FR2708357A1

FR2708357A1 - Microscope acoustique.

Info

Publication number: FR2708357A1
Application number: FR9409229A
Authority: FR
Inventors: Arnold Walter; Rabe Ute
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1993-07-26
Filing date: 1994-07-26
Publication date: 1995-02-03
Also published as: EP0711406B1; US5852233A; JP3630682B2; US5675075A; DE4324983C2; DE59405322D1; WO1995003531A1; JPH10508089A; EP0711406A1; DE4324983A1

Abstract

La topographie d'une pièce (11) et ses propriétés élastiques peuvent être mesurées simultanément. A cette fin, la déviation d'une pointe de mesure (1) est mesurée par la déviation d'un rayon laser (22). La topographie est mesurable en maintenant constante la déviation moyenne de la pointe de mesure (1) par un circuit de régulation. Le circuit de régulation est constitué par une photodiode à deux segments (24), qui fournit un signal neutre quand la déviation de la pointe de mesure (1) est moyenne à la sortie d'un amplificateur de normalisation (29). Les déviations à partir du signal neutre peuvent être équilibrées par une électrode-z (8) d'un cristal piézoélectrique. Les propriétés d'élasticité de la pièce (11) peuvent être mesurées par une tête émettrice (9), l'ultrason peut être couplé avec la pièce (11) et la déviation haute fréquence de la pointe de mesure (1) peut être détectée par un second dispositif de détection comprenant un dispositif d'occultation (36) et une photodiode rapide (37).

Description

Microscope acoustique L'invention concerne un microscope acoustique

destiné à l'exploration d'une pièce, comprenant une pointe de mesure montée sur une barre élastique et disposée dans la région proche d'une surface de la pièce, un transducteur d'ultrasons couplé à la pièce, un dispositif de déplacement pour positionner la pièce par rapport à la pointe de mesure, la pointe de mesure présentant par calcul de la moyenne dans le temps une distance constante par rapport à la surface, et un

dispositif d'acquisition de données de mesure et de régulation.

Un microscope acoustique de ce type est connu par le document WO 89/12805. Dans ce microscope acoustique, une pointe de mesure montée sur un diapason est placée dans une région proche d'une surface d'une pièce. Le diapason formant une barre élastique en quartz piézoélectrique peut être excité et entraîné selon des oscillations mécaniques par l'intermédiaire d'électrodes montées sur ses branches

au moyen d'une tension électrique alternative qui leur est appliquée.

Les oscillations mécaniques s'accouplent par la pointe de mesure sous forme d'ultrasons avec la surface et conduisent, en fonction de l'effet alternatif entre la pointe de mesure oscillante et la surface de la pièce et par amortissement des oscillations, à un décalage de la fréquence d'oscillation et/ou de l'amplitude du diapason par rapport à une oscillation libre. La pièce et la pointe de mesure peuvent être positionnés l'une par rapport à l'autre par un dispositif de déplacement, la pointe de mesure étant disposée par calcul de la moyenne dans le temps à une distance constante de la surface. Un dispositif d'acquisition de données de mesure et de régulation sert à l'association des valeurs de mesure obtenue par la pointe de mesure en fonction de la position relative entre la pointe de mesure et la pièce. Dans ce microscope acoustique, le diapason sert avec la pointe de mesure montée sur lui aussi bien d'émetteur d'ultrasons que de détecteur. De ce fait, il faut nécessairement, pour obtenir les valeurs de mesure, avoir recours à une soustraction réalisée électroniquement de valeurs sensiblement de même grandeur de la fréquence et de l'amplitude des oscillations mécaniques, qui est relativement susceptible d'erreurs. En particulier dans le cas de mesures de courtes durées par point de mesure sur la surface, ceci a pour conséquence l'inconvénient d'un mauvais rapport signal/bruit. Du fait de l'excitation résonante du diapason en fonctionnement continu, la détection de la topographie de la surface ne peut pas être réalisée en principe séparément de la détection par exemple des propriétés élastiques dans la zone de couplage entre la pointe de mesure et la surface. En outre, il est prévu avec ce microscope acoustique d'exciter le diapason de préférence à sa fréquence de résonance dans la plage d'environ 32 kilohertz, ce qui fait que l'amplitude est importante par comparaison avec la force d'excitation, mais conduit à des oscillations perturbatrices d'amplitudes relativement élevées couplées dans cette plage de fréquences et ayant également une

influence négative sur le rapport signal/bruit.

On connait un autre microscope acoustique par la publication "Scanning Microdeformation Microscopy" de B. Cretin et F. Stahl dans

le périodique "Applied Physics Letters" 62, pages 829 à 831 (1993).

Dans ce dispositif, des microdéformations sont produites sur la surface de la pièce par des oscillations de la pointe de mesure de sensiblement 50 kilohertz à la fréquence de résonance de la barre élastique, qui induisent dans la pièce une onde acoustique. L'onde acoustique peut être détectée par un transducteur d'ultrasons en amplitude et en phase par rapport aux oscillations de la pointe de mesure. On peut produire à partir de l'amplitude et/ou de la phase de l'onde ultrasonore et en fonction de la position de la pointe de mesure une image des propriétés élastiques de la surface de la pièce qui est explorée par la pointe de mesure. Il est également possible de détecter et de former l'image de défauts d'homogénéité du matériau se trouvant au-dessous de la surface. La résolution locale de ce

microscope est d'environ 10 micromètres.

Il est possible avec un microscope acoustique de ce type de détecter des zones mécaniquement dures et molles de la surface de la pièce. La topographie de la surface de la pièce n'est cependant possible qu'indirectement par évaluation des signaux ultrasonores reçus et se révèle très difficile notamment dans le cas de topographies de semiconducteurs relativement compliquées. Comme les structures internes des semiconducteurs ont des dimensions de quelques micromètres, une utilisation de ce microscope pour des explorations à

forte résolution n'est pas possible avec des pièces de ce type.

Un autre inconvénient de ce microscope acoustique est que son rapport signal/bruit est relativement faible. La pointe de mesure oscillante sert de source ponctuelle, ce qui fait que l'amplitude de l'onde ultrasonore, après avoir passé dans la pièce et en plus de l'amortissement dans le milieu de propagation, est très faible du fait de la caractéristique d'onde sphérique de l'ultrason envoyé sur l'emplacement de détection. Pour cette raison, il est prévu que le signal détecté par le transducteur d'ultrasons est amplifié par un amplificateur de blocage pour améliorer le rapport signal/bruit. Mais

ceci a pour conséquence une durée de mesure relativement longue.

Dans la publication "Using Force Modulation to Image Surface

Elasticities with the Atomic Force Microscope" de P. Maivald, H.T.

Butt, S.A.C. Gould et al. dans le périodique "Nanotechnology" 2, pages 103 et suivantes (1991) est décrit un microscope à force atomique qui permet, en dehors d'une mesure directe de la topographie d'une pièce en maintenant constante la force moyenne appliquée à la barre élastique par l'intermédiaire d'un élément de réglage par un mouvement cyclique en va-et-vient de la pièce par rapport à la pointe de mesure, de mesurer localement les propriétés élastiques dans la région de la surface de la pièce. La déviation de la barre élastique est plus importante dans les zones mécaniquement plus molles que dans les zones mécaniquement plus dures. Ainsi, on peut obtenir une image de la topographie ainsi que des propriétés élastiques dans la zone proche de la surface en utilisant les déviations maximales de la pointe de mesure pour une force appliquée constante en fonction de la position

de la pointe de mesure.

Avec un microscope à force atomique de ce type, il est difficile d'effectuer une discrimination dans le contraste entre les parties provenant de l'élasticité et celles provenant de la topographie. La fréquence de modulation pour obtenir le mouvement de va-et-vient de la pièce est de l'ordre de quelques kilohertz, de manière que le décalage

de phase entre excitation et déviation soit aussi faible que possible.

Dans le microscope de force décrit, la vitesse de répétition est de 5 kilohertz et il en résulte en dehors du danger d'une superposition dues aux oscillations de la structure mécanique du microscope acoustique une durée de mesure relativement longue pour la mesure de

l'élasticité.

L'invention a pour but de proposer un microscope acoustique permettant de mesurer rapidement et indépendamment l'une de l'autre aussi bien la topographie que l'élasticité de la pièce avec une forte définition locale ainsi qu'un rapport signal/bruit et un contraste

élevés.

Selon l'invention, ce but est atteint du fait que le transducteur d'ultrasons est constitué par une tête émettrice avec laquelle l'ultrason peut être couplé à la pièce à une certaine distance de la pointe de mesure, l'ultrason présentant une fréquence supérieure à la fréquence de résonance de la barre élastique sur laquelle est montée la pointe de mesure, du fait que la barre élastique, le dispositif de déplacement, la tête émettrice et la pièce sont reliés rigidement les uns aux autres, et du fait que les déviations de la pointe de mesure provoquées par l'ultrason couplé peuvent être captées par un dispositif de détection pour une distance entre la pointe de mesure et la surface de la pièce maintenue constante par un circuit de régulation et restant constante par calcul

de la moyenne des déviations.

La détection des déviations de la pointe de mesure permet de capter directement les amplitudes des ondes de surface induites par les ultrasons sous forme d'un signal de mesure permettant de mesurer l'élasticité. Du fait du maintien à un niveau constant d'une distance moyenne entre la pointe de mesure et la surface de la pièce au moyen d'un circuit de régulation, il est possible de produire par un signal de régulation associé et indépendamment des déviations de la pointe de mesure induites par les ultrasons une image de la topographie de la surface. Du fait de la liaison mécaniquement rigide entre les éléments composants et de la présence d'une fréquence des ultrasons qui est plus élevée que la fréquence de résonance de la barre élastique sur laquelle est montée la pointe de mesure, on obtient un rapport

signal/bruit élevé et un contraste élevé.

Avantageusement, on utilise dans le circuit de régulation et pour maintenir constante la déviation moyenne de la pointe de mesure par l'intermédiaire d'un cristal piézoélectrique une première unité de détection dont la durée de réponse est lente. Mais il est également possible d'obtenir un signal de régulation par un filtrage basse fréquence à partir d'un signal provenant d'une unique unité de détection à large bande, signal qui contient également le signal haute

fréquence induit par les ultrasons.

De préférence, l'ultrason est utilisé sur une fréquence d'au moins quelques mégahertz, de sorte que des perturbations basse fréquence dans la plage de la fréquence de résonance de la barre élastique sur laquelle est montée la pointe de mesure peuvent être

séparées d'une façon simple.

La barre élastique, le dispositif de positionnement et la tête émettrice sont avantageusement reliés mécaniquement rigidement les uns aux autres par un dispositif de support, la fréquence de résonance du dispositif de support étant plus faible que la fréquence des ultrasons, de manière à être assuré d'une stabilité mécanique suffisante du microscope acoustique. Grâce à la mesure des déviations de la pointe de mesure qui sont bien au-dessus de la fréquence propre de la barre élastique sur laquelle est montée la pointe de mesure, des perturbations basse fréquence telles que des oscillations mécaniques

de la structure d'ensemble sont sans influence négative.

Dans un mode de réalisation de l'invention, la détection des déviations de la pointe de mesure a lieu par l'intermédiaire d'une déviation d'un rayon lumineux réfléchi par la barre élastique. Le circuit de régulation comprend en tant que première unité de détection optique une photodiode à deux segments qui est disposée de manière que pour une force à effet alternatif déterminée entre la pointe de mesure et la surface de la pièce, le rayon lumineux tombe au centre entre les deux segments de la photodiode. La largeur de bande de la photodiode à deux segments est sensiblement plus faible que la fréquence de o10 l'ultrason couplé, ce qui fait que les déviations haute fréquence de la pointe de mesure ne peuvent pas être détectées par la première

unité de détection.

Le dispositif de détection comprend une seconde unité de détection optique qui est constituée dans ce mode de réalisation par une photodiode à cellule unique dont la largeur de bande est au moins celle de la fréquence des ultrasons et par un dispositif d'occultation à bord lisse, par exemple une lame de rasoir, qui sont réglés les uns par rapport aux autres de manière que pour une force à effet alternatif moyenne et maintenue constante entre la pointe de mesure et la surface de la pièce et sans couplage d'ultrason, le dispositif

d'occultation arrête sensiblement la moitié du rayon lumineux.

Selon un autre mode de réalisation, la seconde unité de détection optique est constituée par un interféromètre à durée de transit hétérodyne, dans le bras long duquel et au moyen du dispositif de décalage de fréquence la fréquence de la lumière dans ce bras peut être décalée d'une valeur prédéterminée, les deux rayons de sortie superposés venant chacun frapper une photodiode. Le signal de différence amplifié des deux photodiodes peut être formé par un amplificateur de démodulation de différence, signal qui contient ensuite par démodulation de la fréquence de décalage un signal de sortie correspondant à la déviation de la pointe de mesure et de ce

fait de la barre élastique.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le circuit de régulation et le dispositif de détection sont intégrés dans un détecteur capacitif dans lequel la capacité de mesure est formée à partir de la barre élastique et d'une contre-électrode en forme d'aiguille disposée en regard. Les modifications haute fréquence de la capacité de mesure peuvent être séparées par un filtre passe-haut de la partie des modifications de la capacité de mesure qui est utilisée comme signal de régulation et qui est séparée par un filtre passe-bas. On peut ainsi éviter la structure optique qui est parfois sensible au réglage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront

indiquées dans la description des figures qui suit. Sur le dessin:

la figure i est une représentation schématique d'un microscope acoustique comprenant un dispositif de détection et un circuit de régulation avec deux unités de détection optiques pour détecter la topographie et les déviations induites par les ultrasons de la pointe de mesure; la figure 2 est un schéma par blocs d'une unité émettrice et réceptrice prévue pour provoquer et détecter les déviations de la pointe de mesure; la figure 3 est une représentation schématique d'un microscope acoustique comprenant un interféromètre à durée de transit hétérodyne constituant la seconde unité de détection optique pour détecter des déviations de la pointe de mesure induites par les ultrasons; et la figure 4 est une représentation schématique d'un microscope acoustique dans lequel on utilise un dispositif de détection capacitif pour détecter les déviations de la barre élastique induites par les ultrasons. A la figure 1 est représenté schématiquement un microscope acoustique. Une pointe de mesure 1 est fixée par sa base sur une extrémité d'une barre élastique 2 en Si3N4 d'une longueur d'environ micromètres. Dans ce mode de réalisation, la pointe de mesure 1 est en forme de pyramide et présente à sa pointe un rayon de courbure d'environ 50 nanomètres. La barre élastique 2 présente une constante élastique d'environ 0,1 Newton par mètre. La barre élastique 2 est montée par son autre extrémité sur l'extrémité supérieure 3 d'un

dispositif de support mécaniquement rigide 4.

Sur la base 5 du dispositif de support 4 est monté un cristal piézoélectrique de forme tubulaire d'un diamètre d'environ I cm et d'une épaisseur de paroi de 1 mm. Pour provoquer des mouvements à angle droit les uns par rapport aux autres dans un plan, le cristal piézoélectrique comprend autour de sa surface externe 4 des électrodes qui sont décalées respectivement de 90 et qui couvrent chacune un quart de la surface externe. La surface interne est recouverte par une électrode raccordée à la masse. Deux électrodes 6, 7 sont représentées schématiquement à la figure 1. Un mouvement à angle droit dans un plan peut être obtenu par application d'une tension de commande aux deux

électrodes 6, 7 décalées de 90 et qui sont visibles sur le dessin.

Les deux électrodes qui ne sont pas visibles et qui sont montées sur la périphérie reçoivent la tension négative des électrodes qui sont respectivement en face. L'une des électrodes visibles 6,7 sert avec l'électrode associée non visible et décalée de 180 à déterminer le mouvement dans la direction x et sera appelée dans ce qui suit électrodex 6. L'électrode 7 sert avec l'électrode correspondante qui est montée en regard à déterminer le mouvement dans la direction y, qui est perpendiculaire à la direction x, et elle sera désignée dans

ce qui suit par électrode-y 7.

Une extrémité de l'élément piézoélectrique de forme tubulaire est munie d'une électrode-z 8 de forme annulaire et entourant la totalité de sa périphérie pour faire effectuer un mouvement perpendiculaire au plan des mouvements de l'électrode-x 6 et de l'électrode-y 7. Sur le dessin, les rapports entre grandeurs sont

représentés de façon déformée pour plus de clarté.

Sur l'électrode-z 8 est prévue une tête émettrice 9 par laquelle l'ultrason peut être couplé à une pièce Il au moyen d'un corps intermédiaire 10. La pointe de mesure I est disposée sur une surface de la pièce 1Il. Mais elle peut être également disposée à une distance

de moins de 100 nanomètres de la surface de la pièce 11.

Les électrodes 6, 7, 8 sont chacune reliées par des conducteurs de commande piézoélectriques associés 12, 13, 14, par un amplificateur de haute tension 15 et par un convertisseur numérique-analogique 16 à

un dispositif d'acquisition de données de mesure et de régulation 17.

La tête émettrice 9 est raccordée par une ligne 18 à une unité émettriceréceptrice 19 au moyen de laquelle, ainsi que cela sera décrit de façon plus précise ci-dessous en référence à la figure 2, les déviations de la pointe de mesure 1 induites par l'ultrason peuvent être mesurées. Les déviations de la pointe de mesure 1 sont

dans ce mode de réalisation d'environ 10 nanomètres.

Partant d'une diode laser à semiconducteur 20 qui émet sur une longueur d'onde d'environ 670 nanomètres, un rayon laser 22 focalisé par une lentille 21 vient frapper l'extrémité libre aplatie de la barre élastique 2 sur laquelle est montée la pointe de mesure 1. La partie réfléchie du rayon laser 22 vient frapper un miroir 23 qui renvoie le rayon laser 22 à travers un diviseur de faisceau 32 sur une photodiode 24 à deux segments qui est lente par rapport à la fréquence

de l'ultrason.

Le miroir 23 et la photodiode 24 sont disposés de manière que le rayon laser 22 parvienne au centre entre le premier élément 25 et le second élément 26 de la photodiode à deux segments 24 pour une force alternative déterminée entre la pointe de mesure 1 et la pièce 11 dans

la position centrale de la pointe de mesure 1.

Les tensions photo-électriques du premier élément 27 et du second élément 26 sont appliquées par des lignes de sortie 27, 28 à un amplificateur de normalisation 29 qui normalise et amplifie la différence entre les tensions photo-électriques des éléments 25, 26 sur leur valeur de sommation. Le signal de sortie de l'amplificateur de normalisation 29 est appliqué par l'intermédiaire d'une ligne 30 à une entrée d'un convertisseur analogique/numérique 31 qui met les

tensions sous forme numérique.

Le diviseur de faisceau 32 divise le rayon laser 22 provenant du miroir 23 selon un rapport d'environ 1:1. Le diviseur de faisceau 22 est monté de manière que le rayon laser 33 qu'il réfléchit vienne frapper un miroir 34 qui fait à nouveau dévier le rayon laser réfléchi 33 en passant par une lentille de collimation 35 devant une lame de rasoir 36 et vers une photodiode à cellule unique 37 dont la largeur

- de bande est au moins égale à la fréquence de l'ultrason.

Le diviseur de faisceau 32, le miroir 34, la lentille de collimation 35 et la lame de rasoir 36 sont disposés de manière qu'après un alignement central de la partie du rayon laser 22 qui passe par le diviseur de faisceau 32 sur la photodiode à deux segments 24, la lame de rasoir 36 arrête le rayon laser réfléchi 33 de façon sensiblement symétrique en son centre. La partie du rayon laser réfléchi 33 qui n'est pas arrêtée parvient sur une photodiode à cellule unique 37. Les longueurs de parcours optique de cette

structure sont de l'ordre du centimètre.

La photodiode à cellule unique 37 est raccordée par une ligne 38 à une résistance de charge d'environ 50 ohms et à une résistance de protection, qui sont représentées sous forme d'un circuit à résistances 39. La photodiode à cellule unique 37 est une diode de forme allongée au silicium, dont la durée de montée est d'environ 1 nanoseconde. Mais d'autres détecteurs sensibles à la lumière et à largeur de bande supérieure à la fréquence de l'ultrason couplé, comme des diodes à avalanche, peuvent être également utilisés. Le signal de sortie du circuit à résistances 39 est appliqué par l'intermédiaire d'une ligne 40 à l'entrée d'un amplificateur 41 dont l'amplification est environnement 60 décibels. Le signal de sortie de l'amplificateur 41 est appliqué par une ligne 42 à une entrée de tension de l'unité

émettrice et réceptrice 19.

La sortie de données de l'unité émettrice et réceptrice 19 est reliée par une ligne 43 à une seconde entrée du convertisseur analogique/numérique 31, par lequel les tensions provenant de l'unité

émettrice et réceptrice 19 peuvent être mises sous forme numérique.

Les données mises sous forme numérique par le convertisseur analogique/numérique 31 peuvent être mises en mémoire par une ligne 44 dans le dispositif d'acquisition de données de mesure et de régulation 17. Dans une mémoire du dispositif d'acquisition de données de mesure et de régulation 17 peuvent être stockées en fonction de la position de la pièce 11 les signaux de sortie numérisés provenant de l'amplificateur de normalisation 29 et de l'unité émettrice et réceptrice 19. Une unité d'affichage 76, par exemple un écran, est prévue pour l'affichage du contenu de la mémoire du dispositif d'acquisition de données de mesure et de régulation 17 sous forme d'un

codage en couleurs ou en valeurs de gris.

La figure 2 montre sous forme d'un schéma par blocs la constitution interne de l'unité émettrice et réceptrice 19. Le signal de l'amplificateur 41 de la figure 1 qui passe par la ligne 42 parvient dans un canal 45 d'une oscilloscope 46 et vers une entrée à

signaux 47 d'un intégrateur à porte de détermination des temps 48.

Un émetteur d'ultrasons 57 envoie une courte impulsion à durée de montée d'environ 16 nanosecondes par la ligne 18 à la tête émettrice 9. Simultanément, un générateur d'impulsions 49 reçoit par une ligne 56 une impulsion de départ. Le générateur d'impulsions 49 envoie ensuite par une ligne 51 une impulsion rectangulaire de durée réglable à un circuit à retard 52 par lequel l'impulsion rectangulaire peut être retardée de façon réglable par rapport à l'impulsion de départ. L'impulsion rectangulaire retardée peut être stockée par une ligne 53 d'une part dans un second canal 54 de l'oscilloscope 46 et d'autre part dans l'entrée à porte de temps 55 de l'intégrateur à porte de temps 48. La déviation dans le temps de l'oscilloscope 46 est déclenchée par une ligne 75 provenant du générateur d'impulsions 49. A l'aide de l'oscilloscope 46, la position de l'impulsion rectangulaire retardée provenant du circuit à retard 52 peut être contrôlée par

rapport au signal se trouvant dans le canal 45.

L'amplitude moyenne appliquée à l'entrée à signaux 47 peut être déterminée avec l'intégrateur à porte de temps 48 pendant la partie de haut niveau d'une impulsion rectangulaire retardée provenant du générateur d'impulsions 49 à l'entrée de la porte de temps 55. La valeur d'amplitude moyenne peut être mise en mémoire par la ligne 43 dans le convertisseur analogique/numérique 31 de la figure 1 pour être

mise sous forme numérique.

La vitesse de répétition de l'émetteur d'ultrasons 57 est si élevée que la valeur d'amplitude des ultrasons pour chaque position de la pièce 11 est au moins une valeur qui a été actualisée une fois avant que le dispositif d'acquisition de données de mesure et de régulation 17 lise une nouvelle valeur d'amplitude. Dans ce mode de réalisation, la vitesse de répétition des ultrasons est d'environ 1 kilohertz, ce qui fait qu'on est assuré jusqu'à une fréquence de lecture d'environ 500 hertz qu'au moins une impulsion ultrasonore a été envoyée vers une position de la pièce 11. Comme déjà mentionné, la force à effet alternatif moyenne entre la pointe de mesure 1 et la pièce 11 pendant la mesure est maintenue constante. On peut obtenir ce résultat en maintenant dans un circuit de régulation la partie du rayon laser 22 transmise par le diviseur de faisceau 32 par l'intermédiaire du dispositif d'acquisition de données de mesure et de régulation 17 et par un réglage approprié de l'électrode-z 8 centralement entre le premier élément 25 et le second élément 26 de la photodiode à deux segments 24. Dans le cas de modifications positives ou négatives du niveau de sortie de l'amplificateur de normalisation 29, la tension peut être réglée dans la ligne de commande piézoélectrique 14 qui est raccordée à l'électrode-z 8 de manière que la tension de sortie de l'amplificateur de normalisation 29 soit proche de la valeur neutre. La tension de régulation destinée à l'électrode-z 8 fournit en dépendance des positions x et y de la pièce 11 une image de la topographie de cette

pièce 11.

La fréquence de l'ultrason peut être réglée entre environ 5

mégahertz et environ 100 mégahertz et est donc située largement au-

dessus de la fréquence de résonance de quelques kilohertz de la barre

élastique 2 utilisée dans cet exemple avec la pointe de mesure 1.

En ce qui concerne l'ultrason couplé, il s'agit dans ce mode de réalisation d'ondes longitudinales, ce qui fait que la surface de la pièce 11 effectue des oscillations normales. Ces oscillations normales conduisent à une déviation haute fréquence de la barre élastique 2, mais elles ne peuvent pas être détectées par la largeur de bande trop étroite de la lente photodiode à deux segments 24, ce qui conduit cependant à un signal de mesure dans la photodiode à cellule unique 37 à largeur de bande dans la plage des mégahertz par occultation d'une

partie du rayon laser réfléchi 33 par la lame de rasoir 36.

Dans ce mode de réalisation, le circuit à retard 52 est réglé de manière que l'amplitude moyenne de la première déviation haute fréquence de la barre élastique 2 puisse être déterminée à la suite de l'oscillation de surface de la pièce 11 dans l'intégrateur à porte de temps 48. Après mise en mémoire d'une valeur de mesure de la déviation de la pointe de mesure 1, la pièce 11 peut être positionnée par des signaux de sortie appropriés du dispositif d'acquisition de données de mesure et de régulation 17 sur l'électrode-x 6 et l'électrode-y 7 à l'emplacement de mesure suivant. Ensuite a lieu le cycle de mesure par

ultrason suivant.

Pendant l'exploration par balayage de la surface de la pièce 11 dans la plage de mesure prédéterminée a lieu dans l'unité d'affichage 76 une représentation dépendant de l'emplacement des tensions de régulation de l'électrode-z 8 pour représenter la topographie de la surface de la pièce, ainsi qu'une représentation dépendant de l'emplacement de la déviation induite par ultrason de la pointe de mesure 1 par les valeurs de mesure correspondantes. Cette représentation a lieu de préférence par un codage de valeurs de gris ou de couleurs habituel. Ainsi, on peut obtenir en mêmetemps et d'une manière indépendante l'une de l'autre sur le plan de la technique de la mesure aussi bien une image de la topographie de la surface de la pièce 11 qu'une image correspondant aux propriétés élastiques de la surface de la pièce des amplitudes des ondes ultrasonores sur la

surface de la pièce 11.

Pour détecter par une technique de mesure d'autres zones temporelles de l'ultrason émis, il est possible de modifier dans le temps la porte de temps au moyen du circuit à retard 52. Ceci est particulièrement nécessaire quand on remplace le corps intermédiaire

avec une modification de la durée de transit.

A la figure 3 est représenté schématiquement un autre mode de réalisation d'un microscope acoustique dans lequel les éléments qui correspondent à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes

références et ne seront pas expliqués plus en détail dans ce qui suit.

Dans le mode de réalisation de la figure 3, le rayon laser 33 réfléchi par le diviseur de faisceau 32 est couplé à un interféromètre à durée de transit hétérodyne. Le rayon laser réfléchi 33 parvient sur un diviseur de faisceau d'entrée 59 qui couple l'intensité arrivante sensiblement sur la moitié de celle du bras long 60 de

l'interféromètre à durée de transit hétérodyne 58.

Dans le bras long 60 sont prévus deux miroirs 61, 62 qui renvoient la lumière passant dans le bras long 60 par une cellule de Bragg 63 fonctionnant sur la base de l'effet opto-acoustique vers un diviseur de faisceau de sortie 64. Les miroirs 61, 62 ainsi que la cellule de Bragg 63 sont disposés de manière que la lumière de sortie de la cellule de Bragg 63 réfractée en premier ordre et décalée en fréquence vienne tomber sur le diviseur de faisceau de sortie 64. La cellule de Bragg 63 est reliée par une ligne 65 à un circuit d'excitation 66 au moyen duquel l'importance du décalage de fréquence

dans ce mode de réalisation est réglé sur environ 80 mégahertz.

Le bras court 67 de l'interféromètre à durée de transit hétérodyne 58 est formé par la partie transmise par le diviseur de faisceau d'entrée 59 qui représente environ la moitié de l'intensité du rayon laser 33. Les rayons lumineux du bras long 60 et du bras court 67 peuvent être superposés colinéairement par l'intermédiaire du diviseur de faisceau de sortie 64 dans les faisceaux d'interférence

68, 69.

Le premier faisceau d'interférence 68 vient frapper la première diode d'interférence 70 dont le signal de sortie est appliqué par une ligne 71 à une première entrée d'un amplificateur de démodulation de différence 72. Le second faisceau d'interférence 69 vient frapper une seconde photodiode d'interférence 73 dont le signal de sortie est appliqué par une ligne 74 à une seconde entrée de l'amplificateur de

modulation de différence 72.

Dans les signaux de sortie des photodiodes d'interférence 70, 73 sont contenues d'une façon connue en soi, du fait de la différence de la durée de parcours de la lumière entre le bras court 67 et le bras long 70, des modulations de phase qui sont proportionnelles aux différences de déviation de la pointe de mesure 1. La différence de parcours ehtre les bras 60, 67 est de préférence choisie de manière que la sensibilité de l'interféromètre soit maximale pour la fréquence des ultrasons envoyés, ceci signifiant que la différence de longueur entre les bras est sensiblement égale à la vitesse de la lumière divisée par le double de la fréquence des ultrasons multipliée par

l'indice de réfraction.

Dans l'amplificateur de démodulation de différence 72 peut être formée la différence entre le signal de sortie de la première photodiode d'interférence 70 et celui de la seconde photodiode d'interférence 73, ce signal de différence pouvant être découplé de perturbations basse fréquence par le décalage de fréquence dans la lo cellule de Bragg 63 et la démodulation qui suit. Ainsi, des déviations d'intensité dans le rayon réfléchi 33 ou des perturbations mécaniques de basse fréquence peuvent être équilibrées. Le signal de différence peut en outre être amplifié par l'amplificateur de démodulation de différence 72 et être appliqué par la ligne 42 à l'intégrateur à porte

de temps 48 de l'unité d'émission et de réception 19.

Dans un mode de réalisation différent, l'interféromètre à durée de transit hétérodyne 58 est remplacé par un interféromètre à durée de transit à fibre optique stabilisée de façon active. L'interféromètre stabilisé comprend dans son bras long un dispositif de décalage de phase qui est relié dans un circuit de régulation par une ligne avec un amplificateur de différence, de manière que des modifications de longueur de parcours optique puissent être équilibrées. Le couplage et le découplage ont lieu comme dans le mode de réalisation présenté à la

figure 3 par l'interféromètre à durée de transit hétérodyne.

A la figure 4 est représenté un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel les éléments qui correspondent à ceux qui sont représentés sur les figures 1 et 3 sont désignés par les mêmes

références et ne seront pas expliqués plus en détail dans ce qui suit.

Dans le mode de réalisation de la figure 4, les déviations de la pointe de mesure i peuvent être détectées au moyen d'un dispositif de détection capacitif. Le dispositif de détection capacitif comprend une capacité de mesure constituée par le côté arrière pourvu d'une couche métallique de la barre élastique 2 et par une contre-électrode 77 du type en pointe d'aiguille, dont la pointe est orientée en direction de la barre élastique 2. La barre élastique 2 est montée sur une monture

électriquement conductrice 78 qui est raccordée à la masse 79.

La contre-électrode 77 est montée mécaniquement sur un élément

piézoélectrique 80 et découplée électriquement de ce dernier.

L'élément piézoélectrique 80 est fixé à une table de déplacement mécanique 81 qui est montée de son côté sur le dispositif de support 4. Une tension peut être appliquée à l'élément piézoélectrique 80 par une ligne 82 à partir d'un dispositif d'alimentation réglable du réseau 83. La contre-électrode 77 peut être positionnée à une certaine distance au-dessus de la barre élastique 7 de façon grossière par réglage mécanique de la table de déplacement 81 et de façon fine par la modification de la tension d'alimentation de l'élément

piézoélectrique 80.

La contre-électrode 77 est reliée électriquement par une ligne 84 à un circuit de mesure de capacité 85. La capacité de mesure est intégrée dans un circuit oscillant du circuit de mesure de capacité , qui peut être excité par un oscillateur oscillant à environ 915 mégahertz. La fréquence de l'oscillateur est choisie de manière qu'elle soit située dans la partie la plus inclinée des flancs de la courbe de résonance du circuit oscillant. Des modifications de la capacité de mesure par des déviations de la pointe de mesure 1 et de ce fait de la barre élastique 2 provoquent une modification de la fréquence de résonance du circuit oscillant et de ce fait de l'amplitude induite par l'oscillateur. Ces modifications d'amplitude peuvent être séparées par un passe-bas 86 et un passe-haut 87 en une

fraction basse fréquence et en une fraction haute fréquence.

Le passe-bas 86 comprend une zone de passage atteignant environ kilohertz et le passe-haut 87 une zone de passage partant d'environ la moitié de la valeur de la fréquence des ultrasons. Les lentes déviations de la pointe de mesure 1 provoquées par des modifications de la topographie de la surface de la pièce I1l peuvent être ainsi détectées à une sortie basse fréquence 88, et les déviations haute fréquence induites par les ultrasons de la pointe de mesure I à une

sortie haute fréquence 89.

Le signal présent à la sortie basse fréquence 88 envoyé par la ligne 30 peut être mis en mémoire dans le convertisseur analogique/numérique 31 et sert de signal de régulation pour le maintien sur une valeur constante de la distance moyenne entre la surface de la pièce 11 et la pointe de mesure 1. Le signal présent à la sortie haute fréquence 89 peut être couplé par la ligne 42 à l'unité émettrice et réceptrice 19. Le traitement de données

subséquent a lieu comme décrit aux figures 1, 2 et 3.

Claims

REVENDICATIONS

1; Microscope acoustique destiné à l'exploration d'une pièce (11), comprenant une pointe de mesure (1) montée sur une barre élastique (2) et disposée dans la région proche d'une surface de la pièce (11), un transducteur d'ultrasons couplé à la pièce (11), un dispositif de déplacement pour positionner la pièce (11) par rapport à la pointe de mesure (1), la pointe de mesure (1) présentant par calcul de la moyenne dans le temps une distance constante par rapport à la surface, et un dispositif d'acquisition de données de mesure et de régulation (17), caractérisé en ce que le transducteur d'ultrasons est constitué par une tête émettrice (9) avec laquelle l'ultrason peut être couplé à la pièce (11) à une certaine distance de la pointe de mesure (1), l'ultrason présentant une fréquence supérieure à la fréquence de résonance de la barre élastique (2) sur laquelle est montée la pointe de mesure (1), la barre élastique (2), le dispositif de déplacement, la tête émettrice (3) et la pièce (11) sont reliés mécaniquement et rigidement les uns aux autres, et les déviations de la pointe de mesure (1) provoquées par l'ultrason couplé peuvent être captées par un dispositif de détection (36, 37, 39, 41; 58; 2, 77, 85, 87) à une distance entre la pointe de mesure (1) et la surface de la pièce (11) maintenue constante par un circuit de régulation (8, 17, 24, 29; 2, 8, 17, 85, 86), et restant constante par calcul des déviations.
2. Microscope acoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de l'ultrason couplé est supérieure d'au moins un ordre de grandeur à la fréquence de résonance de la barre élastique

(2) sur laquelle est montée la pointe de mesure (1).
3. Microscope acoustique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la barre élastique (2), le dispositif de déplacement, la tête émettrice (9) et la pièce (11) sont reliés les uns aux autres mécaniquement et rigidement par un dispositif de support (4), la fréquence de résonance du dispositif de support (4)

étant inférieure à la fréquence de l'ultrason couplé.
4. Microscope acoustique selon l'une quelconque des

revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un rayon lumineux (22)

réfléchi par la barre élastique (2) peut être couplé par des dispositifs de renvoi optiques (23, 32) dans le circuit de régulation (8, 17, 24, 29) qui comprend une première unité de détection optique (24, 29), et dans le dispositif de détection (36, 37: 58) constituant une seconde unité de détection optique.
5. Microscope acoustique selon la revendication 4, caractérisé en ce que la première unité de détection est constituée par un détecteur (24) à deux segments et sensible à la lumière et comprend un amplificateur de normalisation (29), le rayon lumineux (22) tombant, dans la position centrale de la pointe de mesure (1), au centre du détecteur à deux segments (24) et un signal neutre étant présent dans la position moyenne à la sortie de l'amplificateur de normalisation (29), signal qui est formé à partir de la différence des tensions de sortie normalisée sur la somme des tensions de sortie des éléments

(25, 26) du détecteur à segments (24).
6. Microscope acoustique selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que la seconde unité de détection comprend un détecteur (37) à cellule unique et sensible à la lumière et un dispositif d'occultation de faisceau (36), le dispositif d'occultation de faisceau (36) étant disposé par rapport au détecteur à cellule unique et sensible à la lumière (37) de manière que dans la position moyenne de la pointe de mesure (1), le rayon lumineux (33) tombant sur

le détecteur à cellule unique (37) soit occulté en son centre.
7. Microscope acoustique selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le dispositif de détection comprend en tant que seconde unité de détection un interféromètre à durée de transit hétérodyne (58) dans le bras long (60) duquel est disposé un dispositif de décalage de fréquence (63) pour décaler la fréquence du

rayon lumineux passant dans le bras long (60).
8. Microscope acoustique selon la revendication 7, caractérisé en ce que les rayons d'interférence (68, 69) de l'interféromètre à durée de transit hétérodyne (58) viennent frapper respectivement des détecteurs photosensibles (70, 73), dont les signaux de sortie sont soustraits l'un de l'autre dans un amplificateur de démodulation de différence (72) et peuvent être amplifiés en étant démodulés de la

fréquence du dispositif de décalage de fréquence (63).
9. Microscope acoustique selon l'une quelconque des

revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de détection

comprend une barre élastique (2) recouverte par un métal et une

capacité formée par une contre-électrode en forme d'aiguille (77).
10. Microscope acoustique selon la revendication 9, caractérisé en ce que les modifications de la capacité de mesure provenant des déviations de la pointe de mesure (1) peuvent être saisies au moyen

d'un circuit de mesure de capacité (85).
11. Microscope acoustique selon la revendication 10, caractérisé en ce que les déviations haute fréquence induites par les ultrasons de la pointe de mesure (1) peuvent être séparées au moyen d'un passe-bas (86) et d'un passe-haut (87) des déviations basse fréquence à partir du signal de sortie du circuit de mesure de capacité (85), le signal de sortie du passe-bas (86) servant de signal de régulation pour le

circuit de régulation (2, 8, 17, 77, 85, 86).
12. Microscope acoustique selon l'une quelconque des

revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la déviation moyenne

induite par les ultrasons de la pointe de mesure (1) peut être détectée au moyen d'une unité émettrice et réceptrice (19) par l'intermédiaire d'un circuit à porte de temps (48) dans une plage de temps pouvant être prédéterminée par un générateur d'impulsions (49) et un circuit à retard (52), après envoi de l'ultrason par la tête

émettrice (9).
13. Microscope acoustique selon la revendication 12, caractérisé en ce que la plage de temps est réglée de manière que la valeur moyenne de la première déviation induite par ultrason de la pointe de

mesure (1) puisse être détectée.
14. Microscope acoustique selon l'une quelconque des

revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les données de mesure de

la topographie et une grandeur de mesure proportionnelle à la déviation de la pointe de mesure (1) en fonction de la position de la pièce (11) peuvent être mises en mémoire dans le dispositif

d'acquisition de données de mesure et de régulation (17).