)
Principes des instruments CSI pour le mesurage par topographie de
surface surfacique
A.1 Généralités
La CSI est une technologie mature, et il y a des ressources substantielles dans les documents ISO existants
énumérés dans la bibliographie et dans la littérature publiée concernant la conception et la théorie
[25][26][27][28]
de fonctionnement des instruments. La présente annexe est un résumé dont le but est de
clarifier des termes et des définitions, ainsi que certaines des grandeurs d'influence qui contribuent aux
caractéristiques métrologiques de la CSI.
A.2 Conception d'instrument
La Figure A.1 fournit une illustration d'un exemple de système de microscope CSI basé sur un interféromètre
[2][16][29][30][31]
de Michelson .
Le mécanisme de balayage G génère une variation contrôlée de la longueur du chemin optique au moyen
d'un balayage axial de la partie d'échantillon le long de la direction de l'axe z (voir ISO 25178-607:2019, 3.5).
La surface de l'échantillon se trouve nominalement à l'intérieur du plan, conformément au système de
coordonnées défini dans l'ISO 25178-600:2019, 3.1.2, et son image se forme sur la caméra électronique.
Superposé sur l'image de l'échantillon, est un motif d'interférence ou interférogramme résultant de la
superposition cohérente de la lumière provenant de la surface de l'échantillon et de la surface de référence
(voir ISO/TR 14999-2:2019, 6.2.1).
Les instruments CSI configurés comme des microscopes ont souvent des objectifs d’interférence
interchangeables (voir ISO 25178-603) à la place d'objectifs de microscope conventionnels (voir
ISO 10934:2020, 3.1.106). Ces objectifs ont des séparateurs de faisceau et des surfaces de référence intégrés.
[25][26][27][32][33][34][35]
Les microscopes CSI peuvent avoir le mécanisme de balayage en tant que composante
du support de partie ou intégré dans le montage de l'objectif interférentiel.
Légende
A source lumineuse F pièce
B diaphragme d'éclairage G mécanisme de balayage
C lentille de condensation H diaphragme d'imagerie
D séparateur de faisceau I objectif de la caméra
E miroir de référence J caméra
ζ mouvement de balayage K lentille de tube
Figure A.1 — Diagramme schématique d'un microscope CSI de type Michelson
Le principe de mesure consiste à déterminer la hauteur de surface à chaque point sur la surface de
l'échantillon par une analyse de motifs d'interférence multiples enregistrés en tant que signaux CSI pour
chaque point-image acquis au cours d'une séquence de positions de balayage CSI contrôlées. La Figure A.2
montre l'image de caméra en différentes positions de balayage pendant un balayage d'acquisition de données,
illustrant les changements d'apparence des franges qui correspondent aux tranches horizontales à travers la
topographie de surface de l'objet. Noter que les éléments reliés à la caméra et le système d'imagerie qui ont
été montrés à la Figure A.1 font aussi partie de l'ensemble, mais ne sont pas montrés à la Figure A.2.
Légende
A lentille d'objectif E mécanisme de balayage
B séparateur de faisceau de l'interféromètre F image au début du balayage
C miroir de référence G image au milieu du balayage
D pièce H image à la fin du balayage
ζ mouvement de balayage
NOTE La Figure A.2 montre un dessin conceptuel de l'acquisition de données pour un microscope CSI équipé
d'une lentille d'objectif interférentiel de type Mirau.
Figure A.2 — Dessin conceptuel de l'acquisition de données pour un microscope CSI
Une caractéristique de la plupart des systèmes CSI est que la topographie de surface surfacique rapportée est
partout nette, même si les variations de topographie sont beaucoup plus grandes que la profondeur de champ
de la lentille d'objectif. Cette caractéristique suppose que les objectifs sont ajustés de sorte que la position
[32]
de la meilleure mise au point et l'enveloppe de modulation maximale coïncident . Pour les systèmes de
microscope qui balayent l'objectif d’interférence, les lentilles d'objectif sont du type conjugué infini, ce qui
signifie qu'un point sur l'objet est imagé à l'infini (voir ISO 9335:2012, 4.4.2.3, et ISO/TR 14999-1:2005, 4.1).
Les sources lumineuses pour la CSI sont les plus couramment une lumière spatialement incohérente et à
large bande spectrale ou une lumière blanche, comme l'illustrent les lampes à incandescence ou les diodes
électroluminescentes de lumière blanche ou de lumière à large bande (voir ISO 10934:2020, 3.1.73). Les
instruments CSI sont également réalisés avec des sources lumineuses dans les longueurs d'onde bleue, verte,
rouge ou infrarouge. La source lumineuse peut inclure des filtres interchangeables pour ajuster le spectre
d'éclairage (voir ISO 10934:2020, 3.1.38.7). Pour les objets en mouvement, tels que les microstructures
oscillantes, la source lumineuse peut être flashée à grande vitesse afin de geler par stroboscopie le
[37][38][39]
mouvement de l'objet .
Pour un microscope CSI, la source lumineuse est souvent imagée dans la pupille d'objectif dans la géométrie
de Köhler à éclairage épiscopique (voir ISO 10934:2020, 3.1.73.2 et 3.1.73.3). De nombreux instruments
ont des diaphragmes de lumière ajustables pour commander la taille du champ d'éclairage, ainsi que le
[25]
diaphragme d'éclairage (voir ISO 10934:2020, 3.1.10.4) . Sur la Figure A.1, un diaphragme d'éclairage B
commande l'ouverture numérique (NA) de l'éclairage, tandis qu'un diaphragme d'imagerie H commande
la NA d'imagerie.
En fonction de la tâche de mesure, il peut être utile de disposer d'un diaphragme de faible diamètre
(composant B à la Figure A.1), ou, ce qui est équivalent, d'une petite source lumineuse, de sorte que
l'instrument CSI éclaire l'échantillon avec un faisceau presque parallèle. Une faible NA d'éclairage facilite
une grande distance de travail, l'effet de masque est évité et les éléments de surface profonde peuvent
être examinés. Cependant, une faible NA d'éclairage réduit la résolution latérale comparé à un remplissage
complet de la pupille d'entrée de l'objectif.
Les caméras pour les longueurs d'onde visibles peuvent être de dispositif à transfert de charges (CCD) ou
de semiconducteur d'oxyde de métal complémentaire (type CMOS), avec un format allant de 300 000 pixels
à plus de 4 millions de pixels. Le pas d'échantillonnage tel que décrit dans l'ISO 25178-600:2019, 3.1.17 est
déterminé par le format de caméra et le grossissement optique (voir l'Article B.10).
La résolution latérale topographique définie dans l'ISO 25178-600 résume l'effet net de la caméra, du
système optique et du traitement des données sur la capacité de l'instrument à résoudre des éléments
topographiques proches sur la surface (voir aussi les Articles B.9 et B.10). L'effet net de la caméra, du
système optique et du traitement des données sur la résolution latérale topographique peut être déterminé
conformément à l'ISO 25178-700. Par exemple, la fonction de transfert de l'instrument (ITF) définie dans
l'ISO 25178-600:2019, 3.1.19 comme une courbe, décrit la réponse en hauteur d'un instrument en fonction de
la fréquence spatiale de la topographie de surface. Une autre approche est donnée en utilisant la fidélité de
topographie, définie dans l'ISO 25178-600:2019, 3.1.26. La résolution latérale et l'ITF peuvent varier avec des
structures de surfaces spécifiques comprenant des pentes raides, des arêtes vives ou des facteurs d'aspect
élevés. D'autres informations sur l'ITF peuvent être trouvées dans les Références [2], [40], [41] et [42].
Des ajustages vers le haut ou vers le bas de la position de l'objectif ou d'un étage d'échantillon (non présenté
à la Figure A.1) amènent la surface d'essai à la mise au point (voir ISO 10934:2020, 3.1.65). La configuration
de la partie peut nécessiter un ajustage nominal à la fois de la mise au point et du basculement et de
l'inclinaison, bien que l'automatisation puisse effectuer certaines ou la totalité de ces étapes (par exemple
voir “autofocus” tel que défini dans l'ISO 10934:2020, 3.2.4).
La longueur de balayage CSI est souvent comprise entre 10 μm et 400 μm pour des scanners piézoélectriques.
[31]
Pour des scanners motorisés, la longueur de balayage peut être 70 mm ou plus . Dans cette CSI, qui mesure
des hauteurs de surface en faisant référence à une position de balayage CSI, la connaissance de la position du
[25]
scanner est importante pour l'exactitude globale de l'instrument CSI . Bien que cela soit moins courant, il
est possible de déplacer le miroir de référence, le séparateur de faisceau ou d’autres combinaisons d'éléments
optiques pour réaliser un balayage CSI. Avec le déplacement du miroir de référence, la profondeur de champ
détermine l'étendue de hauteurs de surface couverte par l'instrument.
A.3 Théorie de fonctionnement CSI
Tel qu'illustré à la Figure 1, un signal CSI est caractérisé par des franges d'interférence oscillantes et
une enveloppe de modulation globale. En fonction du mode d'analyse des données et de la conception
d'instrument, les mesurages par topographie de surface sont basés sur l'emplacement de l'enveloppe de
modulation à chaque point-image au cours du balayage CSI ou la phase d'interférence, ou les deux.
Un modèle mathématique approximatif d'un signal CSI I(x, y) est présentée dans la Formule (A.1):
4π zx, y −−ζ
()()
2 2
Ix(),,yI= ()xy +Ix(),,yz expc− ()xy −ζσ/2 os +φ (A.1)
() ][
DC AC G
λ
eq
où
I (x, y) est l'intensité de fond;
DC
I (x, y) est l'intensité des franges d'interférence;
AC
z(x, y) est la hauteur de surface pour un point-image individuel;
ζ
est la position de balayage.
Dans des systèmes ayant un faible éclairage et une faible NA (voir ISO 10934-1:2020, 3.1.10.4, et
ISO 25178-607), la longueur d'onde équivalente λ est proche de la longueur d'onde d'émission spectrale
eq
moyenne de la source lumineuse. L'écart de phase φ est la distance exprimée en termes de phase
G
d'interférence entre la position maximale de modulation et la frange brillante centrale du motif
d'interférence. L'écart-type σ est celui d'une modélisation gaussienne de l'enveloppe de modulation. La
largeur et la forme de l'enveloppe de modulation se rapportent à des facteurs spectraux et géométriques qui
[19]
limitent la cohérence à la fois temporelle et spatiale . Des modèles plus exacts de signaux CSI ont une forme
[43]
plus complexe .
La stratégie générale pour l'analyse de données consiste à mesurer la topographie de surface en identifiant un
élément de l'enveloppe de modulation, tel que le pic, le centroïde ou la position de phase stationnaire. À titre
d'exemple, dans la Formule (A.1), la valeur maximale de l'enveloppe de modulation est pour z=ζ ; par
conséquent, la position de balayage pour laquelle l'enveloppe de modulation atteint sa valeur maximale est une
mesure de la hauteur de surface. Un mesurage de la topographie utilisant l'enveloppe de modulation est parfois
[44]
désigné en tant que “profil de cohérence” ou “carte de cohérence”, et peut être la topographie de surface
surfacique rapportée finale pour des surfaces optiquement rugueuses (voir ISO 25178-600:2019, 3.4.5).
Une option de traitement du signal courante consiste à affiner la topographie par une analyse des franges
d'interférence, par exemple au moyen de passages par zéro, d'un ajustement sinusoïdal, ou de l'équivalent
d'une interférométrie à décalage de phase (voir ISO 25178-603) en utilisant des données collectées à
proximité du pic de l'enveloppe de modulation. Le mesurage par topographie de surface initial utilisant les
informations de cohérence détermine l'intervalle 2π approprié pour l'évaluation de phase. Un mesurage
utilisant une phase d'interférence est souvent considéré comme plus précis ou comme ayant un bruit de
mesure inférieur à celui de la carte de cohérence, mais est habituellement restreint aux surfaces optiquement
lisses (voir ISO 25178-600:2019, 3.4.4).
Une large gamme de stratégies d'acquisition de données et de méthodes de traitement de données sont
employées dans les instruments modernes pour faire appel à l'enveloppe de modulation seule ou en
combinaison avec les franges d'interférence dans le signal CSI décrit par la Formule (A.1). Ces stratégies et
[45][46]
algorithmes d'acquisition incluent la détection d'enveloppe électronique , la corrélation du signal CSI
[47]
expérimental avec un noyau complexe théorique ou étalonné , et l'analyse de Fourier du contenu en
[44][48]
fréquence du signal CSI . Des détails résumés d'algorithmes et de méthodes de traitement de données
sont fournis dans les Références [25], [26], [27] et [28].
A.4 CSI pour un profilage avec films transparents
La CSI a la capacité à séparer des réflexions multiples provenant de structures de film semitransparent sur
[15][49]
les surfaces de manière à mesurer la topographie de surface au-dessus et au-dessous de ces films . Sur
la Figure A.3, il ressort que pour un film monocouche (voir ISO 25178-600:2019, 3.4.3) qui est plus épais
que la largeur de l'enveloppe de modulation, il y a deux enveloppes de modulation clairement identifiables
qui correspondent aux réflexions de surface à partir des frontières du film. Une approche pour générer des
cartes de topographie de surface au-dessus des films consiste à identifier le signal le plus à droite comme
étant le signal de la surface supérieure, comme illustré à la Figure A.3. Si les propriétés de réfraction du film
sont connues, la hauteur du substrat ou d'autres surfaces secondaires en dessous de la surface supérieure
peuvent être cartographiées par l'analyse des signaux qui suivent le signal de la surface supérieure, donnant
des informations complémentaires telles que l'épaisseur de film en 3D. Les instruments CSI peuvent
avoir une NA d'éclairage ajustable, pour optimiser l'intensité du signal et améliorer l'exactitude lors de la
[23][50][51]
visualisation à travers des films.
Le film le plus fin pour lequel les deux signaux présentés à la Figure A.3 peuvent être considérés comme
séparables est lié à la largeur de l'enveloppe de modulation. Cette limite inférieure sur l'épaisseur de film est
[52]
définie informellement comme la réponse axiale ou la résolution axiale de l'instrument CSI , par analogie
[20] [53]
avec la tomographie par cohérence optique , la microscopie optique (voir ISO 10934:2020, 3.1.128.5),
et la microscopie confocale (voir ISO 25178-607:2019, C.2).
Légende
X position de balayage CSI, en μm A signal du substrat
Y intensité B signal de la surface supérieure
Figure A.3 — Exemple de signal CSI pour un film de surface monocouche, partiellement transparent
A.5 CSI basée sur un modèle
La modélisation du signal permet aux instruments CSI, dans de nombreux cas, de mesurer des
caractéristiques de surface au-delà des limites des méthodes de traitement du signal décrites aux Articles A.3
[50]
et A.4 . À titre d'exemple, pour des films fins (voir ISO 25178-600:2019, 3.4.2), les signaux séparés montrés
à la Figure A.3 peuvent se chevaucher de sorte qu'il soit difficile de les séparer clairement. Dans ce cas, une
approche consiste à modéliser le signal attendu pour une gamme d'épaisseur de film. Une recherche dans
une bibliothèque de ces signaux théoriques pour trouver une correspondance avec un résultat expérimental
fournit la topographie de surface surfacique en présence du film, ainsi que des propriétés dimensionnelles
[43][55]
supplémentaires de la couche de film .
La même stratégie de modélisation du signal CSI peut être utilisée pour déterminer une topographie de
surface surfacique en présence d'éléments de surface qui sont plus proches ensemble que la résolution
spatiale topographique (voir ISO 25178-600:2019, 3.1.20). Des méthodes de modélisation incluent des
calculs de diffraction avec des paramètres variables qui comprennent la hauteur d'élément et l'espacement
[56][57][58][59].
entre éléments
Annexe B
(informative)
Sources d'erreur de mesure pour les instruments CSI
B.1 Caractéristiques métrologiques et grandeurs d'influence
L'ISO 25178-600:2019, 3.1.28 définit un ensemble spécifique de caractéristiques métrologiques pour des
instruments de mesure par topographie de surface surfacique. Ces caractéristiques métrologiques capturent
les grandeurs d'influence, des facteurs qui peuvent influencer un résultat de mesure et peuvent se propager
à travers un modèle de mesure approprié pour évaluer l'incertitude de mesure. Voir l'ISO 25178-700 et
l’ISO 12179 pour les méthodes d'étalonnage, de réglage et de vérification des caractéristiques métrologiques.
Dans la présente annexe, des grandeurs d'influence sont décrites, qui affectent les caractéristiques
métrologiques. La connaissance de ces grandeurs d'influence n'est pas nécessaire pour une analyse
de l'incertitude s'il est possible de réaliser un étalonnage direct des caractéristiques métrologiques
correspondantes. Cependant, la connaissance des grandeurs d'influence peut être utile pour optimiser les
mesurages et réduire le p
...
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