FR3003950A1 - Dispositif d'imagerie en champ proche et lointain dans le domaine des micro-ondes - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif d'imagerie d'un objet à étudier, remarquable en ce que le dispositif comprend en combinaison : - un prisme (1) dans un matériau sans pertes (non absorbant) pour le rayonnement dans le domaine des micro-ondes, - un porte-échantillon (3) sur une face avant (12) du prisme (1), pour la réception de l'objet à étudier, - une antenne émettrice (2) mobile sur une face arrière (11) du prisme (1), pour l'émission d'un rayonnement dans le domaine des micro-ondes.

Description

DISPOSITIF D'IMAGERIE EN CHAMP PROCHE ET LOINTAIN DANS LE DOMAINE DES MICRO-ONDES La présente invention concerne le domaine technique général des dispositifs d'imagerie permettant l'étude d'échantillons, notamment en champ proche et en champ lointain. PRESENTATION DE L'ART ANTERIEUR L'essor mondial des nanosciences et des nanotechnologies engendre des efforts de recherche mettant en jeu des nanostructures de complexité croissante, afin de leur conférer des fonctionnalités nouvelles diverses et variées. Ceci induit la nécessité de développer de nouveaux dispositifs et procédés de caractérisation (taille, structure, propriétés optiques, thermiques, etc.) et de contrôle 15 de nano-objets, tels que des nanoparticules pour la conception de nouveaux matériaux. On entend, dans le cadre de la présente description de l'invention, par « nano- objet », un corps dont au moins une des dimensions (longueur, diamètre, épaisseur) est de l'ordre du nanomètre, c'est-à-dire inférieure à 100 nanomètres et 20 préférentiellement inférieure à 50 nanomètres. Les dispositifs optiques de visualisation - tel que les microscopes optiques - demeurent attractifs du fait de leur flexibilité. De tels dispositifs comportent classiquement : - une source de lumière pour éclairer un objet à étudier, 25 - un détecteur pour détecter la lumière émise par la source. Toutefois, ces dispositifs optiques sont actuellement limités en résolution, notamment pour la visualisation d'objets dont l'une des dimensions est inférieure à la demi-longueur d'onde de la lumière émise par la source. En effet, lorsqu'un objet a une dimension inférieure à la demi-longueur d'onde 30 de la lumière qui l'éclaire, la lumière est diffusée sous la forme d'une tâche. Il n'est donc pas possible d'obtenir une image nette de l'objet étudié. Cette limitation fondamentale est due au fait que la détection et la mesure du champ électromagnétique sont réalisées à une distance de l'ordre de plusieurs longueurs d'onde de l'objet étudié.

Or, il faut distinguer deux régions dans lesquelles se trouvent des champs électromagnétiques de natures différentes : - la première région, située à une distance supérieure à plusieurs fois la longueur d'onde de la lumière d'éclairement est dite « zone de champ lointain »; le champ électromagnétique que l'on peut mesurer dans la zone de champ lointain est formé d'ondes dites « propagatives », - la seconde région qui est confinée au voisinage de la surface de l'objet étudié est dite « zone de champ proche » ; le champ électromagnétique que l'on peut mesurer dans la zone de champ proche est formé par les ondes propagatives précédemment citées, associées à des ondes dites « évanescentes » qui s'atténuent trop fortement pour être détectables plus loin. Pour tenter de dépasser cette limite de résolution, on peut avoir recours à d'autres modes d'excitation de l'objet étudié dans d'autres plages de fréquences (longueurs d'onde). Un but de la présente invention est de proposer dans le domaine des micro-ondes un dispositif d'imagerie analogue à celui permettant la caractérisation et le contrôle d'objet tel qu'un nano-objet en optique. Un tel dispositif peut aussi être avantageusement mis à profit en micro-ondes pour l'évaluation non destructive de macro-objets composés de divers matériaux, soit manufacturés comme des diélectriques ou des composites, soit naturels comme du bois. RESUME DE L'INVENTION L'invention propose un dispositif d'imagerie d'un objet à étudier, remarquable en ce que le dispositif comprend en combinaison : - un prisme dans un matériau sans pertes (non absorbant) pour les ondes électromagnétiques dans le domaine des micro-ondes, - un porte-échantillon sur la surface plane du prisme (ou face avant), pour la réception de l'objet à étudier, - au moins une antenne émettrice sur une face arrière du prisme pour l'émission d'un rayonnement dans le domaine des micro-ondes, ladite et au moins une antenne émettrice étant adaptée en impédance pour rayonner directement dans le prisme. La (ou les) antenne(s) émettrice(s) se trouve(nt) à proximité de la surface de la partie semi-circulaire du prisme, pour l'émission d'un rayonnement dans le domaine des micro-ondes. Avantageusement, la (ou les) antenne(s) émettrice(s) peuvent s'étendre à l'intérieur du prisme (elle(s) est (sont) dans ce cas « noyée(s) » dans le prisme), ou s'étendre à l'extérieur du prisme. Dans tous les cas, on entend par « antenne se trouvant à proximité de la surface de la partie semi-circulaire du prisme », une antenne située à une distance inférieure ou égale à 15 centimètres de la surface du prisme. Dans le cas d'un nano-objet observé via des ondes du visible ou de Io l'infrarouge, la grande difficulté à préparer des échantillons parfaitement contrôlés (dépôt de nanoparticules sur surface, etc.), et l'inexistence de dispositif d'imagerie de résolution suffisante rendent difficile l'étude de ce nano-objet. La solution selon l'invention consiste à mettre en oeuvre un principe dit « d'analogie micro-ondes », en effectuant un double changement d'échelles (taille 15 [nanomètre => centimètre] et longueur d'onde [visible => micro-ondes]) avec un facteur identique. La problématique est alors rigoureusement identique à condition que les objets étudiés aient, dans le domaine translaté des micro-ondes, rigoureusement les mêmes propriétés électromagnétiques que ceux qui sont mis en oeuvre dans le zo visible. Les nano-objets sont remplacés par des macro-objets dont la fabrication et la disposition deviennent bien plus réalisables. De plus, l'amplitude et la phase des champs sont accessibles à la mesure, ce qui permet l'évaluation des modèles électromagnétiques en variables primaires. 25 On entend, dans le cadre de la présente invention, par « antenne émettrice adaptée en impédance », une antenne émettrice dont l'impédance caractéristique dans le matériau (du prisme) est voisine de celle de l'appareil de mesure. Des aspects préférés mais non limitatifs du procédé de transmission de données décrit ci-dessus sont les suivants : 30 - le dispositif d'imagerie comprend une antenne réceptrice en champ lointain pour capter le rayonnement électromagnétique transmis par l'objet à étudier, - le dispositif d'imagerie comprend en outre des sondes de mesure en champ proche spatialement localisée, - ladite et au moins une antenne émettrice comporte une antenne émettrice mobile montée sur un système mécanique permettant le déplacement de l'antenne émettrice mobile le long d'une zone de déplacement, - l'antenne émettrice comprend un matériau de couplage dont la permittivité est sensiblement égale à la permittivité du matériau constituant le prisme, - ladite et au moins une antenne émettrice comporte une pluralité d'antennes élémentaires réparties au voisinage de la face arrière du prisme, lesdites antennes élémentaires étant alimentées en courant électrique séquentiellement, par paire ou simultanément de sorte que lesdites antennes élémentaires émettent un rayonnement séquentiellement, par paire ou simultanément, Ceci permet de s'affranchir d'un système mécanique sur lequel est montée une antenne émettrice mobile d'une part et de faire du mélange d'ondes et de réaliser ainsi une antenne adaptative à plusieurs ondes d'autre part ; toutefois, l'homme du métier appréciera que le dispositif peut comprendre en combinaison une antenne émettrice mobile reliée à un système mécanique permettant le déplacement de celle-ci, et des antennes élémentaires réparties au voisinage de la face arrière du prisme (typiquement à une distance de la surface de la partie semi-circulaire du prisme inférieure ou égale à 10 centimètres) ; dans ce cas, ces antennes émettrices peuvent être activées séquentiellement ou en parallèle ou deux à deux, etc. de sorte à permettre la réalisation de différentes mesures en champ proche ou lointain ; - le matériau de couplage est un mélange d'air et de silice, - le prisme est de forme hémicylindrique, - le prisme comprend une couche de matériau absorbant les rayonnements dans le domaine micro-ondes, ladite couche s'étendant sur toutes les surfaces du prisme hormis la face supérieure et la zone de déplacement de l'antenne émettrice ; - le prisme comprend une couche de matériau absorbant les rayonnements dans le domaine micro-ondes, ladite couche s'étendant sur toutes les surfaces du prisme autres que la face supérieure et des régions du prisme au voisinage des antennes élémentaires ; - le porte échantillon comprend des marqueurs de positionnement.

L'invention concerne également l'utilisation du dispositif selon l'une des revendications précédentes dans une chambre anéchoïque.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages et caractéristiques du dispositif selon l'invention ressortiront encore de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, à partir des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 illustre un mode de réalisation d'un dispositif d'imagerie, - La figure 2 est une vue de dessus d'un prisme muni d'un porte-échantillon. DESCRIPTION DETAILLEE 15 On va maintenant décrire un exemple de dispositif d'imagerie selon l'invention. Le dispositif comprend un prisme 1, une antenne émettrice 2, un porte-échantillon 3 sur le prisme 1, une antenne réceptrice 4 et une sonde réceptrice 5. Prisme 20 Le prisme 1 permet de générer les ondes évanescentes émises par l'antenne émettrice 2 par réflexion totale. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1, le prisme 1 est de forme hémicylindrique. Il comprend une face arrière 11 convexe, et une face avant 12 25 plane. Le demi-cylindre constituant le prisme 1 est par exemple de diamètre égal à soixante centimètres. Bien entendu, le prisme 1 peut présenter d'autres formes telles qu'une forme hémisphérique. Le prisme 1 est dans un matériau ne présentant pas de pertes pour les 30 rayonnements micro-ondes tel qu'un polymère de type polyamide PA6. Avantageusement, toutes les surfaces du prisme hormis la face supérieure et la zone de déplacement de l'antenne émettrice peuvent être recouvertes d'un matériau 13 absorbant les rayonnements micro-ondes. Ceci permet de réduire l'influence des bruits parasites dans la mesure des ondes électromagnétiques propagées par l'objet étudié. Antenne émettrice L'antenne émettrice 2 permet de générer un rayonnement dans le domaine des micro-ondes. Plus précisément, la longueur d'onde du rayonnement émis par l'antenne émettrice 2 est typiquement comprise entre 7,5 millimètres et 30 centimètres selon le choix de l'antenne 2 (fréquence comprise entre 1 GHz et 40 GHz). L'antenne émettrice 2 est positionnée sur la face arrière 11 du prisme 1. En particulier, l'antenne émettrice 2 peut se déplacer sur la face convexe du prisme hémicylindrique. Elle est par exemple du type Cornet, et est en contact avec la face arrière 11 du prisme 1.

L'antenne émettrice 2 est montée sur un bras articulé 21. Le bras articulé 21 permet le déplacement en translation et en rotation de l'antenne émettrice 2 par rapport au prisme 1. De préférence, l'antenne émettrice 2 peut être montée de plusieurs façons pour la génération d'un rayonnement micro-onde polarisé de type S ou de type P ou encore elliptiquement.

Le bras articulé 21 peut comprendre un capteur angulaire 22 pour mesurer l'angle entre la surface plane du prisme (l'horizontale) 1 et le bras 2. Ceci permet de contrôler l'angle d'incidence du rayonnement émis par l'antenne émettrice 2, et ainsi de contrôler la profondeur de pénétration de l'onde de surface créée dans l'air au-dessus du prisme 1 à partir dudit rayonnement émis par l'antenne émettrice 2.

L'antenne émettrice 2 comprend un matériau de couplage permettant à l'antenne émettrice d'émettre dans un milieu dont la permittivité est quasi identique (à 5% près) à celle du matériau constituant le prisme. Ceci permet d'éviter les pertes par réflexion du rayonnement à l'interface entre l'antenne et le prisme. Avantageusement, le matériau de couplage présente les mêmes propriétés physiques que le matériau constituant le prisme dans le domaine des micro-ondes. Par exemple, le matériau de couplage est constitué d'un mélange de silice et d'air (i.e. sable). 3003 950 7 Porte-échantillon Le porte-échantillon 3 est destiné à recevoir l'objet à étudier. Il permet d'assurer un positionnement précis de l'objet étudié sur le prisme 1. 5 Le porte-échantillon 3 est constitué dans un matériau transparent au rayonnement micro-onde, tel que du polystyrène. Il s'étend sur la face avant 12 du prisme 1. Le porte échantillon 3 peut comprendre un cadre extérieur 31 fixé au prisme 1. Ce cadre extérieur 31 comporte des logements destinés à accueillir des marqueurs 10 de positionnement 32 tels que des sphères. Ces sphères peuvent être constituées dans un matériau transparent à la lumière visible tel que du plexiglas. Le nombre de sphères est de préférence supérieur ou égal à trois. Ces sphères servent de repère d'alignement de l'ensemble constitué du prisme 1, de l'antenne émettrice 2, et de l'objet étudié dans un repère fixe. 15 La position des sphères peut être détectée par l'intermédiaire d'un système de détection classique connu de l'homme du métier et comprenant par exemple une diode laser HeNe pour éclairer les billes en plexiglas. Ceci permet de connaître avec précision la position du prisme et de l'objet étudié par rapport aux antennes et à leurs systèmes de positionnement, ce qui est 20 notamment important pour la mesure de la phase des champs électromagnétiques générés par l'objet lorsque celui-ci est irradié par l'antenne émettrice. Le porte-échantillon 3 peut également comprendre un cadre intérieur 33 dont les dimensions sont prévues pour permettre son encastrement dans le cadre extérieur 31. 25 Ce cadre intérieur 33 sert de support à l'objet étudié. Le cadre intérieur 33 peut être usiné avec des empruntes correspondant à l'objet étudié à positionner sur le plan du prisme. Antenne réceptrice en champ lointain 30 L'antenne réceptrice 4 permet de mesurer l'amplitude et la phase des champs électromagnétiques diffusés/canalisés/diffractés par l'objet à étudier en champ lointain, et ceci pour les deux composantes de polarisations de types S et P.

L'antenne réceptrice 4 est connectée à un système de déplacement 41, 42, 43, 43b permettant : - sa mise en rotation par rapport au prisme 1, et - sa mise en translation par rapport au prisme 1.

Le système de déplacement comprend par exemple un rail horizontal 41 monté coulissant sur deux rails verticaux 42 (ou un rail vertical monté coulissant sur deux rails horizontaux), une embase 43 montée coulissante sur le rail horizontal 41 (ou au rail vertical), l'antenne réceptrice 4 étant montée pivotante sur l'embase 43. Ceci permet le déplacement en translation de l'antenne réceptrice 4 selon deux directions et son déplacement en rotation autour d'une liaison pivot entre l'embase 43 et l'antenne réceptrice 4. Les déplacements en translation de l'antenne réceptrice 4 selon deux directions permettent son positionnement dans l'espace par rapport au prisme 1. Le déplacement en rotation 43b de l'antenne réceptrice 4 permet d'orienter celle-ci vers l'objet à étudier. Le système de déplacement 41, 42, 43, 43b permet ainsi à l'antenne réceptrice 4 de décrire une trajectoire en arc de cercle 44 autour du prisme 1 sur lequel repose le porte échantillon 3. Il est ainsi possible de réaliser des mesures de diagramme de rayonnement en champ lointain.

Sonde de mesure en champ proche La sonde de mesure 5 permet de mesurer une onde électromagnétique en champ proche.

Cette sonde de mesure 5 peut être de différents types, que ce soit dans son principe (sonde perturbative ou non), sa composition (métallique, diélectrique, etc.) ou sa polarisation (monopole électrique, dipôle, boucle magnétique, etc.). La sonde de mesure 5 peut être associée à des moyens de déplacement propre ou être associé au système de déplacement 41, 42, 43 de l'antenne réceptrice 4. Dans ce cas, l'antenne réceptrice 4 est remplacée par la sonde de mesure 5 pour réaliser des mesures en champ proche. Le système de déplacement 41, 42, 43 permet alors de positionner l'antenne réceptrice à proximité du porte-échantillon 3.

Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement du dispositif d'imagerie décrit ci-dessus est le suivant.

En champ proche, l'objet à étudier est déposé avec le porte-échantillon 3. La sonde de mesure 5 est déplacée à la distance choisie de l'objet grâce au système de déplacement 41, 42, 43. Une mesure de la transmission de l'onde électromagnétique entre l'antenne émettrice et la sonde de mesure est ensuite mise en oeuvre (avec un analyseur de réseau typiquement) pour différentes positions de la sonde de mesure.

En champ lointain, la sonde de mesure 5 est remplacée par l'antenne réceptrice 4. Celle-ci est déplacée à la distance voulue de l'objet sur un arc de cercle 44, sur une ligne ou sur un plan (dont la géométrie est conditionnée par les positionneurs). La mesure est répétée avec et sans objet pour extraire la seule contribution de l'objet (champ diffracté) par soustraction complexe des deux champs mesurés. Avantageusement, le dispositif d'imagerie décrit ci-dessus peut être disposé dans une chambre anéchoïque. Un avantage d'une telle chambre est qu'elle est composée de parois absorbant les ondes électromagnétiques de sorte que celles-ci se propagent sans réflexion. Ceci permet de limiter les risques de perturbation des zo mesures effectuées sur l'objet par réflexion des ondes électromagnétiques sur les parois de la chambre. Le dispositif « micro-onde » d'imagerie en champ proche ou en champ lointain décrit ci-dessus ouvre de nombreuses perspectives qui aideront à la mise en oeuvre des ondes évanescentes dans les systèmes d'imagerie haute résolution du futur. 25 L'utilisation de micro-ondes rendant les divers éléments constitutifs et les outils de mesure beaucoup plus aisés à manipuler, ce dispositif devrait permettre une meilleure maîtrise et compréhension des phénomènes mis en jeu. Il aidera aussi à la validation des modèles décrivant des phénomènes complexes comme : le couplage par hybridation de mode, les résonances de Fano, 30 la structuration d'ondes évanescentes ou de mesurer la densité locale d'états photoniques (LDOS) à proximité de nanostructures. Le lecteur aura compris que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit ci-dessus sans sortir matériellement des nouveaux enseignements et des avantages décrits ici.

Par exemple, l'antenne émettrice mobile fixée au système de déplacement 41, 42, 43 peut être remplacée par une pluralité d'antennes élémentaires 2a, 2b, 2c, 2d. Ceci permet de s'affranchir de la présence du système de déplacement. Dans ce cas, les antennes élémentaires sont disposées en une pluralité de positions au voisinage de la face arrière 11 du prisme. Elles peuvent s'étendre soit à l'extérieur du prisme, soit à l'intérieur du prisme (i.e. noyées dans le prisme). On entend, dans le cadre de la présente invention par « voisinage de la face arrière du prisme » une distance comprise entre 0 et 15 centimètres entre la face arrière du prisme et l'antenne émettrice élémentaire. Par exemple, chaque antenne émettrice peut être intégrée au prisme, et s'étendre à une distance de 10 centimètres de la face arrière du prisme. Par exemple encore, chaque antenne peut être distante du prisme et s'étendre à une distance de 15 centimètres de la face arrière du prisme. Bien entendu, le dispositif d'imagerie peut également comprendre en combinaison une antenne émettrice mobile fixée au système de déplacement 41 et une pluralité d'antenne émettrice 2a, 2b, 2c, 2d situées au voisinage de la face arrière du prisme. Dans le cas où le dispositif d'imagerie comprend une pluralité d'antennes émettrices élémentaires disposées à l'intérieur du prisme, un matériau absorbant les rayonnements dans le domaine micro-ondes peut être disposé sur toutes les surfaces du prisme autres que la face avant ainsi que des emplacements de sortie de câbles d'alimentation électrique des antennes émettrices élémentaires. Lorsque les antennes émettrices sont disposées à l'extérieur du prisme, le matériau absorbant peut être disposé sur toutes les surfaces du prisme autres que la face avant et les régions du prisme en regard des antennes élémentaires.

Par conséquent, toutes les modifications de ce type sont destinées à être incorporées à l'intérieur de la portée des revendications jointes.

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'imagerie d'un objet à étudier, caractérisé en ce que le dispositif comprend en combinaison : - un prisme (1) dans un matériau sans pertes pour les rayonnements dans le domaine des micro-ondes, - un porte-échantillon (3) sur une face avant (12) du prisme (1), pour la réception de l'objet à étudier, - au moins une antenne émettrice sur une face arrière (11) du prisme (1) pour l'émission d'un rayonnement dans le domaine des micro-ondes, ladite et au moins une antenne émettrice étant adaptée en impédance pour rayonner directement dans le prisme.
2. 2. Dispositif d'imagerie selon la revendication 1, lequel comprend en outre une antenne réceptrice (4) en champ lointain pour capter le rayonnement électromagnétique transmis par l'objet à étudier.
3. 3. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 ou 2, lequel comprend en outre une sonde de mesure (5) en champ proche spatialement localisée.
4. 4. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ladite et au moins une antenne émettrice comporte une antenne émettrice mobile (2) montée sur un système mécanique permettant le déplacement de l'antenne émettrice mobile (2) le long d'une zone de déplacement.
5. 5. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite et au moins une antenne émettrice comporte une pluralité d'antennes élémentaires réparties au voisinage de la face arrière (11) du prisme, lesdites antennes élémentaires étant alimentées en courant électrique séquentiellement, par paire ou simultanément de sorte que lesdites antennes élémentaires émettent un rayonnement séquentiellement, par paire ou simultanément.
6. 6. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'antenne émettrice comprend un matériau de couplage dont la permittivité est sensiblement égale à la permittivité du matériau constituant le prisme.
7. 7. Dispositif d'imagerie selon la revendication 6, dans lequel le matériau de couplage est un mélange d'air et de silice.
8. 8. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le prisme (1) est de forme hémicylindrique.
9. 9. Dispositif d'imagerie selon la revendication 4, dans lequel le prisme (1) comprend une couche de matériau (13) absorbant les rayonnements dans le domaine micro-ondes, ladite couche s'étendant sur toutes les surfaces du prisme autres que la face supérieure et la zone de déplacement.
10. 10. Dispositif d'imagerie selon la revendication 5, dans lequel le prisme (1) comprend une couche de matériau (13) absorbant les rayonnements dans le domaine micro-ondes, ladite couche s'étendant sur toutes les surfaces du prisme autres que la face supérieure et des régions du prisme au voisinage des antennes élémentaires.
11. 11. Dispositif d'imagerie selon la revendication 5, dans lequel le prisme (1) comprend une couche de matériau (13) absorbant les rayonnements dans le domaine des micro-ondes, ladite couche s'étendant sur toutes les surfaces du prisme autres que la face supérieure.
12. 12. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le porte échantillon comprend des marqueurs de positionnement.
13. 13. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications précédentes dans une chambre ou un caisson anéchoïque.