FR3135793A1 - Sonde interférométrique à faible encombrement - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un objectif (3) pour un système (1) confocal de mesure interférométrique spectrale comprenant : - un trou source (14) ; - un deuxième diviseur de faisceau (12) présentant une face partiellement réfléchissante (12a), - un premier diviseur de faisceau (10) présentant une face configurée pour former une surface de référence (6) et se trouvant entre le trou source (14) et le deuxième diviseur de faisceau (12) ; et - des lentilles (11, 13).Le premier et le deuxième diviseur de faisceau sont positionnés dans l’objectif (3) de sorte qu’une distance optique (dref) entre la surface de référence (10a) et la surface partiellement réfléchissante (12a) est sensiblement égale à une distance optique (dm) entre la surface partiellement réfléchissante (12a) et un plan focal de l’objectif (3). Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
L’invention concerne de manière générale le domaine de l’inspection et du contrôle optique d’une pièce, et plus précisément la mesure d’une hauteur d’une surface d’un échantillon ou de son une épaisseur à l’aide d’un dispositif optique.
Il existe à ce jour des dispositifs de mesure du type comparateurs optiques comprenant un capteur optique permettant de mesurer ponctuellement et sans contact la topographie (hauteur/distance) d’une surface d’un échantillon et/ou son épaisseur.
Afin de réaliser des mesures d’une précision nanométrique (inférieure à 10 nm), il est notamment possible d’utiliser une sonde de mesure interférométrique spectral. Pour cela, une lumière blanche est focalisée par un objectif puis séparée en deux faisceaux par une lame semi réfléchissante. L’un de ces faisceaux est réfléchi par l’échantillon que l’on souhaite caractériser ; l’autre des faisceaux est réfléchi sur une surface de référence placée dans la sonde de mesure. Les deux faisceaux se recombinent ensuite avant d’être transmis à une unité de traitement comprenant un système d’analyse spectrale. Le système d’analyse spectrale génère alors un spectre cannelé comprenant des franges résultant de l’interférence des faisceaux recombinés et dont la fréquence dépend notamment de la différence de distance entre la surface de l’échantillon et la surface de référence.
Ces sondes interférométriques permettent d’obtenir des mesures confocales très précises. Toutefois, leur encombrement est important, car elles imposent la présence d’une surface de référence à proximité de la sortie du faisceau lumineux, ce qui empêche leur utilisation lorsque la taille ou la forme de l’échantillon n’est pas adaptée. Par ailleurs, ces sondes ne peuvent pas être coudées afin d’effectuer des mesures radiales (dans un plan normal au plan focal image) sans augmenter drastiquement leur encombrement, car la distance de travail ne serait alors pas suffisante compte-tenu de l’ouverture numérique nécessaire pour ne pas perdre le signal en mesure confocale.
Un but de la présente demande est de remédier aux inconvénients précités en proposant une sonde de mesure dont la précision peut atteindre quelques nanomètres et dont l’encombrement, notamment au niveau de l’objectif, soit plus faible que dans les sondes de mesure interférométriques conventionnelles.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention un objectif pour un système confocal de mesure interférométrique spectrale comprenant :
- un trou source ;
- un premier diviseur de faisceau présentant une face configurée pour former une surface de référence ;
- un deuxième diviseur de faisceau présentant une face partiellement réfléchissante, le deuxième diviseur de faisceau étant positionné en aval du premier diviseur de faisceau de sorte que le premier diviseur de faisceau se trouve entre le trou source et le deuxième diviseur de faisceau ; et
- des lentilles.
- un trou source ;
- un premier diviseur de faisceau présentant une face configurée pour former une surface de référence ;
- un deuxième diviseur de faisceau présentant une face partiellement réfléchissante, le deuxième diviseur de faisceau étant positionné en aval du premier diviseur de faisceau de sorte que le premier diviseur de faisceau se trouve entre le trou source et le deuxième diviseur de faisceau ; et
- des lentilles.
Le premier diviseur de faisceau, le deuxième diviseur de faisceau et les lentilles sont coaxiaux de sorte que les axes optiques du premier diviseur de faisceau, du deuxième diviseur de faisceau et des lentilles sont confondus. De plus, le premier diviseur de faisceau et le deuxième diviseur de faisceau sont positionnés dans l’objectif de sorte qu’une distance optique entre la surface de référence et la surface partiellement réfléchissante est sensiblement égale à une distance optique entre la surface partiellement réfléchissante et un plan focal de l’objectif.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l’objectif selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- les lentilles comprennent une première lentille positionnée entre le premier diviseur de faisceau et le deuxième diviseur de faisceau et une deuxième lentille positionnée en aval du deuxième diviseur de faisceau, une distance optique entre la première lentille et le deuxième diviseur de faisceau étant égale à une distance optique entre le deuxième diviseur de faisceau et la deuxième lentille ;
- des caractéristiques optiques de la première lentille et de la deuxième lentille sont identiques, en particulier leur distance focale ;
- l’objectif comprend en outre un miroir monté en aval du premier diviseur de faisceau, du deuxième diviseur de faisceau et des lentilles, le miroir étant incliné par rapport à l’axe optique des lentilles afin de couder un faisceau lumineux qu’il reçoit des lentilles ;
- le premier diviseur de faisceau comprend l’un au moins des éléments suivants : un ensemble formé d’une lentille et d’une lame partiellement-réfléchissante ; une lentille dont une face est dépourvue de traitement antireflet ; une lentille sur laquelle est rapporté et fixé un miroir dont une surface est inférieure à une surface de la lentille ; et/ou
- le trou source forme en outre un trou de filtrage de l’objectif.
- les lentilles comprennent une première lentille positionnée entre le premier diviseur de faisceau et le deuxième diviseur de faisceau et une deuxième lentille positionnée en aval du deuxième diviseur de faisceau, une distance optique entre la première lentille et le deuxième diviseur de faisceau étant égale à une distance optique entre le deuxième diviseur de faisceau et la deuxième lentille ;
- des caractéristiques optiques de la première lentille et de la deuxième lentille sont identiques, en particulier leur distance focale ;
- l’objectif comprend en outre un miroir monté en aval du premier diviseur de faisceau, du deuxième diviseur de faisceau et des lentilles, le miroir étant incliné par rapport à l’axe optique des lentilles afin de couder un faisceau lumineux qu’il reçoit des lentilles ;
- le premier diviseur de faisceau comprend l’un au moins des éléments suivants : un ensemble formé d’une lentille et d’une lame partiellement-réfléchissante ; une lentille dont une face est dépourvue de traitement antireflet ; une lentille sur laquelle est rapporté et fixé un miroir dont une surface est inférieure à une surface de la lentille ; et/ou
- le trou source forme en outre un trou de filtrage de l’objectif.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un système confocal de mesure interférométrique spectrale comprenant une source lumineuse et un objectif selon le premier aspect, dans lequel l’objectif la source lumineuse et raccordée au trou source, par exemple à l’aide d’une fibre optique.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du système confocal de mesure interférométrique spectrale selon le deuxième aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- la source lumineuse est polychromatique ; et/ou
- le système comprend en outre une unité de traitement raccordée à l’objectif ; le cas échéant, l’unité de traitement comprend un spectrographe raccordé à l’objectif par l’intermédiaire d’une fibre optique.
- la source lumineuse est polychromatique ; et/ou
- le système comprend en outre une unité de traitement raccordée à l’objectif ; le cas échéant, l’unité de traitement comprend un spectrographe raccordé à l’objectif par l’intermédiaire d’une fibre optique.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La illustre schématiquement un exemple d’objectif de mesure interférométrique spectrale conforme à un mode de réalisation de l’invention sur lequel a été représenté le trajet du faisceau lumineux ;
La illustre de manière très schématique un exemple de système de mesure interférométrique spectrale ;
La illustre un graphe illustrant l’intensité d’un exemple de spectre cannelé en fonction de la longueur d’onde (en nm) pouvant être obtenu par un spectrographe d’un système de mesure interférométrique spectrale recevant des faisceaux recombinés qui interfèrent ;
La illustre schématiquement un autre exemple d’objectif de mesure interférométrique spectrale conforme à un mode de réalisation de l’invention permettant de faire des mesures radiales ; et
La illustre un exemple de réalisation d’un diviseur de faisceau pouvant être utilisé dans un objectif de mesure interférométrique spectrale conforme à un mode de réalisation de l’invention.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
Un système de mesure 1 interférométrique spectral comprend une source lumineuse 2, un objectif 3 raccordé à la source lumineuse 2 et configuré pour focaliser le faisceau lumineux sur la surface à caractériser 4 d’un échantillon et une unité de traitement 5 configurée pour caractériser la surface à partir des faisceaux lumineux recombinés réfléchis sur la surface 4 de l’échantillon et sur une surface de référence 6. Le système de mesure 1 permet en particulier d’effectuer des mesures de topographie de surface et des mesures d’épaisseur de milieux transparents (tels que l’épaisseur d’une paroi verre).
Un exemple d’application comprend, par exemple, la détermination de l’absence de rugosités sur une surface lisse ou polie à caractériser d’un échantillon (par déplacement du système de mesure 1 par rapport à la surface afin de déterminer la topographie de cette surface), en déterminant la différence de distance entre la surface 4 de l’échantillon et l’objectif 3 en plusieurs points de la surface à caractériser 4. Un autre exemple d’application comprend la détermination de l’épaisseur d’une paroi transparente en déterminant la différence de distance entre les deux faces de la paroi.
La source lumineuse 2 peut comprendre une lumière polychromatique, typiquement une lumière blanche. L’unité de traitement 5 comprend un spectrographe 7 et des moyens de traitement 8 raccordés au spectrographe 7 par l’intermédiaire d’un câble 9 de transmission de données.
De manière connue en soi, la source lumineuse 2 et le spectrographe 7 peuvent être logés dans un ou plusieurs coffrets optroniques, qui peuvent être reliés à l’objectif 3 par l’intermédiaire d’au moins une fibre optique F. Le cas échéant, l’objectif 3 peut également être logé dans le coffret optronique. On notera que, dans ce cas, les fibres optiques sont optionnelles.
Le système de mesure 1 est du type confocal. Il est par ailleurs achromatique de sorte que le faisceau sortant de l’objectif 3 est focalisé en un seul point.
L’objectif 3 comprend :
- un trou source 14 ;
- un premier diviseur de faisceau 10 présentant une face configurée pour former une surface de référence 6 ;
- un deuxième diviseur de faisceau présentant une face partiellement réfléchissante 12a, le deuxième diviseur de faisceau 12 étant positionné en aval du premier diviseur de faisceau 10 de sorte que le premier diviseur de faisceau 10 se trouve entre le trou source et le deuxième diviseur de faisceau 12 ; et
- des lentilles 11, 13.
- un trou source 14 ;
- un premier diviseur de faisceau 10 présentant une face configurée pour former une surface de référence 6 ;
- un deuxième diviseur de faisceau présentant une face partiellement réfléchissante 12a, le deuxième diviseur de faisceau 12 étant positionné en aval du premier diviseur de faisceau 10 de sorte que le premier diviseur de faisceau 10 se trouve entre le trou source et le deuxième diviseur de faisceau 12 ; et
- des lentilles 11, 13.
Le premier diviseur de faisceau 10, le deuxième diviseur de faisceau 12 et les lentilles 11, 13 sont coaxiaux de sorte que les axes optiques X du premier diviseur de faisceau 10, du deuxième diviseur de faisceau 12 et des lentilles 11, 13 sont confondus. De plus, le premier diviseur de faisceau 10 et le deuxième diviseur de faisceau 12 sont positionnés dans l’objectif 3 de sorte qu’une distance optique drefentre la surface de référence 10a et la surface partiellement réfléchissante 12a est sensiblement égale à une distance optique dmentre la surface partiellement réfléchissante 12a et un plan focal de l’objectif 3.
Par sensiblement égales, on comprendra ici que l’écart entre les distances drefet dmest inférieur à la longueur de cohérence de la source lumineuse afin de générer des interférences.
Par distance optique, on comprendra ici la distance parcourue par un rayon lumineux en prenant en compte les indices de réfraction que le rayon a rencontré lors de son trajet.
Cette configuration permet ainsi à l’objectif 3 de présenter un faible encombrement, la surface de référence 6 étant placée dans l’objectif 3, au niveau du premier diviseur de faisceau 10 tout en présentant une ouverture numérique suffisante.
Le trou source 14 (côté amont de l’objectif 3) est configuré pour être raccordé à la source lumineuse 2. Par exemple, le trou source 14 peut correspondre à la sortie d’une fibre optique F, dont l’entrée est raccordée à la source lumineuse 2. L’objectif 3 présente en outre une extrémité de sortie 15 (côté aval de l’objectif 3) configurée pour être placée à proximité de la surface à caractériser 4 de sorte que la surface à caractériser 4 se trouve dans le plan focal image de l’objectif 3. Le premier diviseur de faisceau 10 est donc situé à proximité du trou source 14 de l’objectif 3 tandis que la deuxième lentille 13 est positionnée à proximité de son extrémité de sortie 15, côté objet.
Dans ce qui suit, par souci de simplification, l’invention sera décrite dans le cas où l’objectif comprend une première lentille 11 placée entre le premier diviseur de faisceau 10 et le deuxième diviseur de faisceau 12, et une deuxième lentille 13 placée entre le deuxième diviseur de faisceau 12 et l’extrémité de sortie 15. De plus, les lentilles 11, 13 sont disposées dans l’objectif 3 de sorte que de sorte que la distance optique d1entre la première lentille 11 et le deuxième diviseur de faisceau 12 est égale à la distance optique d2entre le deuxième diviseur de faisceau 12 et la deuxième lentille 13. Dans le cas où les caractéristiques optiques de la première lentille 11 et de la deuxième lentille 13 (en particulier leur distance focale, leur convergence/divergence, etc.) sont identiques, la distance entre la première lentille 11 et le deuxième diviseur de faisceau 12 est égale à la distance entre le deuxième diviseur de faisceau 12 et la deuxième lentille 13. Ceci n’est cependant pas limitatif, le nombre et le type de lentilles 11, 13 de l’objectif 3 dépendant du type d’objectif 3 réalisé. En particulier, chaque lentille 11, 13 peut être formée d’un doublet ou d’un ensemble de plusieurs lentilles calculées pour obtenir une bonne correction des aberrations. Par exemple, l’objectif 3 peut comprendre des groupes convergents pour focaliser le faisceau sur la surface 4, des groupes convergents ou divergents côté fibre optique F qui permettent d’avoir un système plus compact (association convergent/divergent type téléobjectif) ou convergent en fonction du grandissement souhaité, et un faisceau quasi-collimaté, légèrement convergent ou divergent au niveau du deuxième diviseur de faisceau 12. Le fait d’utiliser une configuration confocale (point source et détecteur confondus à l’extrémité d’une fibre optique) impose une optique de très bonne qualité, proche de la diffraction, avec un défaut de surface de lambda/4 typiquement.
Par « diviseur de faisceau » on comprendra ici un dispositif optique qui divise un faisceau lumineux incident en deux faisceaux lumineux : un premier faisceau lumineux qui traverse le diviseur de faisceau sans modification de sa trajectoire, et un faisceau lumineux qui est réfléchi par une face partiellement réfléchissante du diviseur de faisceau, dans une direction formant un angle différent égal à 180° (changement de direction) par rapport au faisceau lumineux incident. Des exemples de diviseurs de faisceau comprennent, de manière non limitative, une lame séparatrice, un miroir partiellement réfléchissant ou encore un cube séparateur de faisceau. Comme nous le verrons dans ce qui suit, le premier diviseur de faisceau 10 est de préférence divergent ou convergent afin d’adapter le grandissement entre le trou source 14 et la surface 4 de l’échantillon.
Le premier diviseur de faisceau 10 est monté dans l’objectif 3 de sorte que la face partiellement réfléchissante (qui correspond à la face de référence 6) se situe en face du deuxième diviseur de faisceau 12 (et donc de la première lentille 11). Ainsi, l’intégralité du faisceau incident traverse le premier diviseur de faisceau 10 pour atteindre la première lentille 11. En revanche, seule une partie du faisceau réfléchi par le deuxième diviseur de faisceau 12 est transmise à l’unité de traitement 5, l’autre partie étant réfléchie vers la première lentille 11 par la face partiellement réfléchissante (qui forme la surface de référence 6 du premier diviseur de faisceau 10).
Le deuxième diviseur de faisceau 12 quant à lui est monté dans l’objectif 3 de sorte que seule une partie du faisceau incident traverse le deuxième diviseur de faisceau 12, l’autre partie étant réfléchie vers le premier diviseur de faisceau 10 par sa face partiellement réfléchissante 12a.
Le pourcentage du faisceau incident qui est réfléchi par chaque diviseur de faisceau peut être dimensionné en fonction des besoins. En particulier, le diviseur de faisceau ne divise pas nécessairement le faisceau incident en deux faisceaux de même intensité (50/50).
Le premier diviseur de faisceau 10, la première lentille 11, le deuxième diviseur de faisceau 12 et la deuxième lentille 13 sont placés successivement dans l’objectif 3 le long du trajet optique du faisceau lumineux incident, entre le trou source 14 et l’extrémité de sortie 15 de l’objectif 3.
De la sorte, le faisceau lumineux (en pointillés sur la ) entre dans l’objectif 3, au niveau du trou source 14, où il traverse le premier diviseur de faisceau 10. De préférence, le premier diviseur de faisceau 10 est divergent (respectivement, convergent), de sorte que le faisceau incident diverge(respectivement, converge) en sortie du premier diviseur de faisceau 10 en direction de la première lentille 11. Le faisceau lumineux traverse ensuite la première lentille 11 avant d’atteindre le deuxième diviseur de faisceau 12. De préférence, la première lentille 11 est convergente (respectivement, divergente) lorsque le premier diviseur de faisceau est divergent (respectivement, convergent). Lors de son passage à travers le deuxième diviseur de faisceau 12, le faisceau incident se divise en un premier faisceau (en pointillés sur la ) qui poursuit son trajet pour atteindre la surface à caractériser 4 de l’échantillon et un deuxième faisceau (en traits pleins sur la ) qui est réfléchi par le deuxième diviseur de faisceau 12 pour atteindre la surface de référence 6.
Plus précisément, le premier faisceau (en pointillés sur la ) sort du deuxième diviseur de faisceau 12 par sa face de sortie, traverse la deuxième lentille 13 et sort de l’objectif 3 par son extrémité de sortie 15 avant d’atteindre la surface 4 de l’échantillon, où il est réfléchi. Par effet retour de la lumière, le premier faisceau réfléchi retraverse successivement la deuxième lentille 13, le deuxième diviseur de faisceau 12, la première lentille 11 et le premier diviseur de faisceau 10 et est focalisé au niveau du trou source 14. Le trou source 14 forme donc un trou de filtrage pour le faisceau réfléchi. Le faisceau réfléchi sort par le trou 14 de l’objectif 3, vers l’unité de traitement 5, par exemple par l’intermédiaire d’une fibre optique F.
Le deuxième faisceau (en traits pleins sur la ) est issu de la réflexion partielle du faisceau incident sur le deuxième diviseur de faisceau 12. Après sa réflexion sur la face partiellement réfléchissante du deuxième diviseur de faisceau 12, le deuxième faisceau traverse la première lentille 11. La première lentille étant convergente, le deuxième faisceau est défocalisé par rapport au trou source 14 (qui forme également un trou de filtrage) et ne peut donc pas sortir par le trou source 14 vers l’unité de traitement. Le deuxième faisceau lumineux est en revanche réfléchi par la surface de référence 6 du premier diviseur de faisceau 10. Il retraverse alors la première lentille 11 puis est réfléchi par le deuxième diviseur de faisceau 12, où il est recombiné avec le premier faisceau réfléchi afin de générer des interférences. Le deuxième faisceau réfléchi traverse alors, avec le premier faisceau réfléchi, la première lentille 11 et le premier diviseur de faisceau 10. Grâce à la convergence (respectivement, divergence) de la première lentille et à la divergence (respectivement, convergence) du premier diviseur de faisceau 10, le deuxième faisceau est alors focalisé sur le trou source 14 et peut donc ressortir par le trou source 14 de l’objectif 3 vers l’unité de traitement 5. Par ailleurs, les lentilles 11 et 13 étant convergentes (respectivement, divergentes), le faisceau optique entre ces deux lentilles 11, 13 n’est pas collimaté. Le trajet optique du faisceau incident et du deuxième faisceau ne sont donc pas confondus, ce qui évite la perturbation du faisceau réfléchi et donc de la mesure.
Comme indiqué plus haut, la distance de référence dref, qui correspond à la distance optique entre la surface de référence 6 du premier diviseur de faisceau 10 et la face partiellement réfléchissante 12a du deuxième diviseur de faisceau 12, est sensiblement égale à la distance de mesure dm, qui correspond à la distance optique entre la face partiellement réfléchissante 12a du deuxième diviseur de faisceau 12 et le plan focal image de l’objectif 3 (dans lequel est placée la surface à caractériser 4 de l’échantillon). De la sorte, la distance de référence drefqui est parcourue par le deuxième faisceau, grâce à sa réflexion sur la face partiellement réfléchissante 6, du premier diviseur de faisceau 10 et sur la face partiellement réfléchissante 12a du deuxième diviseur de faisceau 12, est sensiblement égale à la distance de mesure dmqui est parcourue par le premier faisceau lorsqu’il se réfléchit sur la surface 4 de l’objet. La distance de référence drefétant connue, puisque la position de la surface de référence 6 du premier diviseur de faisceau 10 par rapport au deuxième diviseur de faisceau 12 est connue (et, le cas échéant, fixe), il est alors possible de déterminer, grâce à l’unité de traitement 5, la distance de mesure dmentre le deuxième diviseur de faisceau 12 et la surface à caractériser 4 de l’objet.
Dans une forme de réalisation, la distance de référence drefest fixe. En variante, le premier et/ou le deuxième diviseur de faisceau 10, 12 peut être monté mobile dans l’objectif 3 afin de compenser les tolérances de fabrication des différents composants et ajuster la distance de référence drefet la distance de mesure dmà des valeurs sensiblement identiques. Le cas échéant, la distance de réglage du premier et/ou deuxième diviseur de faisceau 10, 12 est comprise entre 0.10 mm et 0.50 mm.
Le faisceau lumineux recombiné, qui est issu de la recombinaison du premier faisceau et du deuxième faisceau au niveau du deuxième diviseur de faisceau 12, est ensuite transporté jusqu’au spectrographe 7, par exemple via une fibre optique F, qui génère à partir de ce faisceau recombiné un signal (spectre cannelé) représentatif des interférences entre les deux faisceaux (voir ). Le signal est alors transmis aux moyens de traitement 8 qui déduisent du spectre cannelé la distance de mesure dm(par différence avec la distance de référence dref). En effet, le spectre cannelé est formé d’une pluralité de franges dont la fréquence dépend de l’épaisseur virtuelle entre la surface de référence 6 et la surface 4 de l’objet, qui correspond en pratique à la différence entre la distance de référence drefet la distance de mesure dm(et de l’indice de réfraction du matériau constitutif de la surface 4 de l’objet). En particulier, plus la fréquence des franges est grande, plus la différence de distance est grande.
Les moyens de traitement 8 permettent ainsi de déterminer, de manière précise et fiable, la différence de distances entre la surface de référence 6 et la surface à caractériser 4, et donc la position de la surface à caractériser 4 par rapport à l’objectif 3.
Les moyens de traitement 8 comprennent par exemple un ordinateur ou un serveur adapté pour traiter les signaux générés par le spectrographe 7 et en déduire la différence de distances, comprenant un calculateur de type processeur, microprocesseur, microcontrôleur, etc., Le système comprend également des moyens de commande (écran tactile, clavier, souris, boutons, etc.) des moyens de traitement 8.
La première lentille 11, le deuxième diviseur de faisceau 12 et la deuxième lentille 13 étant coaxiaux et alignés (leur axe optique X est rectiligne), le deuxième diviseur de faisceau 12 est « vertical », c’est-à-dire que le faisceau incident et les faisceaux divisés sont colinéaires. Le premier diviseur de faisceau 10 étant également coaxial avec les lentilles et le deuxième diviseur de faisceau 12 de sorte que son axe optique X est rectiligne et confondu avec celui des lentilles et du deuxième diviseur, il est donc également « vertical ».
En utilisant des dispositifs optiques coaxiaux, dont les axes optiques sont confondus, l’objectif 3 obtenu est parfaitement coaxial et linéaire, ce qui réduit son encombrement – en particulier au niveau de l’extrémité de sortie 15 de l’objectif 3 qui se trouve à proximité de l’objet – et simplifie sa fabrication et le réglage de ses composants.
Le premier diviseur de faisceau 10 peut comprendre tout dispositif susceptible de diviser le faisceau incident en deux faisceaux.
Dans une première forme de réalisation, le premier diviseur de faisceau 10 comprend un ensemble formé d’une lentille 10a (divergente ou convergente) et d’une lame partiellement réfléchissante 10b « verticale ». Dans cette forme de réalisation, le premier diviseur de faisceau 10 est donc colinéaire avec la première lentille 11. La lame partiellement réfléchissante présente une face partiellement réfléchissante (de préférence perpendiculaire à l’axe optique X de la première lentille 11) qui est configurée pour réfléchir une quantité prédéterminée du premier faisceau renvoyé par le deuxième diviseur de faisceau 12 vers la première lentille 11, par exemple 25%, 30% ou 50% du premier faisceau.
Cette première forme de réalisation présente l’avantage d’être très simple à réaliser et à régler. De préférence, la lentille du premier diviseur de faisceau 10 est placée entre le trou source 14 et la lame partiellement réfléchissante. Par ailleurs, la lame partiellement réfléchissante est positionnée dans l’objectif 3 de sorte que sa face partiellement réfléchissante forme la surface de référence 6 et soit placée du côté du deuxième diviseur de faisceau 12 et s’étende à une distance optique égale à la distance de référence drefde la face partiellement réfléchissante 12a du deuxième diviseur de faisceau 12.
Dans une deuxième forme de réalisation, le premier diviseur de faisceau 10 comprend une lentille (telle que la lentille 10a) dont la face de sortie 10b (en regard de la deuxième lentille 13) n’est pas traitée antireflet. Ce type de lentille 10 est déjà utilisé dans les interféromètres type Mirau. En raison de l’absence de traitement antireflet, la face de sortie 10b de cette lentille réfléchit environ 4% du faisceau renvoyé par le deuxième diviseur de faisceau 12. Un tel pourcentage de réflexion s’avère cependant suffisant pour interférer avec le faisceau réfléchi par la surface à caractériser 4 de l’objet et en déduire la distance de mesure dm, entre l’objet et l’objectif 3. La lentille 10a est alors positionnée dans l’objectif 3 de sorte que sa face de sortie 10b (non traitée) forme la surface de référence 6 et s’étende à une distance de la face partiellement réfléchissante 12a du deuxième diviseur de faisceau 12 égale à la distance de référence dref.
Dans une troisième forme de réalisation ( ), le premier diviseur de faisceau 10 comprend une lentille 10c (telle que la lentille 10a) et un miroir réfléchissant 10d de plus faible dimension que le faisceau incident. Le miroir réfléchissant 10d peut notamment être fixé sur la face de sortie, par exemple au centre de la face de sortie de la lentille 10c. Cette configuration a pour effet d’obturer une partie du faisceau incident tout en laissant passer le reste du faisceau. On notera que la présence du miroir réfléchissant 10d n’empêche pas pour autant la mesure puisque le système est du type confocal. La seule conséquence est donc une diminution de la puissance du faisceau lumineux (puisque moins de lumière arrive sur l’objet). La lentille 10c et le miroir réfléchissant 10d sont alors placés dans l’objectif 3 de sorte que la face réfléchissante du miroir réfléchissant 10d forme la surface de référence 6 et se trouve à une distance de la face partiellement réfléchissante 12a du deuxième diviseur de faisceau 12 égale à la distance de référence dref.
De manière analogue, le deuxième diviseur de faisceau 12 peut comprendre l’un parmi l’ensemble formé d’une lentille 10a et d’une lame partiellement réfléchissante10b, la lentille 10a dont la surface de sortie 10b est dépourvue de traitement antireflet ou une lentille 10c et un miroir réfléchissant 10d en son centre. Selon une autre variante, le deuxième diviseur de faisceau 12 peut comprendre une lentille (telle que la lentille 10a) dont la surface de sortie est formée par une surface miroir du type « Polkadot » (c’est-à-dire qu’un pourcentage prédéterminé de la surface de sortie comprend des zones discrètes réfléchissantes du type miroir).
Le premier et le deuxième diviseur de faisceau 12 peuvent être identiques ou différents.
Dans une forme de réalisation, l’objectif 3 comprend en outre un miroir 16 monté fixe en aval du deuxième diviseur de faisceau 12, typiquement en aval de l’extrémité de sortie 15. Le miroir 16 est incliné par rapport à l’axe optique X de l’objectif 3 afin de couder le faisceau lumineux qu’il reçoit en sortie de l’objectif 3 et d’effectuer des mesures sur une surface qui ne s’étend pas perpendiculairement à l’axe optique X de la deuxième lentille 13 (voir par exemple ). Par exemple, le miroir 16 forme un angle de 45° avec l’axe optique X de la deuxième lentille 13 afin de couder le faisceau lumineux à 90°. La surface à caractériser 4 est donc perpendiculaire à l’axe optique X de la deuxième lentille 13.
La réalisation de mesures « radiales », grâce au miroir 16 incliné est rendue possible notamment par le positionnement de la surface de référence 6 à proximité du trou source 14 de l’objectif 3, augmentant ainsi la distance parcourue par le faisceau lumineux après sa réflexion sur le deuxième diviseur de faisceau 12. La distance de mesure dmcorrespond alors à la distance optique entre la deuxième lentille 13 et la surface 4 de l’objet, qui se trouve dans le plan focal image de l’objectif 3 par rapport au miroir 16 incliné. En d’autres termes, la distance de mesure dmcorrespond à la somme de la distance optique dm1entre la deuxième lentille 13 et l’intersection entre son axe optique X et le miroir 16, et la distance optique dm2entre cette intersection et la surface à caractériser 4.
Optionnellement, le système de mesure 1 comprend également des moyens permettant de déplacer l’objectif 3 par rapport à l’objet de sorte à déterminer la rugosité de la surface 4 de l’objet. En particulier, lors du déplacement de l’objectif 3 par rapport à l’objet, la fréquence du spectre cannelé qui est mesuré par le spectrographe 7 varie, les variations correspondant à des différences de distance mesurées.
Les moyens de déplacement peuvent être configurés pour déplacer l’objet, l’objectif 3 étant fixe, ou inversement. En variante, les moyens de déplacement peuvent être configurés pour déplacer à la fois l’objectif 3 et l’objet.
Le cas échéant, l’unité de traitement 5 peut être configurée pour déterminer l’épaisseur d’une paroi transparente. La paroi transparente présente en effet une première face définissant une première interface air/matériau et une deuxième face définissant une deuxième interface matériau/air. Le deuxième faisceau lumineux est donc réfléchi en partie au niveau de la première interface, l’autre partie traversant la paroi avant d’être réfléchie au moins en partie au niveau de la deuxième interface. Chaque partie réfléchie du faisceau lumineux est alors recombinée et interfère avec le premier faisceau lumineux (qui est réfléchi par le deuxième diviseur de faisceau 12).
Les faisceaux recombinés sont alors transmis au spectrographe 7, qui génère un signal comprenant des franges présentant trois fréquences distinctes, à savoir une première fréquence correspondant à l’épaisseur virtuelle entre la surface de référence 6 et la première interface, une deuxième fréquence correspondant à l’épaisseur virtuelle entre la surface de référence 6 et la deuxième interface, et une troisième fréquence correspondant à l’épaisseur entre la première interface et la deuxième interface.. L’unité de traitement 5 déduit alors de ces fréquences la distance entre chaque interface et l’objectif 3, ainsi que l’épaisseur de la paroi (par différence entre ces deux distances).
Optionnellement, lorsque l’un au moins parmi le premier diviseur de faisceau 10 et le deuxième diviseur de faisceau 12 est mobile par rapport à l’objectif, le déplacement du diviseur 10, 12 permet le cas échéant de faciliter la distinction entre les trois épaisseurs mesurées, en particulier lorsque deux valeurs d’épaisseur sont proches.
Claims (10)
- Objectif (3) pour un système (1) confocal de mesure interférométrique spectrale comprenant :
- un trou source (14) ;
- un premier diviseur de faisceau (10) présentant une face configurée pour former une surface de référence (6) ;
- un deuxième diviseur de faisceau (12) présentant une face partiellement réfléchissante (12a), le deuxième diviseur de faisceau (12) étant positionné en aval du premier diviseur de faisceau (10) de sorte que le premier diviseur de faisceau (10) se trouve entre le trou source (14) et le deuxième diviseur de faisceau (12) ; et
- des lentilles (11, 13) ;
le premier diviseur de faisceau (10), le deuxième diviseur de faisceau (12) et les lentilles (11, 13) étant coaxiaux de sorte que les axes optiques (X) du premier diviseur de faisceau (10), du deuxième diviseur de faisceau (12) et des lentilles (11, 13) sont confondus ; et
le premier diviseur de faisceau et le deuxième diviseur de faisceau étant positionnés dans l’objectif (3) de sorte qu’une distance optique (dref) entre la surface de référence (10a) et la surface partiellement réfléchissante (12a) est sensiblement égale à une distance optique (dm) entre la surface partiellement réfléchissante (12a) et un plan focal de l’objectif (3).
- Objectif (3) selon la revendication 1, dans lequel les lentilles (11) comprennent une première lentille (11) positionnée entre le premier diviseur de faisceau (10) et le deuxième diviseur de faisceau (12) et une deuxième lentille (13) positionnée en aval du deuxième diviseur de faisceau (12), une distance optique (d1) entre la première lentille (11) et le deuxième diviseur de faisceau (12) étant égale à une distance optique (d2) entre le deuxième diviseur de faisceau (12) et la deuxième lentille (13).
- Objectif (3) selon la revendication 2, dans lequel des caractéristiques optiques de la première lentille (11) et de la deuxième lentille (13) sont identiques, en particulier leur distance focale.
- Objectif (3) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre un miroir (16) monté en aval du premier diviseur de faisceau (10), du deuxième diviseur de faisceau (12) et des lentilles (11, 13), le miroir (16) étant incliné par rapport à l’axe optique (X) des lentilles (11, 13) afin de couder un faisceau lumineux qu’il reçoit des lentilles (11, 13).
- Objectif (3) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier diviseur de faisceau (10) comprend l’un au moins des éléments suivants : un ensemble formé d’une lentille (10a) et d’une lame partiellement-réfléchissante (10b) ; une lentille (10a) dont une face (10b) est dépourvue de traitement antireflet ; une lentille (10c) sur laquelle est rapporté et fixé un miroir (10d) dont une surface est inférieure à une surface de la lentille (10c).
- Objectif (3) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le trou source (14) forme en outre un trou de filtrage de l’objectif (3).
- Système confocal (1) de mesure interférométrique spectrale comprenant une source lumineuse (2) et un objectif (3) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la source lumineuse (2) et raccordée au trou source (14), par exemple à l’aide d’une fibre optique.
- Système (1) selon la revendication 7, dans laquelle la source lumineuse (2) est polychromatique.
- Système (1) selon l’une des revendications 7 et 8 comprenant en outre une unité de traitement (5) raccordée à l’objectif (3).
- Système (1) selon la revendication 9, dans lequel l’unité de traitement (5) comprend un spectrographe (7) raccordé à l’objectif (3) par l’intermédiaire d’une fibre optique (F).
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| FR2204772A FR3135793A1 (fr) | 2022-05-19 | 2022-05-19 | Sonde interférométrique à faible encombrement |
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Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR2204772 | 2022-05-19 | ||
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3135793A1 true FR3135793A1 (fr) | 2023-11-24 |
Family
ID=83188414
Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| FR2204772A Pending FR3135793A1 (fr) | 2022-05-19 | 2022-05-19 | Sonde interférométrique à faible encombrement |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2022
- 2022-05-19 FR FR2204772A patent/FR3135793A1/fr active Pending
-
2023
- 2023-05-19 WO PCT/FR2023/050719 patent/WO2023222988A1/fr unknown
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|---|---|
| WO2023222988A1 (fr) | 2023-11-23 |
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