WO2014154888A1 - Dispositif d'imagerie en champ proche et lointain dans le domaine des micro-ondes - Google Patents

Dispositif d'imagerie en champ proche et lointain dans le domaine des micro-ondes Download PDF

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WO2014154888A1
WO2014154888A1 PCT/EP2014/056351 EP2014056351W WO2014154888A1 WO 2014154888 A1 WO2014154888 A1 WO 2014154888A1 EP 2014056351 W EP2014056351 W EP 2014056351W WO 2014154888 A1 WO2014154888 A1 WO 2014154888A1
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WO
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prism
imaging device
transmitting antenna
radiation
studied
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/056351
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Inventor
Rodolphe Vaillon
Bernard Lacroix
Jean-Michel GEFFRIN
Mathieu Francoeur
Original Assignee
Institut National Des Sciences Appliquees De Lyon
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Universite Claude Bernard Lyon 1
Universite D'aix Marseille
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures

Definitions

  • the present invention relates to the general technical field of imaging devices for the study of samples, particularly in the near field and in the far field.
  • nano-object is intended to mean a body of which at least one of the dimensions (length, diameter, thickness) is of the order of one nanometer, ie say less than 100 nanometers and preferably less than 50 nanometers.
  • Visual display devices - such as optical microscopes - remain attractive because of their flexibility.
  • Such devices conventionally include:
  • a detector for detecting the light emitted by the source.
  • optical devices are currently limited in resolution, particularly for viewing objects whose dimensions are less than half the wavelength of the light emitted by the source.
  • the first region situated at a distance greater than several times the wavelength of the illuminating light is called a "far-field zone"; the electromagnetic field that can be measured in the far-field zone is formed by so-called “propagative" waves,
  • the second region which is confined to the vicinity of the surface of the studied object is called the "near field zone";
  • the electromagnetic field that can be measured in the near-field zone is formed by the aforementioned propagating waves, associated with said waves
  • An object of the present invention is to provide in the field of microwaves an imaging device similar to that for the characterization and control of an object such as a nano-object in optics.
  • Such a device can also be advantageously used in microwaves for non-destructive evaluation of macro-objects made of various materials, either manufactured as dielectrics or composites, or natural as wood.
  • One of the aims of the invention is to propose an imaging device whose quality is improved by controlling the evanescent wave that is generated.
  • the invention proposes a combination of an improved wave source and an evanescent wave generator in the microwave field serving as an excitation source for an imaging device for analyzing an object. .
  • the invention proposes an imaging device of an object to be studied, remarkable in that the device comprises in combination: a prism in a lossless (non-absorbing) material for electromagnetic waves in the microwave field,
  • At least one transmitting antenna on a rear face of the prism for emitting radiation in the microwave field, said and at least one transmitting antenna being adapted in impedance to radiate directly into the prism.
  • the transmitting antenna (s) is (are) near the surface of the semicircular portion of the prism, for emitting radiation in the microwave field.
  • One of the advantages of the imaging device of the invention lies in the fact that, thanks to this impedance matching between the antenna and the prism, the quality of the device is substantially improved in order to have optimum transmitted energy, by controlling the evanescent wave that is generated. Indeed, in the invention, there is only the evanescent wave that leaves the prism, the transmitted wave is no longer propagative but becomes the evanescent wave that propagates parallel to the surface of the prism. This results in good control of the excitation with the device of the invention
  • the transmitting antenna (s) may extend inside the prism (they are (are) in this case “embedded” in the prism), or s extend outside the prism.
  • Nano-objects are replaced by macro-objects whose manufacture and layout become much more feasible.
  • the amplitude and the phase of the fields are accessible to the measurement, which allows the evaluation of the electromagnetic models in primary variables.
  • the term "transmitting antenna impedance-adapted" is intended to mean an emitting antenna whose characteristic impedance in the material (of the prism) is close to that of the measuring apparatus. As a result, the wave emitted by the antenna does not experience a loss at the antenna / prism interface and is transmitted entirely directly thereto.
  • the imaging device comprises a far-field receiving antenna for sensing the electromagnetic radiation transmitted by the object to be studied,
  • the imaging device further comprises spatially localized near-field measurement probes,
  • said antenna and at least one transmitting antenna comprises a mobile transmitting antenna mounted on a mechanical system making it possible to move the mobile transmitting antenna along a displacement zone,
  • the transmitting antenna comprises a coupling material whose permittivity is substantially equal to the permittivity of the material constituting the prism,
  • said at least one transmitting antenna comprises a plurality of elementary antennas distributed in the vicinity of the rear face of the prism, said elementary antennas being fed with electrical current sequentially, in pairs or simultaneously so that said elementary antennas emit radiation sequentially, by pair or simultaneously,
  • the device may comprise in combination a mobile transmitting antenna connected to a system mechanical mechanism for moving it, and elementary antennas distributed in the vicinity of the rear face of the prism (typically at a distance from the surface of the semicircular portion of the prism less than or equal to 10 centimeters); in this case, these transmitting antennas can be activated sequentially or in parallel or in pairs, etc. so as to allow the realization of different measurements in near or far field;
  • the coupling material is a mixture of air and silica
  • the prism is of hemicylindrical form
  • the prism comprises a layer of radiation-absorbing material in the microwave field, said layer extending over all the surfaces of the prism apart from the upper face and the zone of displacement of the transmitting antenna;
  • the prism comprises a layer of radiation-absorbing material in the microwave field, said layer extending over all the surfaces of the prism other than the upper face and regions of the prism in the vicinity of the elementary antennas;
  • the sample holder comprises positioning markers.
  • the invention also relates to the use of the device according to one of the preceding claims in an anechoic chamber.
  • FIG. 1 illustrates an embodiment of an imaging device
  • FIG. 2 is a top view of a prism with a sample holder.
  • the device comprises a prism 1, a transmitting antenna 2, a sample holder 3 on the prism 1, a receiving antenna 4 and a receiving probe 5.
  • the prism 1 is of hemi-cylindrical shape. It comprises a convex rear face 1 1, and a flat front face 12.
  • the half-cylinder constituting the prism 1 is for example of diameter equal to sixty centimeters.
  • the prism 1 may have other forms such as a hemispherical shape.
  • the prism 1 makes it possible to generate the evanescent waves emitted on its front face 12 by total internal reflection of the waves emitted by the transmitting antenna 2 directly therein.
  • the transmitted wave of the transmitting antenna 2 is no longer propagative but becomes the evanescent wave which propagates parallel to the surface of the prism, in particular to the prism / sample carrier separation interface and which interacts with the sample to be studied.
  • the prism 1 is in a material that does not show losses for microwave radiation, such as a PA6 polyamide polymer.
  • all the surfaces of the prism apart from the upper face and the zone of displacement of the transmitting antenna may be covered with a material 13 absorbing microwave radiation. This makes it possible to reduce the influence of parasitic noise in the measurement of the electromagnetic waves propagated by the studied object.
  • the transmitting antenna 2 makes it possible to generate radiation in the microwave field. More specifically, the wavelength of the radiation emitted by the transmitting antenna 2 is typically between 7.5 millimeters and 30 centimeters depending on the choice of the antenna 2 (frequency between 1 GHz and 40 GHz).
  • the transmethce antenna 2 is positioned on the rear face 1 1 of the prism 1. In particular, the transmitting antenna 2 can move on the convex face of the semicylindrical prism. It is for example of the Cornet type, and is in contact with the rear face 1 1 of the prism 1.
  • the transmitting antenna 2 is mounted on an articulated arm 21.
  • the articulated arm 21 allows the translational and rotational displacement of the transmitting antenna 2 relative to the prism 1.
  • the transmitting antenna 2 can be mounted in several ways for the generation of polarized microwave radiation type S or P type or elliptically.
  • the articulated arm 21 may comprise an angular sensor 22 for measuring the angle between the flat surface of the (horizontal) prism 1 and the arm 2. This makes it possible to control the angle of incidence of the radiation emitted by the transmitting antenna 2, and thus to control the depth of penetration of the surface wave created in the air above the prism 1 from said radiation emitted by the transmitting antenna 2.
  • the transmitting antenna 2 comprises a coupling material enabling the transmitting antenna to emit in a medium whose permittivity is almost identical (within 5%) to that of the material constituting the prism. This makes it possible to avoid losses by reflection of the radiation at the interface between the antenna and the prism, thus making it possible to improve the measurement quality of the device of the invention.
  • the coupling material has the same physical properties as the material constituting the prism in the field of microwaves.
  • the coupling material is a mixture of silica and air (i.e. sand).
  • the sample holder 3 is intended to receive the object to be studied. It ensures accurate positioning of the object studied on the prism 1.
  • the sample holder 3 is made of a material transparent to microwave radiation, such as polystyrene. It extends on the front face 12 of the prism 1.
  • the sample holder 3 may comprise an outer frame 31 fixed to the prism 1.
  • This outer frame 31 includes housing for receiving markers positioning devices 32 such as spheres.
  • These spheres may be made of a material transparent to visible light such as plexiglass.
  • the number of spheres is preferably greater than or equal to three.
  • These spheres serve as an alignment mark of the assembly consisting of the prism 1, the transmitting antenna 2, and the object studied in a fixed reference.
  • the position of the spheres can be detected by means of a conventional detection system known to those skilled in the art and comprising for example a HeNe laser diode for illuminating the plexiglass balls.
  • the sample holder 3 may also include an inner frame 33 whose dimensions are provided to allow its embedding in the outer frame 31.
  • This inner frame 33 serves as a support for the object under study.
  • the inner frame 33 may be machined with borrows corresponding to the object to be positioned on the plane of the prism.
  • the receiving antenna 4 makes it possible to measure the amplitude and the phase of the scattered / channeled electromagnetic fields / diffracted by the object to be studied in far field, and this for the two components of polarizations of types S and P.
  • the receiving antenna 4 is connected to a displacement system 41, 42,
  • the displacement system comprises for example a horizontal rail 41 slidably mounted on two vertical rails 42 (or a vertical rail slidably mounted on two horizontal rails), a base 43 slidably mounted on the horizontal rail 41 (or the vertical rail), the receiving antenna 4 being pivotally mounted on the base 43.
  • This allows the translational movement of the receiving antenna 4 in two directions and its rotational movement about a pivot connection between the base 43 and the receiving antenna 4.
  • the translational movements of the receiving antenna 4 in two directions allow its positioning in the space with respect to the prism 1.
  • the rotational movement 43b of the receiving antenna 4 allows to orient it towards the object to be studied.
  • the displacement system 41, 42, 43, 43b thus enables the receiving antenna 4 to describe an arcuate trajectory 44 around the prism 1 on which the sample holder 3 rests. It is thus possible to carry out measurements of the diagram. radiation in the far field.
  • Measuring probe in the near field Measuring probe 5 is used to measure an electromagnetic wave in the near field. In particular, it makes it possible to detect the evanescent waves generated by the surface of the sample to be studied and which have interacted with it.
  • This measurement probe 5 can be of different types, whether in its principle (perturbative probe or not), its composition (metal, dielectric, etc.) or its polarization (electric monopole, dipole, magnetic loop, etc.).
  • the measuring probe 5 may be associated with own displacement means or be associated with the displacement system 41, 42, 43 of the receiving antenna 4.
  • the receiving antenna 4 is replaced by the measurement probe 5 to carry out measurements in the near field.
  • the displacement system 41, 42, 43 then makes it possible to position the receiving antenna close to the sample holder 3.
  • the object to be studied is deposited with the sample holder 3.
  • the measurement probe 5 is moved to the chosen distance from the object by virtue of the displacement system 41, 42, 43.
  • a measurement of the transmission of the electromagnetic wave between the transmitting antenna and the measuring probe is then implemented (typically with a network analyzer) for different positions of the measuring probe.
  • the measurement probe 5 is replaced by the receiving antenna 4.
  • the latter is moved at the desired distance from the object over an arc 44, on a line or on a plane (the geometry of which is conditioned by the positioners).
  • the measurement is repeated with and without object to extract the only contribution of the object (diffracted field) by complex subtraction of the two measured fields.
  • the measurement probe 5 or the receiving antenna 4 are positioned on the side of the face on which the evanescent wave is generated and not on waves reflected by the transmitting antenna 2 / prism interface.
  • the imaging device described above can be arranged in an anechoic chamber.
  • An advantage of such a chamber is that it is composed of walls absorbing electromagnetic waves so that they propagate without reflection. This makes it possible to limit the risks of disturbing the measurements made on the object by reflection of the electromagnetic waves on the walls of the chamber.
  • the near-field or far-field imaging "microwave” device described above opens many perspectives that will assist in the implementation of evanescent waves in high resolution imaging systems of the future.
  • the mobile transmitting antenna attached to the displacement system 41, 42, 43 may be replaced by a plurality of elementary antennas 2a, 2b, 2c, 2d.
  • the elementary antennas are arranged in a plurality of positions in the vicinity of the rear face 1 1 of the prism. They can extend either outside the prism or inside the prism (ie embedded in the prism).
  • the term "neighborhood of the rear face of the prism" is understood to mean a distance of between 0 and 15 centimeters between the rear face of the prism and the elementary emitting antenna.
  • each transmitting antenna can be integrated into the prism, and extend at a distance of 10 centimeters from the rear face of the prism.
  • each antenna can be distant from the prism and extend at a distance of 15 centimeters from the rear face of the prism.
  • the imaging device can also comprise in combination a mobile transmitting antenna fixed to the displacement system. 41 and a plurality of transmitting antennas 2a, 2b, 2c, 2d located in the vicinity of the rear face of the prism.
  • a radiation absorbing material in the microwave field may be disposed on all prism surfaces other than the front face. as well as power cable outlet locations of the elementary transmitting antennas.
  • the absorbent material may be disposed on all the surfaces of the prism other than the front face and the regions of the prism facing the elementary antennas.

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Abstract

ABREGE DISPOSITIF D'IMAGERIE EN CHAMP PROCHE ET LOINTAIN DANS LE DOMAINE DES MICRO-ONDES 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. FIGURE

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 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 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,
- 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 de la lumière qui l'éclairé, 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, en d'autres termes, les ondes décroissent exponentiellement avec la distance et sont détectables seulement au voisinage de la surface de l'objet étudié.
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 microondes 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
Un des buts de l'invention est de proposer un dispositif d'imagerie dont la qualité est améliorée par la maîtrise de l'onde évanescente que l'on génère.
Pour ce faire, l'invention propose une combinaison d'une source d'ondes et d'un générateur d'ondes évanescentes amélioré dans le domaine ondes microondes servant de source d'excitation à un dispositif d'imagerie permettant d'analyser un objet.
Tout particulièrement, 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.
Un des avantages du dispositif d'imagerie de l'invention réside dans le fait que grâce cette adaptation en impédance entre l'antenne et le prisme, la qualité du dispositif est sensiblement améliorée pour avoir une énergie transmise optimum, par la maîtrise de l'onde évanescente que l'on génère. En effet, dans l'invention, il n'y a que l'onde évanescente qui sort du prisme, l'onde transmise n'est plus propagative mais devient l'onde évanescente qui se propage parallèlement à la surface du prisme. Il en résulte une bonne maîtrise de l'excitation avec le dispositif de l'invention
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 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 œuvre un principe dit « d'analogie micro-ondes », en effectuant un double changement d'échelles (taille [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 œuvre dans le 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.
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. Il en résulte que l'onde émise par l'antenne ne subit pas de perte à l'interface antenne/prisme et est entièrement transmise directement dans ce dernier.
Des aspects préférés mais non limitatifs du procédé de transmission de données décrit ci-dessus sont les suivants :
- 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 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
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
Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1 , le prisme 1 est de forme hémicylindrique. Il comprend une face arrière 1 1 convexe, et une face avant 12 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 permet de générer les ondes évanescentes émises sur sa face avant 12 par réflexion totale interne des ondes émises par l'antenne émettrice 2 directement dans celui-ci.
En d'autres termes, l'onde transmise de l'antenne émettrice 2 n'est plus propagative mais devient l'onde évanescente qui se propage parallèlement à la surface du prisme, en particulier à l'interface de séparation prisme/porte échantillon et qui interagit avec l'échantillon à étudier .
Le prisme 1 est dans un matériau ne présentant pas de pertes pour les 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 émetthce 2 est positionnée sur la face arrière 1 1 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 1 1 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, permettant ainsi d'améliorer la qualité de mesure du dispositif de l'invention.
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).
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 .
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 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.
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 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 .
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
L'antenne réceptrice 4 permet de mesurer l'amplitude et la phase des champs électromagnétiques diffusés/canal isés/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. En particulier, elle permet de détecter les ondes évanescentes générées par la surface de l'échantillon à étudier et qui ont interagi avec ce dernier.
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 œuvre (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.
Il est à noter, que la sonde de mesure 5 ou l'antenne réceptrice 4 sont positionnées du côté de la face sur laquelle l'onde évanescente est générée et non pas sur ondes réfléchies par l'interface antenne émettrice 2/prisme.
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 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 œuvre des ondes évanescentes dans les systèmes d'imagerie haute résolution du futur.
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, 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 1 1 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'antennes émettrices 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

REVENDICATIONS
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 (1 1 ) 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.
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.
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.
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.
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 (1 1 ) 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. 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. Dispositif d'imagerie selon la revendication 6, dans lequel le matériau de couplage est un mélange d'air et de silice.
8. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le prisme (1 ) est de forme hémicylindrique.
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. 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.
1 1 . 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. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le porte échantillon comprend des marqueurs de positionnement. 13. Utilisation du dispositif selon l'une des revendications précédentes dans une chambre ou un caisson anéchoïque.
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