ISO 25178-603:2025
(Main)Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 603: Design and characteristics of non-contact (phase shifting interferometry) instruments
Geometrical product specifications (GPS) — Surface texture: Areal — Part 603: Design and characteristics of non-contact (phase shifting interferometry) instruments
This document specifies the design and metrological characteristics of phase shifting interferometry (PSI) instruments for the areal measurement of surface topography. Because surface profiles can be extracted from areal 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 603: Conception et caractéristiques des instruments sans contact (à interférométrie à glissement de franges)
Le présent document spécifie la conception et les caractéristiques métrologiques des instruments à interférométrie à glissement de franges (PSI) pour le mesurage surfacique de la topographie de surface. Comme les profils de surface peuvent être extraits des données de topographie de surface surfacique, les méthodes décrites dans le présent document s'appliquent également aux mesurages de profil.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
International
Standard
ISO 25178-603
Second edition
Geometrical product specifications
2025-02
(GPS) — Surface texture: Areal —
Part 603:
Design and characteristics of
non-contact (phase shifting
interferometry) instruments
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de surface:
Surfacique —
Partie 603: Conception et caractéristiques des instruments sans
contact (à interférométrie à glissement de franges)
Reference number
© ISO 2025
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
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Website: www.iso.org
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 . 3
5 Metrological characteristics . 4
6 Design features . 4
7 General information . 4
Annex A (informative) Principles of PSI instruments for areal surface topography measurement . 5
Annex B (informative) Sources of measurement error for PSI instruments .10
Annex C (informative) Relationship to the GPS matrix model . 14
Bibliography .15
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 25178-603:2013), 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 the 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 to 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 phase shifting interferometry (PSI)
instruments for the measurement of areal surface topography. Annex A briefly summarizes PSI 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 PSI.
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 PSI 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 25178-603:2025(en)
Geometrical product specifications (GPS) — Surface
texture: Areal —
Part 603:
Design and characteristics of non-contact (phase shifting
interferometry) instruments
1 Scope
This document specifies the design and metrological characteristics of phase shifting interferometry (PSI)
instruments for the areal measurement of surface topography. Because surface profiles can be extracted
from areal 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
phase shifting interferometry
PSI
method for measuring areal surface topography from the surface height dependence of an interferometric
signal, whereby the interference phase is estimated from two or more digitized interference images acquired
over a sequence of controlled phase shifts
Note 1 to entry: In this document, PSI refers specifically to methods that employ time-dependent phase shifting
mechanisms (3.8). Other methods of acquiring and analysing interference patterns, including parallel or instantaneous
methods using polarization or carrier fringes, are outside the scope of this document.
Note 2 to entry: ISO/TR 14999-2:2019, 6.4.4, provides further information on synchronous detection and PSI.
Note 3 to entry: PSI instruments are most often employed for measurements of optically smooth surfaces, as defined
in ISO 25178-600:2019, 3.4.4.
3.2
interference objective
microscope objective adapted with a reference path and reference surface for the generation of interference
patterns superimposed on the image of a sample surface
Note 1 to entry: Interference objectives are used in PSI (3.1) instruments that are configured as microscopes. Other
configurations of PSI instruments, particularly for fields of view larger than about 10 mm, can have interferometer
designs that are not based on microscope objectives.
Note 2 to entry: Annex A provides example types of interference objective in common usage.
3.3
linear phase shifting interferometry
linear PSI
PSI (3.1) method that relies on sampling an interference signal over a sequence of evenly spaced interference
phase shifts
3.4
sinusoidal phase shifting interferometry
sinusoidal PSI
PSI (3.1) method that relies on sampling an interference signal over a sequence of sinusoidally-varying
interference phase shifts
3.5
phase shifting interferometry algorithm
PSI algorithm
algorithm for the data processing procedure, including the mathematical equations, used to calculate the
topography from two or more digitized interference images acquired over a sequence of controlled phase shifts
3.6
equivalent wavelength
λ
eq
constant value equal to twice the change in surface topography height that produces one full cycle of
interference phase change (equivalent to one interference fringe)
Note 1 to entry: The equivalent wavelength is a definition in the context of PSI (3.1) for the measurement
optical wavelength, defined as the “effective value of the wavelength of the light used to measure a surface” in
ISO 25178-600:2019, 3.3.3.
Note 2 to entry: This definition corresponds to the measurement configuration described in Annex A. There can be
different definitions for other measurement configurations.
Note 3 to entry: The equivalent wavelength can be calculated from contributions such as the light source wavelength
together with other factors related to the instrument design, or can be calibrated using a procedure corresponding to
the definition of the equivalent wavelength.
3.7
phase change on reflection
PCOR
change in interference phase attributable to the optical properties of a sample surface independent of
surface height
Note 1 to entry: The PCOR is most relevant to non-dielectric materials such as metals and surfaces that have thin
layers of differing materials producing thin-film effects.
Note 2 to entry: The PCOR can vary over the sample surface comprised of an optically non-uniform material (see
ISO 25178-600:2019, 3.4.6).
3.8
phase shifting mechanism
device that imparts controlled phase shifts to an interference signal
Note 1 to entry: The phase shift mechanism can generate phase shifts by an axial scan motion of the part or of the
interference objective (see ISO 25178-607:2019, 3.5), or other methods, such as displacement of the reference surface.
3.9
phase unwrapping algorithm
algorithm used to extend the surface topography measurement range beyond a single cycle of interference
phase (equivalent to one interference fringe), by removing excess multiples of 2π between the phase values
of neighbouring image points
Note 1 to entry: ISO/TR 14999-2:2019, 6.6, provides further details regarding phase unwrapping.
3.10
fringe-order error
2π error
error in the identification of the correct fringe when calculating relative
heights using interference phase for surface topography calculations
Note 1 to entry: Fringe-order errors are integer multiples of one-half the equivalent wavelength (3.6) in height.
4 Instrument requirements
An instrument according to this document shall perform areal surface topography measurements of a sample
surface using PSI. The instrument can comprise an interference objective or alternative interferometer
assembly and a phase shifting mechanism. The instrument shall acquire data using linear PSI, sinusoidal PSI
or other phase shifting patterns consistent with the definition of PSI. The instrument shall convert acquired
data to an areal topography using a PSI algorithm and a calculated or assumed equivalent wavelength. A
phase unwrapping algorithm shall be employed as needed to reduce fringe-order error.
Figure 1 shows the information flow between these elements for a PSI microscope, from the real surface to
a scale-limited surface. Example PSI hardware, techniques and error sources are given in Annexes A and B.
Key
measurand
operator with intended modification
operator without intended modification
Figure 1 — Information flow concept diagram for PSI
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 PSI instruments.
7 General information
The relationship between this document and the GPS matrix model is given in Annex C.
Annex A
(informative)
Principles of PSI instruments for areal surface topography
measurement
A.1 General
PSI is a mature technology and there are substantial resources in existing ISO documents listed in the
[9][10][11]
bibliography and in the published literature regarding instrument design and theory of operation.
[12][13]
This annex provides 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 PSI.
A.2 Instrument design
PSI instruments for areal surface topography measurement comprise a variety of designs. The testing of
optical components such as lenses, mirrors and prisms often relies on the laser Fizeau geometry, used for
[14][15]
polished surfaces from a few millimetres to over a metre in size. This annex describes the use of PSI
together with light microscopy for areal surface topography using a mechanical phase shifting mechanism.
Refer to ISO/TR 14999-1 for general terms and definitions related to light interferometry and to ISO 10934
for general terms and definitions related to light microscopy.
Figure A.1 shows an interference microscope with imaging optics. The phase shifting mechanism imparts a
controlled phase shift by means of an axial scan ζ of the interference objective towards the sample surface
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. The measurement principle is to determine the surface height at each point on the sample surface
by analysis of multiple interference patterns acquired during a sequence of controlled phase shifts.
Key
A workpiece E phase shifting mechanism
B light source F electronic camera
C beam splitter G data acquisition and control
D interference objective H interference pattern
ζ scanning motion
Figure A.1 — Interference microscope for PSI measurements of the areal surface topography
Light sources for interference microscopy are usually spatially incoherent, exemplified by incandescent lamps
or white-light-emitting diodes (see ISO 10934:2020, 3.1.73). The light source can include interchangeable
filters for adjusting the illumination spectrum (see ISO 10934:2020, 3.1.55). In Figure A.1, the light source is
shown 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
[9]
as well as the illumination aperture (see ISO 10934:2020, 3.1.38.6).
PSI instruments use interference objectives in place of conventional microscope objectives defined in
ISO 10934:2020, 3.1.106. Typically these objectives are compatible with extended, incoherent light sources.
[9] [16][17]
Figure A.2 shows two common types of interference objective, the Michelson and Mirau type. Other
[18][19]
designs in common use for PSI include the Linnik objective, and the Zygo Wide Field (ZWF) objective.
[20]
Table A.1 provides example specifications, including the lateral resolution according to the Sparrow
criterion for a wavelength of 570 nm (see ISO 25178-600:2019, 3.3.9).
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.
Camera selection involves not only field size and number of pixels, but also the acquisition speed, response
linearity, quantum well depth, digitization resolution and the ability to shutter electronically. The net effect
of the camera, optics and data processing on the topographic lateral resolution is often summarized in the
instrument transfer function (ITF), defined in ISO 25178-600:2019, 3.1.19. See also References [21], [22],
[23] and [24].
Adjustments upwards or downwards of the position of the objective or a sample stage (not shown in
Figure A.1) bring the test surface into focus (see ISO 10934:2020, 3.1.65). Part setup usually requires a
nominal adjustment of both focus and tip/tilt, although automation can complete some or all these steps
(see, for example, autofocus, defined in ISO 10934:2020, 3.2.4).
a) Michelson objective b) Mirau objective
Key
A lens
B reference surface
C beam splitter
D workpiece
Figure A.2 — Example types of interference microscope objectives for PSI measurements
Table A.1 — Example characteristics of interference objectives for PSI
Optical lateral reso-
Numerical aperture
lution
Magnification Type
A µm
N
1,4× ZWF 0,04 7,13
2,75× Michelson 0,08 3,56
5,5× Michelson 0,15 1,90
10× Mirau 0,30 0,86
50× Mirau 0,55 0,47
100× Mirau 0,85 0,34
A.3 PSI theory of operation
[9][25][26]
Following a two-beam interference analysis, the interference signal at the camera for an individual
surface point of height z at a position x, y is as shown in Formula (A.1):
II=+ I cos θϕ−+γ (A.1)
()
DC AC
Where I and I are fixed coefficients, the surface-height dependent phase θ for an equivalent wavelength
DC AC
λ is as shown in Formula (A.2):
eq
z
θ =4π (A.2)
λ
eq
The phase shift imparted by a movement of the reference mirror is as shown in Formula (A.3):
ζ
ϕ=4π (A.3)
λ
eq
γ is a phase offset that is independent of z and ζ . The height is calculated from the detected phase as shown
in Formula (A.4):
λ
eq
z= (A.4)
4π
The interference fringes correspond to lines of equal intensity and follow the surface topography as
contours of equal surface height z. These fringes appear at intervals of 2π, which is equivalent in height to
one-half the equivalent wavelength λ , which for low numerical aperture systems is approximately equal to
eq
the mean value of the source emission wavelength. The phase offset γ in Formula (A.1) relates among other
factors to the reflection and transmission properties of the interferometer components, as well as surface
characteristics such as PCOR and thin-film effects. Inasmuch as the phase offset γ has a field dependence, it
can influence the reported surface height. However, in most simple PSI measurements, the phase offset γ is
assumed to be constant over the field of view and is set to zero.
In PSI, estimating the phase θ involves modulating the interference signal I through a controlled phase shift
φ achieved by modulating the length ζ . In practice, these phase shifts correspond to a sequence of discrete
sample intensities, as shown in Formula (A.5):
II=+ I cos θϕ− (A.5)
()
jjDC AC
Given that the constants I , I are usually unknown, at least three values are needed for φ to solve for
DC AC
θ. These data points represent either instantaneous acquisitions or phase steps, or more commonly, the
centre points for intensity measurements integrated over the period of time between sample points, in a
[27][28]
method commonly referred to as the “integrating bucket method”. A simple PSI algorithm uses just
[10]
four samples, as shown in Formula (A.6):
II−
tan θ = (A.6)
()
II−
where the phase shift between data acquisitions is as shown in Formula (A.7):
π
ϕϕ−= (A.7)
jj+1
for j = 0,1,2. This is referred to as “linear PSI”, in that the interference phase shift is evenly spaced in time
and corresponds to a linear motion of the phase shift mechanism shown in Figure A.1.
Figure A.3 shows the interference signal and the sampling points. ISO/TR 14999-2:2019, 6.4.4, provides
additional example linear PSI algorithms.
Key
X phase shift mechanism motion /µm data sample points
II I
01,, 2
Y intensity
Figure A.3 — Example interference signal for linear PSI
The phase shifts φ do not need to be evenly spaced to be useful for PSI. An alternative for continuous data
acquisition and averaging is sinusoidal phase shifting, a technique that has the advantage of being less
[29][30]
demanding on phase shift mechanisms than repeated linear ramps. The intensity pattern resulting
from a sinusoidal phase shift is a superposition of multiple harmonics of the original phase modulation.
Although the interference signal for a sinusoidal phase shift is very different from that of a linear phase
shift, the phase shift algorithms are similar in general form, involving the arctangent of a ratio of weighted
[31][32]
sums. An example is the four-sample algorithm shown in Formula (A.8):
II+− II−
01 23
tan()θ = (A.8)
II−+ II−
01 23
where the phase shift is as shown in Formulae (A.9) and (A.10):
ϕη=+2,45 sin 0,98 (A.9)
()
jj
π
η =cos j (A.10)
j
for j = 0,1,2,3.
Improvements in camera and data processing technologies together with increased performance demands
have increased the number of data samples and corresponding phase shifts. Furthermore, it is now common
to encounter algorithms for both linear and sinusoidal PSI with as many as 20 data acquisition samples per
[10][33]
measurement, instead of just 3 or 4. Flo
...
Norme
internationale
ISO 25178-603
Deuxième édition
Spécification géométrique des
2025-02
produits (GPS) — État de surface:
Surfacique —
Partie 603:
Conception et caractéristiques
des instruments sans contact (à
interférométrie à glissement de
franges)
Geometrical product specifications (GPS) — Surface
texture: Areal —
Part 603: Design and characteristics of non-contact (phase
shifting interferometry) instruments
Numéro de référence
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publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
ISO copyright office
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CH-1214 Vernier, Genève
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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 . 3
5 Caractéristiques métrologiques . .4
6 Éléments de conception .4
7 Informations générales.4
Annexe A (informative) Principes des instruments pour le mesurage par topographie de
surface surfacique . 5
Annexe B (informative) Sources d'erreur de mesure pour les instruments PSI .11
Annexe C (informative) Relation avec le modèle de matrice GPS .15
Bibliographie .16
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 25178-603:2013), qui a fait l'objet d'une
révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
— retrait des termes et définitions maintenant spécifiés 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;
— 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; 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 se trouve sur le site web 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 considérée
comme une norme GPS générale (voir l'ISO 14638). Elle influence le maillon F de la chaîne de normes
concernant l'état de surface 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 de l'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 les instruments à interférométrie
à glissement de franges (PSI) pour le mesurage de topographie de surface surfacique. L'Annexe A résume
brièvement les instruments et méthodes PSI 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 PSI.
NOTE Certaines parties du présent document, en particulier les parties informatives, décrivent des systèmes
et méthodes brevetés. Ces informations ne sont fournies que dans le but d'aider les utilisateurs à comprendre les
principes de fonctionnement des instruments PSI. Le présent document n'est ni destiné à privilégier un quelconque
droit de propriété intellectuelle, ni ne concède de licence d'utilisation de techniques brevetées décrites ici.
vi
Norme internationale ISO 25178-603:2025(fr)
Spécification géométrique des produits (GPS) — État de
surface: Surfacique —
Partie 603:
Conception et caractéristiques des instruments sans contact
(à interférométrie à glissement de franges)
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie la conception et les caractéristiques métrologiques des instruments à
interférométrie à glissement de franges (PSI) pour le mesurage surfacique de la topographie de surface.
Comme les profils de surface peuvent être extraits des données de topographie de surface surfacique, 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 les définitions de l'ISO 25178-600, ainsi que les suivants
s'appliquent.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en normalisation,
consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse https:// www .electropedia .org/
3.1
interférométrie à glissement de franges
PSI
méthode de mesure de la topographie de surface surfacique à partir de la dépendance à la hauteur de surface
d'un signal interférométrique, par laquelle la phase d'interférence est estimée à partir de deux images
d'interférence numérisées, ou plus, acquises sur une séquence de glissements de franges contrôlés
Note 1 à l'article: Dans le présent document, PSI fait spécifiquement référence aux méthodes qui emploient des
mécanismes par glissement de franges (3.8) dépendant du temps. D'autres méthodes d'acquisition et d'analyse des
motifs d'interférence, y compris des méthodes parallèles ou instantanées utilisant la polarisation ou les franges
porteuses, sont exclues du domaine d'application du présent document.
Note 2 à l'article: L'ISO/TR 14999-2:2019, 6.4.4, fournit des informations supplémentaires sur la détection synchrone
et la PSI.
Note 3 à l'article: Les instruments PSI sont plus souvent employés pour des mesurages de surfaces optiquement lisses,
telles que définies dans l'ISO 25178-600:2019, 3.4.4.
3.2
objectif interférentiel
objectif de microscope adapté avec un trajet de référence et une surface de référence pour la génération de
motifs d'interférence superposés sur l'image d'une surface de l'échantillon
Note 1 à l'article: Les objectifs interférentiels sont utilisés dans les instruments à PSI (3.1) qui sont configurés comme
des microscopes. D'autres configurations d'instruments PSI, en particulier pour les champs de vision supérieurs à
environ 10 mm, peuvent avoir des conceptions d'interféromètre qui ne sont pas basées sur des objectifs de microscope.
Note 2 à l'article: L'Annexe A fournit en exemple des types d'objectif interférentiel couramment utilisés.
3.3
interférométrie à glissement de franges linéaires
PSI linéaire
méthode PSI (3.1) qui repose sur l'échantillonnage d'un signal d'interférence sur une séquence de glissements
de franges d'interférence uniformément espacés
3.4
interférométrie à glissement de franges sinusoïdales
PSI sinusoïdale
méthode PSI (3.1) qui repose sur l'échantillonnage d'un signal d'interférence sur une séquence de glissements
de franges d'interférence variant sinusoïdalement
3.5
algorithme d'interférométrie à glissement de franges
algorithme PSI
algorithme pour la procédure de traitement de données, y compris les équations mathématiques, utilisé
pour calculer la topographie à partir de deux images d'interférence numérisées ou plus acquises sur une
séquence de glissements de franges contrôlés
3.6
longueur d'onde équivalente
λ
eq
valeur constante égale au double du changement de hauteur de la topographie de surface qui produit un
cycle complet de changement de phase d'interférence (équivalent à une frange d'interférence)
Note 1 à l'article: La longueur d'onde équivalente est une définition dans le contexte de la PSI (3.1) pour la longueur
d'onde optique de mesure, définie en tant que «valeur effective de la longueur d'onde de la lumière utilisée pour
mesurer une surface» dans l'ISO 25178-600:2019, 3.3.3.
Note 2 à l'article: Cette définition correspond à la configuration de mesure décrite à l'Annexe A. Il peut y avoir des
définitions différentes pour d'autres configurations de mesure.
Note 3 à l'article: La longueur d'onde équivalente peut être calculée à partir de contributions telles que la longueur
d'onde de la source lumineuse en combinaison avec d'autres facteurs liés à la conception d'instrument, ou peut être
étalonnée en utilisant une procédure correspondant à la définition de la longueur d'onde équivalente.
3.7
changement de phase à la réflexion
PCOR
changement de phase d'interférence attribuable aux propriétés optiques d'une surface de l'échantillon
indépendamment de la hauteur de surface
Note 1 à l'article: Le PCOR est le plus pertinent pour les matériaux non diélectriques tels que les métaux et les surfaces
qui ont des couches fines de différents matériaux produisant des effets de film fin.
Note 2 à l'article: Le PCOR peut varier sur la surface de l'échantillon composée d'un matériau optiquement non
uniforme (voir ISO 25178-600:2019, 3.4.6).
3.8
mécanisme par glissement de franges
dispositif qui transmet des glissements de franges contrôlés à un signal d'interférence
Note 1 à l'article: Le mécanisme par glissement de franges peut également générer des glissements de franges par
d'autres méthodes de mouvement de balayage axial (voir ISO 25178-607:2019, 3.5), tel que le déplacement de la surface
de référence.
3.9
algorithme de développement de phase
algorithme utilisé pour augmenter l'étendue de mesure de la topographie de surface au-delà d'un cycle unique
de phase d'interférence (équivalent à une frange d'interférence), en supprimant les multiples excédentaires
de 2π entre les valeurs de phase de points-images voisins
Note 1 à l'article: L'ISO/TR 14999-2:2019, 6.6, fournit des détails supplémentaires concernant le développement de phase.
3.10
erreur sur l'ordre de frange
erreur 2π
erreur d'identification de la frange correcte lors du calcul des
hauteurs relatives en utilisant une phase d'interférence pour les calculs de topographie de surface
Note 1 à l'article: Les erreurs sur l'ordre de frange sont des multiples entiers d'un demi de la longueur d'onde équivalente
(3.6) en hauteur.
4 Exigences d'instrument
Un instrument conforme au présent document doit réaliser des mesurages de la topographie de surface
surfacique d'une surface de l'échantillon en utilisant la PSI. L'instrument peut comprendre un objectif
interférentiel ou un dispositif alternatif d’interférométrie et un mécanisme par glissement de franges.
L'instrument doit acquérir des données en utilisant la PSI linéaire, la PSI sinusoïdale, ou d'autres motifs
de glissements de franges compatibles avec la définition de la PSI. L'instrument doit convertir les données
acquises en une topographie surfacique à l'aide d'un algorithme PSI et d'une longueur d'onde équivalente
calculée ou présumée. Un algorithme de développement de phase doit être employé si nécessaire pour
réduire l'erreur sur l'ordre de frange.
La Figure 1 présente le flux d'information entre ces éléments pour un microscope PSI, entre la surface réelle
et une surface à échelle limitée. Des exemples de matériels, de techniques et de sources d'erreur pour la PSI
sont donnés aux Annexes A et B.
Légende
mesurande
operateur avec modification voulue
operateur sans modification voulue
Figure 1 — Diagramme conceptuel de flux d'information pour la PSI
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 PSI.
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 pour le mesurage par topographie de
surface surfacique
A.1 Généralités
La PSI 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 de
[9][10][11][12][13]
fonctionnement des instruments. La présente annexe fournit 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 PSI.
A.2 Conception d'instrument
Les instruments PSI pour le mesurage de la topographie de surface surfacique comprennent une variété
de conceptions. Les essais de composants optiques tels que les lentilles, les miroirs et les prismes reposent
souvent sur la géométrie laser de Fizeau, utilisée pour des surfaces polies allant d'une taille de quelques
[14][15]
millimètres à plus d'un mètre. La présente annexe décrit l'utilisation de la PSI en combinaison
avec la microscopie optique pour la topographie de surface surfacique en utilisant un mécanisme par
glissement de franges mécanique. Se reporter à l'ISO/TR 14999-1 pour les termes et définitions généraux
liés à l'interférométrie optique et à l'ISO 10934 pour les termes et définitions généraux liés à la microscopie
optique.
La Figure A.1 présente un microscope interférométrique avec un système optique d'imagerie. Le mécanisme
par glissement de franges transmet un glissement de franges contrôlé au moyen d'un balayage axial ζ de
l'objectif interférentiel vers la surface de l'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. 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 acquis au cours d'une
séquence de glissements de franges contrôlés.
Légende
A pièce E mécanisme par glissement de franges
B source lumineuse F caméra électronique
C séparateur de faisceau G acquisition et contrôle des données
D objectif interférentiel H motif d'interférence
ζ mouvement de balayage
Figure A.1 — Microscope interférométrique pour des mesurages PSI de la topographie de surface
surfacique
Les sources lumineuses pour la microscopie interférométrique sont habituellement spatialement
incohérentes, comme l'illustrent les lampes à incandescence ou les diodes électroluminescentes (voir
ISO 10934:2020, 3.1.73). La source lumineuse peut inclure des filtres interchangeables pour ajuster le
spectre d'éclairage (voir ISO 10934:2020, 3.1.55). Sur la Figure A.1, la source lumineuse est présentée 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
[9]
du champ d'éclairage, ainsi que le diaphragme d'éclairage (voir ISO 10934:2020,3.1.38.6) .
Les instruments PSI utilisent des objectifs interférentiels à la place d'objectifs de microscope conventionnel
définis dans l'ISO 10934:2020, 3.1.106. Habituellement, ces objectifs sont compatibles avec des sources
[9]
lumineuses incohérentes étendues . La Figure A.2 présente deux types courants d'objectif interférentiel,
[16][17]
les types Michelson et Mirau . D'autres conceptions d'usage courant pour la PSI incluent l'objectif
[18][19] [20]
Linnik , et l'objectif Zygo Wide Field (ZWF) . Le Tableau A.1 fournit des exemples de spécifications,
y compris la résolution latérale selon le critère de Sparrow pour une longueur d'onde de 570 nm (voir
l'ISO 25178-600:2019, 3.3.9).
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 choix d'une caméra implique non seulement la taille de champ et le nombre
de pixels, mais également la vitesse d'acquisition, la linéarité de réponse, la profondeur de puits quantique,
la résolution de numérisation et la capacité d'obturation électronique. L'effet net de la caméra, du système
optique et du traitement de données sur la résolution latérale topographique est souvent résumé dans la
fonction de transfert de l'instrument (ITF), définie dans l’ISO 25178-600:2019, 3.1.19. Voir également les
Références [21], [22], [23] et [24].
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 nécessite habituellement un ajustage nominal à la fois de la mise au point et du basculement/
de l'inclinaison, bien que l'automatisation puisse effectuer certaines ou la totalité de ces étapes (voir par
exemple l'autofocus, défini dans l'ISO 10934:2020, 3.2.4).
a) Objectif Michelson b) Objectif Mirau
Légende
A lentille
B surface de référence
C séparateur de faisceau
D pièce
Figure A.2 — Exemple de types d'objectifs de microscope interférométrique pour des mesurages PSI
Tableau A.1 — Exemple de caractéristiques d'objectifs interférentiels pour PSI
Ouverture numé- Résolution latérale
rique optique
Grossissement Type
A µm
N
1,4 × ZWF 0,04 7,13
2,75 × Michelson 0,08 3,56
5,5 × Michelson 0,15 1,90
10 × Mirau 0,30 0,86
50 × Mirau 0,55 0,47
100 × Mirau 0,85 0,34
A.3 Théorie PSI de fonctionnement
[9][25][26]
Suite à une analyse d'interférence à double faisceau , le signal d'interférence au niveau de la caméra
pour un point de surface individuel de hauteur z à une position x, y est tel que présenté dans la Formule (A.1):
II=+ I cos θϕ−+γ (A.1)
()
DC AC
où I et I sont des coefficients fixes, la phase θ dépendant de la hauteur de surface pour une longueur
DC AC
d'onde équivalente λ est tel que présenté dans la Formule (A.2):
eq
z
θπ=4 (A.2)
λ
eq
Le déphasage transmis par un mouvement du miroir de référence est tel que présenté dans la Formule (A.3):
ζ
ϕπ=4 (A.3)
λ
eq
γ est un décalage de phase qui est indépendant de z et ζ . La hauteur est calculée à partir de la phase
détectée est tel que présenté dans la Formule (A.4):
λ
eq
z= (A.4)
4π
Les franges d'interférence correspondent à des lignes d'intensité égale et suivent la topographie de surface
en tant que contours d'égale hauteur de surface z. Ces franges apparaissent à des pas de 2π, ce qui équivaut
en hauteur à une moitié de la longueur d'onde équivalente λ , qui pour des systèmes de faible ouverture
eq
numérique, est approximativement égale à la valeur moyenne de la longueur d'onde d'émission de la source.
Le décalage de phase γ dans la Formule (A.1) se rapporte, entre autres facteurs, aux propriétés de réflexion
et de transmission des composants de l'interféromètre, ainsi qu'à des caractéristiques de surface telles que
le PCOR et les effets de film fin. Dans la mesure où le décalage de phase γ a une dépendance au champ, il
peut influencer la hauteur de surface rapportée. Cependant, dans la plupart des mesurages PSI simples, le
décalage de phase γ est supposé être constant sur le champ de vision et est réglé sur zéro.
Dans la PSI, l'évaluation de la phase θ implique de moduler le signal d'interférence I par un déphasage
contrôlé φ obtenu en modulant la longueur ζ . Dans la pratique, ces déphasages correspondent à une
séquence d'intensités d'échantillon discrètes est tel que présenté dans la Formule (A.5):
II=+ I cos θϕ− (A.5)
()
jjDC AC
Étant donné que les constantes I , I sont habituellement inconnues, au moins trois valeurs de φ sont
DC AC
nécessaires pour pouvoir résoudre θ. Ces points de données représentent des acquisitions instantanées ou
des étapes de phase, ou plus couramment, les points centraux pour des mesurages d'intensité intégrés sur
la période de temps entre des points de l'échantillon, dans une méthode couramment désignée en tant que
[27][28] [10]
méthode «integrating bucket». Un algorithme PSI simple utilise juste quantre échantillons , tel que
présenté dans la Formule (A.6):
II−
tan()θ = (A.6)
II−
où le glissement de franges entre les acquisitions de données est tel que présenté dans la Formule (A.7):
π
ϕϕ−= (A.7)
jj+1
pour j = 0,1,2. Cela est désigné en tant que «PSI linéaire», en ce que le glissement de franges d'interférence est
uniformément espacé dans le temps et correspond à un mouvement linéaire du mécanisme par glissement
de franges présenté à la Figure A.1.
La Figure A.3 présente le signal d'interférence et les points d'échantillonnage. L'ISO/TR 14999-2:2019, 6.4.4
fournit des exemples supplémentaires d'algorithmes PSI linéaires.
Légende
X mouvement du mécanisme par glissement
II I
points d'échantillon de données
01,, 2
de franges /µm
Y intensité
Figure A.3 — Exemple de signal d'interférence pour la PSI linéaire
Les glissements de franges φ n’ont pas besoin d’être uniformément espacés pour être utiles à la PSI. Une
alternative pour l'acquisition et le moyennage continus de données est un glissement de franges sinusoïdal,
une technique qui a l'avantage d'être moins exigeante pour les mécanismes par glissement de franges que
[29][30]
des rampes linéaires répétées . Le motif d'intensité résultant d'un glissement de franges sinusoïdal
est une superposition d'harmoniques multiples de la modulation de phase originale. Bien que le signal
d'interférence pour un glissement de franges sinusoïdal soit très différent de celui d'un gliss
...
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