WO2015185837A9 - Dispositif optique pour l'observation d'un objet, minimisant le phenomene de reflexion interne - Google Patents

Dispositif optique pour l'observation d'un objet, minimisant le phenomene de reflexion interne Download PDF

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WO2015185837A9
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optical
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    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/02—Objectives

Definitions

  • the present invention is applicable to the production of optical elements used in microscopic or conoscopic-type objectives and to the resolution of a drawback inherent in current production methods, observed mainly when the angular field or the numerical aperture of these goals becomes important.
  • optical solutions used in the production of objectives of the "microscope" type and in particular when the numerical aperture is large, are commonly used and for the lenses close to the object to be observed or measured convergent lenses of the meniscus type , convex and more rarely biconvex, which can go for their convex part oriented towards the image plane to the hemisphere.
  • Different converging lenses are shown on the first line of FIG. 1, while different diverging type lenses are shown on the second line of this FIG.
  • This type of convergent lens is also used in a similar way in other types of equipment, in particular flow metrology or conoscopy.
  • Such a convergent lens can be constituted as follows:
  • the glasses used in optics have a refractive index of between 1.4 and 1.95.
  • the revolutions axes of the first and second surfaces coincide with the optical axis of the lens.
  • the geometric properties (Curvature radius) of these surfaces are such that the resulting lens is convergent (Focal positive).
  • the incident light emitted by the sample may, due to this phenomenon, be perfectly returned to the sample, thus causing parasitic reflections compromise the observation of the latter or the accuracy of the measurement.
  • the critical angle is very low (of the order of 33 ° with the S-LAH65 type glass of index 1. 8 to 546 nm) as can be seen in the numerical simulation of Figure 2.
  • This simulation is given as an example, the same type of phenomenon can be observed regardless of the material used (Here the brand glass Ohara and reference S-LAH65).
  • This phenomenon may have important consequences for the properties of convergent lenses.
  • FIG. 5 performed D with the ZEMAX software also shows the response of the component to an extended source placed in front of it. It can be seen that the region concerned by the phenomenon of total internal reflection is annular in shape.
  • the simulation result of the reflected intensity in the plane of the object shows that for an incoming flux of lW / cm 2 , the reflected intensity can reach 2.4 W / cm 2 .
  • the same behavior can be observed regardless of the material used and regardless of the thin film stack used to perform the antireflection.
  • Anti-reflective treatments can not therefore provide satisfactory solution.
  • Another possible solution is to limit the radii of curvature of the lenses so as to use only angles below the critical angle causing a total internal reflection.
  • the retro-reflective flux increases from 5.2 to almost 12 mW, a reduction of a factor of 400.
  • the problem that must be solved is therefore to significantly reduce the level of retro-reflections inherent to this type of lens so as to ensure that the angular and spatial distribution of light from a device under test is not disturbed by the presence of the analysis system and more particularly the convergent optical element or elements placed at the input of the latter.
  • this object is achieved by the invention which relates to an optical device for the observation of an object, comprising at least a first optical element of the lens type, defining a front surface oriented towards the object to be observed and a rear surface opposite to said object. object, said first optical element being made of an optically transparent material and having a refractive index "ni".
  • this device comprises a second element optical lens of a predetermined thickness, defining a front surface facing the object and a rear surface opposite the object, and being optically coupled by its front surface to the rear surface of the first optical element, said second optical element being made of a material of refractive index n2 and provided with at least one portion made of a material optically absorbing visible light.
  • the invention may furthermore include one or both of the following aspects, including:
  • a second optical element of a predetermined thickness defining a front surface facing the object and a rear surface opposite to the object, and being optically coupled by its front surface to the rear surface.
  • the first optical element, said second optical element being made of a refractive index material n2 and provided with at least one portion made of a material optically absorbing visible light,
  • the portion of the second optical element made of an optically absorbing material is the portion of the second optical element most likely to be the seat of total internal reflections
  • the whole of the second optical element is made of an optical absorbent material
  • the optical absorbing material constituting the second optical element is spectrally neutral
  • the refractive index n2 of the second optical element is smaller than the refractive index and the first optical material
  • the rear surface of the first optical element is convex and the second optical element has the shape of a cap
  • the thickness of the cap is constant
  • the indices n1 and n2 of the constituent materials of the first and second optical elements are comprised between 1.43 and 1.96, the transmission coefficient of the absorbent material constituting the second element is between 1 and 99%,
  • the minimum thickness of the second optical element is chosen to be greater than the coherence length of the light emitted or reflected by the object observed, in the material used.
  • the invention also relates to a microscopic type objective, comprising an optical system for transport and magnification comprising a lens or several successive lenses, and a field lens, able to produce an image of the object observed in the image plane, comprising at least one device that is substituted for the lens of the optical system or at least the lens of the optical system closest to the observed object, among said successive lenses of the optical system.
  • the invention furthermore relates to a conoscopic-type objective, comprising a magnifying optical system comprising a lens or several successive lenses, making it possible to produce an image of the angular distribution of the flux of the obse.rvé object, which is a substitute for the lens of the optical system or at least the lens of the optical system closest to the observed object, among said successive lenses of the optical system.
  • the invention also relates to an optical instrument comprising a lens of the above type.
  • FIG. 1 represents different structures of convergent and divergent lenses
  • FIGS. 2 and 3 above represent graphs illustrating 'Change' coefficient of internal reflection of S-LAH65 glass at 550 nm as a function of the angle of incidence, and highlighting the critical angle at which total reflection can be observed without anti treatment -reflet of the glass in question (figure
  • FIGS. 4 to 6 show a schematic view:
  • FIG. 4 a convergent lens traversed by an incident ray (solid line) and subjecting another ray to a double internal total reflection (dashed lines),
  • FIG. 5 a simulation of the behavior of the lens with an extended source, highlighting an annular peripheral portion of the lens more subject to internal reflections,
  • figure 6 this same simulation with however a decrease of the diameter of the diopter.
  • FIG. 7 represents an optical device according to the invention comprising two optically coupled elements making it possible to reduce the phenomenon of internal reflection
  • FIG. 8 illustrates the optical device according to the invention associated with an optical system
  • FIG. 9 illustrates the optical device according to the invention in a microscope-type instrument
  • FIG. 10 illustrates the optical device according to the invention in a conoscope-type instrument
  • FIGS. 11 to 14 show four graphs that can be used to size a parameter of the device according to the invention (refractive index of the shell).
  • the invention is based on the introduction of a "shell" of absorbent material 2 contiguous to the outer diopter of a lens 1 of an object for observing an object, such as a lens microscope, conoscope used in the field including metrology.
  • an objective of observation of an object (located on the left in this FIG. and corresponding to the orientation "before" in the rest of the text), conventionally comprises at least one lens 1 (or an optical system provided with a succession of lenses) interposed between the object and an observation means of the lens. image created by the lens or the optical system in the image plane of this lens or system.
  • the object emits light rays that pass through the lens or the succession of lenses and form an image observed by the observation means.
  • the observed object is a light source which, by definition, the intensity of the rays emitted can be increased
  • the intensity of the rays emitted can be increased
  • the object itself and the instrument that observes it may constitute a source of parasitic light when some of the rays emitted by the object undergo internal reflection. on the convex back surface of the lens. Gold, any disturbance of the light rays emitted naturally by the object is to be prohibited, in particular and especially those induced by the optical system which observes it, and in particular and especially those which would absorb a part of the intensity of the flux emitted by the object .
  • a cap of absorbent material is contiguous on the rear surface of the lens (that directed towards the means of observation and which is convex), the front surface of the cap (directed towards the object) being thus concave (In addition, in the illustrated example, the rear surface of the cap is convex).
  • This goal is achieved by placing an absorbing optical element between the imaging system (source) and the subject following an arrangement Object (source) / Second element (Absorbent) / First element (Disruptor) / Observer.
  • the second surface (Convexity) of the absorbent cap, this time is oriented towards the object (light source).
  • the object in the present case of observation of an object, in particular for metrology applications, the object is not to disturb the object observed due to the return of stray light through the observation system.
  • This goal is achieved through an absorbing optical element that is placed between the object and the rest of the observation system in the sequence Object / First Element (disrupter) / Second Element (Absorbent) / Observer.
  • the second surface (convexity) of the absorbent cap is thus oriented towards the observer or the subject.
  • optical coupling is to be understood as the fact that a major part of the light rays passing through the rear surface of the lens, also crosses the front surface of the cap of absorbent material.
  • absorbent material is to be understood as a light absorbing material emitted by the object, with a non-uniformly zero absorption rate in the visible range (considered between 400 and 800 nm).
  • the absorbent material may be a filter or a glass with an absorption coefficient between 20 and 40% so as to strongly attenuate the rays while maintaining an acceptable intensity for the transmitted rays.
  • the material used can be spectrally neutral absorbing glass (Schott [R15] series NG lenses or ND series the manufacturer Hoya).
  • an ND25 or NG5 material may be used.
  • optical glue film (NOA65 for example) of index adapted and optically negligible thickness.
  • an index is chosen close to that of one of the glasses, the indices often being close to 1.5 to 1.6 for example.
  • the thickness will be from a few microns to ten microns.
  • the physical thickness of the shell must be greater than the coherence length of the light emitted or reflected by the observed object 9 in order to overcome the appearance of interference phenomena. Practically, this minimum physical thickness will be for "natural light" type radiation of between 0.1 and 2 mm.
  • Figure 7 describes the component obtained. Such a component will be used in a microscopic or conoscopic objective type optical system in place of the "conventional" convergent element.
  • the absorbing material of the shell is crossed only once if this ray is transmitted (ray 19) while it will be crossed 4 times if this ray is retro-reflected ( radius 20) inside the component.
  • the retro-reflected rays by the component are therefore 4 times more absorbed than the transmitted rays.
  • the function of the shell is to reduce the intensity of the rays reflected on the object and to do so thanks to the absorbing nature of its constituent material.
  • the thickness crossed the critical angle ⁇ C is given by:
  • the choice of the refractive index of the shell can also be used to reduce internal reflections because it can be chosen so as to increase the critical angle obtained at the interface between the lens and the lens. shell, and the one obtained at the rear of the shell at its interface with the air, and thus increase the angular aperture of incident rays not likely to be reflected.
  • n2 index of the shell can result from a compromise between different phenomena:
  • FIG. 12 which represents the evolution of the critical angle obtained at the interface between the shell and the air (at the rear surface 6 of the shell 2) is all the weaker than the refractive index n2 for the shell is high, which results in a high refractive index for the shell could increase the risk of internal reflection that we want to avoid.
  • a critical angle is obtained at the interface between the lens and the shell, of 42 ° (well above the critical angle obtained for the lens in interface with the air) and a critical angle at the interface between the rear of the shell and the air, of 56 ° which increases the angular difference of the rayo, ns which will not be reflected .
  • this refractive index n 2 can be chosen as a function of the reflection coefficient R at the shell lens interface given by the formula
  • it can be set at a value between nl-30% and nl + 30%.
  • the shell being optically coupled to the lens with an optical adhesive film (NOA65 for example) of index
  • the flux originating from the retro-reflected rays goes from 2.4W / cm 2 to 10mW / cm 2 , a decrease of a factor 240 when all the radii are taken into account.
  • a simple optical objective can be obtained by combining the optical device according to the invention 7 with an optical system 10 composed of one or more lenses 14 of which at least one or both can be provided on their rear surface opposite to the observed object 8, a shell of absorbent material, for creating on the image plane 11 of the system, an image that can be observed visually through an eyepiece 16 or automatically through a matrix sensor (not shown in this figure) of the objective or an optical instrument comprising this lens, located at the rear of the lens / cap pair.
  • a microscopic type objective is used to produce, in the image plane 11 of said objective, an enlarged image 21 of the object 8, which image is observed visually by means of an ocular 16 or automatically thanks to a matrix sensor (not shown in this figure) associated with an optical system for transport and magnification 10, 15.
  • the optical element according to the invention 7 provided with a lens optically coupled to a shell will be associated with an optical system 10, composed of one or more lenses 14 making it possible to obtain the desired focal length and to correct, in a manner known to those skilled in the art, the various geometric and colorimetric aberrations of the system, and supplemented by a field lens 15, also called a tube lens.
  • one or more of the lenses 14 of the optical system 10 are of the convergent type and also have internal total reflections, they may advantageously be replaced by optical elements of the type of the invention and thus be provided with a reduction shell of the internal reflection.
  • a conoscopic-type objective is used to produce, in the image plane of said objective, an image 21 of the angular distribution of the flux emitted or reflected by the object, which image is observed visually by means of an eyepiece 16, or automatically by means of a matrix sensor 17 associated as the case may be with a magnifying optical system 18 and a field lens 15.
  • a plurality of unitary sensors placed in the image plane 11 can be used to observe the image 21.
  • the entrance pupil of the transport objective 18 acts as an opening diaphragm and adjusts the size of the spot analyzed, when a plurality of unitary sensors is used, each sensor will be preceded by an opening aperture diaphragm
  • the optical element 7 will be associated in known manner with an optical system 10 composed of one or more lenses 14 to obtain the desired focal length and to correct the various geometric and colorimetric aberrations of the system.
  • one or more of the lenses 14 are of the convergent type and also have internal total reflections, they may advantageously be replaced by optical elements of the type of the invention.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif optique pour l'observation d'un objet, comprenant au moins un premier élément optique de type lentille, définissant une surface avant orientée vers l'objet à observer et une surface arrière opposée audit objet, ledit premier élément optique étant réalisé en un matériau optiquement transparent et présentant un indice de réfraction « n1 ». Selon l'invention, le dispositif comprend un deuxième élément optique d'une épaisseur prédéterminée, définissant une surface avant orientée vers l'objet et une surface arrière opposée à l'objet, et étant optiquement couplée par sa surface avant à la surface arrière du premier élément optique, ledit deuxième élément optique étant réalisé en un matériau d'indice de réfraction n2 et pourvu d'au moins une portion réalisée en un matériau optiquement absorbant la lumière visible.

Description

DISPOSITIF OPTIQUE POUR L'OBSERVATION D'UN OBJET, MINIMISANT
LE PHENOMENE DE REFLEXION INTERNE
La présente invention s'applique à la réalisation d'éléments optiques utilisés dans les objectifs de type microscopique ou conoscopiques et à la résolution d'un inconvénient inhérent aux procédés actuels de réalisation, observé principalement lorsque le champ angulaire ou l'ouverture numérique de ces objectifs devient important.
Les solutions optiques retenues dans la réalisation d'objectifs de type « microscope », et en particulier lorsque l'ouverture numérique est importante, utilisent de façon courante et pour les lentilles proches de l'objet à observer ou mesurer des lentilles convergentes de type ménisque, plan- convexe et plus rarement biconvexe, pouvant aller pour leur partie convexe orientée vers le plan image jusqu'à l'hémisphère. Différentes lentilles convergentes sont représentées sur la première ligne de la figure 1, tandis que différentes lentilles de type divergentes sont représentées sur la deuxième ligne de la cette figure 1.
Ce type de lentilles convergentes est également utilisé de façon similaire dans d'autres types d'équipements, en particulier de métrologie de flux ou de conoscopie.
Une telle lentille convergente peut être constituée de la façon suivante :
- Une première surface, orientée vers l'objet, sphérique ou asphérique, concave, plane ou convexe,
- Un matériau transparent d'indice de réfraction > 1. En règle générale les verres utilisés en optique ont un indice de réfraction compris entre 1.4 et 1.95.
Une seconde surface convexe, sphérique ou asphérique, pouvant aller jusqu'à une forme proche de l'hémisphère.
Les axes de révolutions des premières et secondes surfaces sont confondus avec l'axe optique de la lentille. Les propriétés géométriques (Rayons de courbures) de ces surfaces sont telles que la lentille résultante est convergente (De focale positive) .
Les lentilles les plus utilisées dans le cadre d'ensembles optiques à forte ouverture numérique sont généralement de type « ménisques convergent » (« Positive meniscus ») .
Phénomène dit de « réflexion total interne »
Il est bien connu qu'un rayon lumineux se propageant dans un milieu d'indice de réfraction ni, peut, sous condition d'incidence à un angle inférieur à l'angle thêta critique (6C ) , se voir totalement réfléchi lorsqu'il rencontre un milieu d'indice de réfraction n2 inférieur. L'angle critique est donné par : 6c= arcsin (n2 / ni)
Dans le cadre d'un objectif microscopique ou conoscopique utilisé pour les applications évoquées ci-dessus, la lumière incidente émise par l'échantillon, peut parfaitement être, à cause de ce phénomène, renvoyée vers l'échantillon, provoquant ainsi des réflexions parasites pouvant compromettre l'observation de celui-ci ou la précision de la mesure.
Pour des verres de très haut indice et dans le cas d'une transition du verre à l'air, l'angle critique est très faible (De l'ordre de 33 ° avec le verre de type S-LAH65 d'indice 1 . 8 à 546 nm) comme on peut le voir sur la simulation numérique de la figure 2. Cette simulation est donnée à titre d'exemple, le même type de phénomène pouvant être observé quel que soit le matériau utilisé (Ici le verre de marque Ohara et de référence S-LAH65 ) .
Ce phénomène a possiblement des conséquences importantes pour les propriétés de lentilles convergentes.
Si les caractéristiques de la lentille et le matériau utilisé le permettent, on peut observer ce phénomène expérimentalement, en pointant un laser dans les directions et positions indiquées sur la figure 4 par exemple : le premier rayon (trait plein) traverse normalement le système avec un coefficient de transmission 98,4%, le second (traits pointillés) subit deux réflexions totales avant de retourner 5 vers la source avec un coefficient de réflexion de 97.7%.
On peut simuler le comportement d'une lentille de ce type avec des outils logiciel ad-hoc, comme par exemple les programmes Code V, ZEMAX ou autres. La simulation de la figure 5 réalisée D avec le logiciel ZEMAX, montre également la réponse du composant à une source étendue placée devant celui-ci. On constate que la région concernée par le phénomène de réflexion totale interne est de forme annulaire.
Le résultat de simulation de l'intensité réfléchie dans le 5 plan de l'objet, montre que pour un flux entrant de lW/cm2, l'intensité réfléchie peut atteindre 2.4W / cm2.
Bien entendu, ces chiffres dépendent de la géométrie exacte du ménisque considéré.
Il est par contre clair, au vu des niveaux d'énergie rétro- ) réfléchie (+240%) que ce comportement pose un problème métrologique si la configuration du système ou du couple « échantillon à mesurer / système de mesure » est telle que l'on vient polluer la mesure. j Solutions de l' art antérieur
Parmi les solutions envisageables par l'homme de l'art :
- traitement anti-reflets
On peut constater, conformément à la figure 3, que même si un traitement de type antireflet peut améliorer le comportement
) de l'interface pour des angles inférieurs à l'angle critique en abaissant l' intensité réfléchie pour des angles inférieurs et proches de l'angle critique, la valeur de cet angle ne s'en trouve pas modifiée et le phénomène persiste au-delà de cet angle. Le calcul de la figure 3 est donné, ici à titre
5 d'exemple, le même comportement pouvant être observé quel que soit le matériau utilisé et quel que soit l'empilement de couches minces utilisé pour réaliser l' antireflet .
Les traitements antireflets ne sauraient donc fournir de solution satisfaisante.
- Limitation des rayons de courbure
Une autre solution possible consiste à limiter les rayons de courbure des lentilles de façon à avoir n'utiliser que des angles inférieurs à l'angle critique provoquant une réflexion interne totale.
Dans ce dernier cas, les autres performances du système s'en trouvent fortement dégradées ou ne peuvent être atteintes.
Par exemple et si on reprend l'exemple des figures 4 et 5 et pour lequel, l'ouverture numérique du système est de sin(88°) = 0.9994, une restriction du diamètre du premier dioptre (Voir figure 6) permet de s'affranchir significativement des rétro- réflexions .
Le flux rétro réfléchi passe de 5.2 à près de 12 mW, soit une réduction d'un facteur 400.
Cependant les performances de la lentille s'en trouvent drastiquement affectées puisque l'ouverture numérique du système passe à sin(61°) = 0.876, ce qui d'un point de vue optique est une réduction dramatique du champ angulaire.
Problème technique
Le problème qui doit être résolu est donc de diminuer significativement le niveau de retro-réflexions inhérent à ce type de lentille de façon à garantir que la distribution angulaire et spatiale de lumière issue d'un dispositif sous test ne soit pas perturbée par la présence du système d'analyse et plus particulièrement du ou des éléments optiques convergents placés à l'entrée de ce dernier.
Solution de l'invention
Cet objectif est atteint par l'invention qui concerne un dispositif optique pour l'observation d'un objet, comprenant au moins un premier élément optique de type lentille, définissant une surface avant orientée vers l'objet à observer et une surface arrière opposée audit objet, ledit premier élément optique étant réalisé en un matériau optiquement transparent et présentant un indice de réfraction « ni ». Selon l' invention, ce dispositif comprend un deuxième élément optique d'une épaisseur prédéterminée, définissant une surface avant orientée vers l'objet et une surface arrière opposée à l'objet, et étant optiquement couplée par sa surface avant à la surface arrière du premier élément optique, ledit deuxième élément optique étant réalisé en un matériau d' indice de réfraction n2 et pourvu d'au moins une portion réalisée en un matériau optiquement absorbant la lumière visible.
L'invention peut par ailleurs présenter l'un et/ou l'autre des aspects suivants parmi lesquels :
- un deuxième élément optique d'une épaisseur prédéterminée, définissant une surface avant orientée vers l'objet et une surface arrière opposée à l'objet, et étant optiquement couplée par sa surface avant à la surface arrière . du premier élément optique, ledit deuxième élément optique étant réalisé en un matériau d'indice de réfraction n2 et pourvu d'au moins une portion réalisée en un matériau optiquement absorbant la lumière visible,
- la portion du deuxième élément optique réalisée en un matériau optiquement absorbant est la portion du deuxième élément optique la plus susceptible d'être le siège de réflexions internes totales,
- l'ensemble du deuxième élément optique est réalisé en un matériau absorbant optique,
- le matériau absorbant optique constitutif du deuxième élément optique est neutre spectralement,
- l'indice de réfraction n2 du deuxième élément optique est inférieur à l'indice de réfraction ni du premier matériau optique,
- la surface arrière du premier élément optique est convexe et le deuxième élément optique présente la forme d'une calotte,
- l'épaisseur de la calotte est constante, .
- les indices ni et n2 des matériaux constitutifs des premier et deuxième éléments optiques sont compris entré 1,43 et 1, 96, - le coefficient de transmission du matériau absorbant constitutif du deuxième élément est compris entre 1 et 99 %,
- l'épaisseur minimale du second élément optique est choisie de façon à être supérieure à la longueur de cohérence de la lumière émise ou réfléchie par l'objet observé, dans le matériau utilisé.
L' invention concerne par ailleurs un objectif de type microscopique, comprenant un système optique de transport et de grandissement comportant une lentille ou plusieurs lentilles successives, et une lentille de champ, aptes à produire une image de l'objet observé dans le plan image, comprenant au moins un dispositif venant se substituer à la lentille du système, optique ou au moins à la lentille du système optique la plus proche de l'objet observé, parmi lesdites lentilles successives du système optique.
L'invention concerne par ailleurs un objectif de type conoscopique, comprenant un système optique de grandissement comportant une lentille ou plusieurs lentilles successives, permettant de produire une image de la répartition angulaire de flux de l'objet obse.rvé, venant se substituer à la lentille du système optique ou au moins à la lentille du système optique la plus proche de l'objet observé, parmi lesdites lentilles successives du système optique.
L'invention concerne également un instrument optique comprenant un objectif de type ci-dessus.
L' invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui va suivre, articulée autour d'un exemple de réalisation non limitatif et faite en référence aux figures suivantes, parmi lesquelles :
- la figure 1 précitée représente différentes structures de lentilles convergentes et divergentes,
- les figures 2 et 3 précitées représentent des graphiques illustrant' l'évolution du ' coefficient de réflexion interne du verre S-LAH65 à 550 nm en fonction de l'angle d'incidence, et mettant en évidence l'angle critique à partir duquel une réflexion totale peut être observée, sans traitement anti-reflet du verre en question (figure
2), et avec (figure 3),
- les figures 4 à 6 représentent par une vue schématique :
figure 4 : une lentille convergente traversée par un rayon incident (trait plein) et faisant subir à un autre rayon une double réflexion interne totale (traits pointillés) ,
figure 5 : une simulation du comportement de la lentille avec une source étendue, mettant en évidence une portion périphérique annulaire de la lentille plus sujette aux réflexions interne,
figure 6 : cette même simulation avec cependant une diminution du diamètre du dioptre.
- la figure 7 représente un dispositif optique selon l'invention comprenant deux éléments optiquement couplés permettant de réduire le phénomène de réflexion interne,
- la figure 8 illustre le dispositif optique selon l'invention associé à un système optique,
- la figure 9 illustre le dispositif optique selon l'invention au sein d'un instrument de type microscope, - la figure 10 illustre le dispositif optique selon l'invention au sein d'un instrument de type conoscope,
- les figures 11 à 14 montrent quatre graphiques pouvant être utilisés pour dimensionner un paramètre du dispositif selon l'invention (indice de réfraction de la coquille) .
Conformément à la figure 7, l'invention repose sur l'introduction d'une « coquille » en matériau absorbant 2 accolée au dioptre externe d'une lentille 1 d'un objectif d'observation d'un objet, tel qu'un objectif de microscope, de conoscope utilisé dans le domaine notamment de la métrologie. Plus précisément, conformément à la figure 7, un objectif d'observation d'un objet (situé à gauche sur cette figure 7, et correspondant à l'orientation « avant » dans la suite du texte) , comprend classiquement au moins une lentille 1 (ou un système, optique pourvu d'une succession de lentilles) interposée entre l'objet et un moyen d'observation de l'image crée par la lentille ou le système optique dans le plan image de cette lentille ou ce système.
Les moyens d'observation situés à droite sur la figure 7 correspondant à l'orientation « arrière » dans la suite du texte et peuvent être constitués d'un oculaire, d'un capteur matriciel, capteur unitaire ou autre capteur... selon la nature de l'objectif d'observation à réaliser (microscope, conoscope ou autre) .
L'objet émet des rayons lumineux qui traversent la lentille ou la succession de lentilles et forment une image observée par le moyen d'observation.
Contrairement aux instruments de projection, dans lesquels l'objet observé est une source lumineuse dont par définition, l'intensité des rayons émis peut être augmentée, dans les instruments d'observation, il n'est généralement pas possible d'augmenter celle des rayons lumineux émis par l'objet, sauf à ajouter un éclairage dirigé vers l'objet mais qui perturberait également les rayons que cet objet émet naturellement et ainsi l'observation et/ou la mesure souhaitée.
En outre, dans les instruments de projection tel que celui illustré dans le brevet américain US 5 880 887, c'est la surface avant de la lentille (dirigée vers la source lumineuse) qui est convexe, et la surface arrière est plane et le lieu de la réflexion interne d'une source parasite provenant du côté de l'observation. La solution dans cet instrument de projection a été de disposer u matériau absorbant sur la surface avant de la lentille en dotant ce matériau d'une surface arrière concave et d'une surface avant concave .
Au contraire, dans le contexte des instruments d'observation d'un objet, l'objet lui même et l'instrument qui l'observe peuvent constituer une source de lumière parasite lorsque certains des rayons émis par l'objet, subissent une réflexion interne sur la surface arrière convexe de la lentille. Or, toute perturbation des rayons lumineux émis naturellement par l'objet est à prohiber, notamment et surtout celles induites par le système optique qui l'observe, et notamment et surtout celles qui viendraient absorber une partie de l' intensité du flux émis par l'objet.
Ainsi, les solutions utilisées dans les instruments de projection pour réduire les perturbations induites sur les rayons émis par la source lumineuse projetée, et qui consistent à utiliser un matériau absorbant les rayons lumineux émis par une source parasite située du côté de l'observation, n'est à l'évidence pas transposable aux instruments d'observation.
Ainsi, c'est de façon inédite et surprenante dans le domaine des instruments optiques dObservation d'objets, que le couplage optique d'au moins une lentille du système optique de l'objectif, avec une calotte en matériau absorbant, a été considéré par l' inventeur comme une solution possible de réduction du phénomène de réflexion interne parasitant 1 'observation/la mesure du flux, sans nuire outre mesure à cette observation/mesure de flux.
A cet effet, une calotte en matériau absorbant est accolée sur la surface arrière de la lentille (celle dirigée vers le. moyen d'observation et qui est convexe), la surface avant de la calotte (dirigée vers l'objet) étant ainsi concave (en outre, dans l'exemple illustré, la surface arrière de la calotte est convexe ) .
Les domaines techniques différents que sont les écrans d'affichage dans le cas du document précité US 5 880 887 et la métrologie dans le cas de l' invention, impliquent que les solutions utilisées dans le premier ne sont pas à l'évidence transposables à l'autre :
- Dans le cas de la projection, il s'agit de ne pas perturber l'image de l'objet observée par le sujet, par des sources de lumière externes au sujet.
Ce but est atteint en plaçant un élément optique absorbant entre le système de production d'image (source) et le sujet suivant une disposition Objet (source) /Second élément (Absorbant) /Premier élément (Perturbateur) /Observateur . La seconde surface (Convexité) de la calotte absorbante, est cette fois-ci orientée vers l'objet (source lumineuse) .
- dans le cas présent d'observation d'un objet notamment pour des applications de métrologie, il s'agit de ne pas perturber l'objet observé du fait du renvoi de lumière parasite par l'intermédiaire du système d'observation.
Ce but est atteint grâce à un élément optique absorbant qui se trouve placé entre l'objet et le reste du système d'observation selon la séquence Objet/Premier élémen (perturbateur) /Second élément (Absorbant ) /Observateur . La seconde surface (convexité) de la calotte absorbante est ainsi orientée vers l'observateur ou le sujet.
L'expression « couplage optique » est à comprendre comme le fait qu'une majeure partie des rayons lumineux traversant la surface arrière de la lentille, traverse également la surface avant de la calotte de matériau absorbant.
L'expression matériau absorbant est à comprendre comme un matériau absorbant la lumière émise par l'objet, à taux d'absorption non uniformément nul dans le domaine visible (considéré entre 400 et 800 nm) ..
Le matériau absorbant peut être un filtre ou un verre d'un coefficient d'absorption compris entre 20 et 40 % de façon à atténuer fortement les rayons tout en conservant une intensité acceptable pour les rayons transmis. De façon à ce que l'ensemble des longueurs d'ondes utilisées soient affectés dé façon similaire, le matériau utilisé peut être un verre absorbant neutre spectralement (Verres de la série NG chez le fabricant Schott [R15] ou verres de la série ND chez le fabricant Hoya) .
Par exemple, un matériau de type ND25 ou NG5 peut être utilisé .
Ces deux éléments sont classiquement collés l'un à l'autre à l'aide d'un film de colle optique (NOA65 par exemple) d'indice adapté et d'épaisseur optiquement négligeable. On choisit en règle générale un indice proche de celui d'un des verres, les indices étant souvent proches de 1.5 à 1.6 par exemple. L'épaisseur sera de quelques microns à une dizaine de microns. L'épaisseur physique de la coquille doit être supérieure à la longueur de cohérence de la lumière émise ou réfléchie par l'objet observé 9 afin de s'affranchir de l'apparition de phénomènes d'interférences. Pratiquement cette épaisseur physique minimale sera pour des rayonnements de type « lumière naturelle » comprise entre 0.1 et 2 mm.
La figure 7 décrit le composant obtenu. Un tel composant sera utilisé dans un système optique de type objectif microscopique ou conoscopique en lieu et place de l'élément convergent « classique ».
Selon le principe de l'invention :
- Pour un rayon provenant de l'objet, le matériau absorbant de la coquille n'est traversé qu'une seule fois si ce rayon est transmis (rayon 19) alors qu'il sera traversé 4 fois si ce rayon est rétro-réfléchi (rayon 20) à l'intérieur du composant. Les rayons rétro-réfléchis par le composant sont donc 4 fois plus absorbés que les rayons transmis.
Pour un rayon provenant de l'objet, transmis par le composant et réfléchi partiellement à nouveau vers l'objet par le reste du système optique (non illustré) , il traverse deux fois le matériau absorbant. Les rayons rétro-réfléchis par les composants suivants sont donc 2 fois plus absorbés que les rayons transmis.
Aide au dimensionnement du dispositif optique
Les formules qui suivent sont données au seul titre d'outil d'aide au dimensionnement dans le cadre la réalisation pratique de l'invention.
La coquille a pour fonction la diminution de l' intensité des rayons réfléchis sur l'objet et y parvient grâce à la nature absorbante de son matériau constitutif.
Elle y parvient aussi de par le choix de son indice de réfraction n2.
Dimensionnement du coefficient de transmission
Si l'épaisseur de la coquille est uniforme d'épaisseur DO sa transmission dans l'axe de T0, l'épaisseur traversée l'angle critique ©C est donnée par :
CQS0c
Soit
Figure imgf000014_0001
La transmission d'un rayon unique rétro-réfléchi TC - à l'angle critique ©C - est donnée par :
Et
Figure imgf000014_0002
Si par exemple :
- TO = 32%
- N - 1.5
alors TC / TÛ = 0.69%
et TC - 0.2%, soit une diminution d'un facteur 500 de l'intensité des rayons réfléchis.
On voit donc que, si les paramètres des matériaux sont bien choisis et au prix d'une atténuation contrôlée des rayons transmis , les rayons rétro-réfléchis sont très fortement atténués .
Dimensionnement de l'indice de réfraction de la coquille
Le choix de l'indice de réfraction de la coquille peut être également utilisé pour réduire les réflexions internes, car il peut être choisi de façon à augmenter l'angle critique obtenu â l'interface entre la lentille et la. coquille, et celui obtenu à l'arrière de la coquille à son interface avec l'air, et ainsi augmenter l'ouverture angulaire de rayons incidents non susceptibles d'être réfléchis.
Le choix de l'indice n2 de la coquille peut résulter d'un compromis entre différents phénomènes :
- La figure 11 représente l'évolution de l'angle critique (angle au-delà duquel se produit une réflexion à une interface entre deux matériaux d'indices différents) observé à l'interface entre une lentille convergente d'indice ni = 1,82 et un matériau d'indice n2. Cet angle est donné par la formule : Θ (°) = Arcsin (n2 / ni)
Plus cet angle critique est élevé, plus les risques d'observer des réflexions internes sont faibles. Ainsi, conformément au graphique obtenu, l'angle critique obtenu sans coquille sur la lentille d'indice ni (qui est alors en interface avec l'air d'indice n2 = 1), est de 33°, alors qu'il augmente à 56° lorsqu'une coquille d'indice 1,5 est utilisée. Cette première observation incite à utiliser un indice de réfraction n2 relativement élevé pour la coquille,
- Toutefois, la figure 12 qui représente l'évolution de l'angle critique obtenu à l'interface entre la coquille et l'air (au niveau de la surface arrière 6 de la coquille 2) est d'autant plus faible que l'indice de réfraction n2 pour la coquille est élevé, ce dont il résulte qu'un indice de réfraction élevé pour la coquille risquerait d'augmenter le risque de réflexion interne que l'on veut justement éviter.
- Ainsi, conformément à la figure 13 qui juxtapose les deux courbes, il est nécessaire d'utiliser, en fonction de l'indice de réfraction ni de la lentille dont on souhaite réduire les réflexions internes, un indice de réfraction n2 pour la coquille qui permette à la fois d'augmenter l'angle critique obtenu à l'arrière de la lentille vis à vis de l'angle critique obtenu lorsque cette lentille est en interface avec l'air, tout en définissant, à l'arrière de la coquille utilisée, un angle critique à l'interface avec l'air, également supérieur à celui observé lorsque cette lentille est en interface avec l'air.
Dans l'exemple illustré, pour lequel a été choisi un indice n2 = 1,5 pour la coquille, on obtient un angle critique à l'interface entre la lentille et la coquille, de 42° (bien supérieur à l'angle critique obtenu pour la lentille en interface avec l'air) .et un angle critique à l'interface entre l'arrière de la coquille et l'air, de 56° qui vient augmenter l'écart angulaire des rayo,ns qui ne seront pas réfléchis.
On pourra envisager de choisir l'indice de la coquille à partir du point de croisement des deux courbes (elles se croisent lorsque n2 = Vnl ) en le fixant par exemple n2 = Vrïï +/- 30%.
- Par ailleurs, conformément à la figure 14, on pourra choisir cet indice de réfraction n2 en fonction du coefficient de réflexion R à l'interface lentille coquille, donné par la formule
R (%) = (n2 - nl)A2 (n2 + ni) A2
Ainsi, plus l'indice de la coquille n2 est proche de celui de la lentille, plus faible est le coefficient de réflexion. On aura donc tendance à choisir pour la coquille un indice de réfraction proche de celui de la lentille, tout en permettant l'obtention d'un angle critique plus élevé que celui obtenu sans coquille.
- Par exemple, on pourra le fixer à une valeur comprise entre nl-30%.et nl+30%.
Performances constatées
Les résultats de la modélisation globale du dispositif optique de la figure 7 avec :
- une lentille convergente en forme de ménisque, définissant des surfaces avant 3 et arrière 4 sphériques, constituée d'un verre optique transparent d'indice ni = 1, 82
- une coquille à section constante en forme de calotte, dont la surface avant 5 s'applique le long de la surface arrière 4 de la lentille, d'une épaisseur de 0,2 mm, constituée d'un verre neutre spectralement, absorbant et d'indice optique n-2 = 1,5,
- la coquille étant couplée optiquement à la lentille avec un film de colle optique (NOA65 par exemple) d' indice
1, 524 et d'épaisseur ΙΟμπι
On constate par rapport au flux réfléchi par le ménisque de la figure 4 :
- Le flux ayant pour origine les rayons rétro-réfléchis passe de 2.4W/cm2 à 10mW/cm2, soit une diminution d'un facteur 240 quand tous les rayons sont pris en compte.
- Le flux total passe de 5.2 W à 85 mW. Le flux réfléchi résiduel ayant maintenant pour origine la qualité des traitements antireflets appliqués sur les surfaces externes du ménisque .
On observe une amélioration très importante des performances du système. Les perturbations ayant pour origine les rayons rétro-réfléchis deviennent négligeables devant les autres sources de réflexions parasites (Traitements antireflets imparfaits, réflexion sur les parties mécaniques du système par exemple) .
Il devient donc possible - grâce au dispositif de l'invention
- de réaliser des dispositifs optiques à large ouverture sans en complexifier le design.
Réalisation d'un objectif optique simple (figure 8)
Un objectif optique simple peut être obtenu en associant le dispositif optique selon l' invention 7 à un système optique 10 composé de une ou plusieurs lentilles 14 dont au moins une ou chacune pourra/ont être munie/s sur leur surface arrière opposée à l'objet observé 8, d'une coquille en matériau absorbant, permettant de créer sur le plan image 11 du système, une image qui pourra être observée visuellement grâce à un oculaire 16 ou automatiquement grâce à un capteur matriciel (non représenté sur cette figure) de l'objectif ou d'un instrument optique comportant cet objectif, situé à l'arrière du couple lentille/calotte. Réalisation d'un objectif de type microscopique (figure 9) Un objectif de type microscopique est utilisé pour réaliser, dans le plan image 11 dudit objectif, une image agrandie 21 de l'objet 8, image qui est observée visuellement grâce à un oculaire 16 ou automatiquement grâce à un capteur matriciel (non représenté sur cette figure) associé à un système optique de transport et de grandissement 10, 15.
Afin de réaliser un tel dispositif 12, l'élément optique selon l'invention 7 pourvu d'une lentille optiquement couplée à une coquille sera associé à un système optique 10, composé de une ou plusieurs lentilles 14 permettant d'obtenir la focale désirée et de corriger, de façon connue de l'homme de l'art, les différentes aberrations géométriques et colorimétriques du système, et complété par une lentille de champ 15, aussi appelée lentille de tube.
Si une ou plusieurs des lentilles 14 du sytème optique 10 sont de type convergent et présentent également des réflexions totales internes, elles pourront avantageusement être remplacées par des éléments optiques du type de l'invention et être ainsi pourvues d'une coquille de diminution de la réflexion interne.
Réalisation d'un objectif de type conoscopique (figure 10) Un objectif de type conoscopique est utilisé pour réaliser, dans le plan image dudit objectif, une image 21 de la répartition angulaire du flux émis ou réfléchi par l'objet, image qui est observée visuellement grâce à un oculaire 16, ou automatiquement grâce à un capteur matriciel 17 associé le cas échéant à un système optique de grandissement 18 et une lentille de champ 15.
Au lieu du capteur matriciel 17, peut être utilisée une pluralité de capteurs unitaires (un seul pixel) placés dans le plan de image 11 pour observer l'image 21.
Si dans le cas où un capteur matriciel est utilisé la pupille d'entrée de l'objectif de transport 18 fait office de diaphragme d'ouverture et règle la taille du spot analysé, lorsqu'une pluralité de capteurs unitaires est utilisée, chaque capteur sera précédé d'un diaphragme d'ouverture attitré
Afin de réaliser un tel objectif, l'élément optique 7 sera associé de façon connue avec un système optique 10 composé d'une ou plusieurs lentilles 14 permettant d'obtenir la focale désirée et de corriger les différentes aberrations géométriques et colorimétriques du système.
Si une Ou plusieurs des lentilles 14 sont de type convergent et présentent également des réflexions totales internes,, elles pourront avantageusement être remplacées par des éléments optiques du type de l'invention.

Claims

Ώ W 7Wi3 iTΓ* ΆφTH FQ
1. Objectif d'observation d' un objet, c.arac.téri sé en qu ' i 1 comprend :
- un système optique 10 comprenant une ou plusieurs lentilles successives,, et
- un dispositif optique, comprenant :
o au moins un premier élément optique de type lentille, définissant une surface avant et une surface arrière, ledit premier élément optique étant réalisé en un matériau optiquement transparent, et présentant un indice de réfraction « ni »,
o un deuxième élément optique, définissant une surface avant et une surface arrière, et étant optiquement couplée par sa surface avant, à la surface arrière du premier élément optique, ledit deuxième élément optique étant réalisé en un matériau d' indice de réfraction n2 et pourvu d' au moins une portion réalisée en un matériau optiquement absorbant la lumière visible
- le dispositif optique venant se substituer à la lentille du système optique ou au moins à la lentille df extrémité parmi iesdites lentilles successives du système optique.
2. Objectif selon la revendication 1, de type microscopique, dans lequel le système optique est un système de transport et de grandissèment et comprend en outre une lentille de champ, les lentilles du système étant aptes à produire une image agrandie de l'objet observé dans le plan image.
3. Objectif selon la revendication 1, de type conoscopique, dans lequel le système optique est un système de grandissement permettant de produire une image de la répartition angulaire de flux d' un objet observé.
4. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la portion du deuxième élément optique réalisée en un matériau optiquement absorbant est la portion périphérique du deuxième élément optique la plus susceptible d'être le siège de réflexions internes totales.
5. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que c'est l'ensemble du deuxième élément optique qui est réalisé en un matériau absorbant optique.
6. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau absorbant optique constitutif du deuxième élément optique est neutre spectralement .
7. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'indice de réfraction n2 du deuxième élément optique est inférieur à l'indice de réfraction ni du premier matériau optique.
8. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface arrière du premier élément optique est convexe et le deuxième élément, optique présente la forme d'une calotte
9. Objectif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'épaisseur de la calotte est constante.
10. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les indices ni et n2 des matériaux constitutifs des premier et deuxième éléments optiques sont compris entre 1,43 et 1,96.
11. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le coefficient de transmission du matériau absorbant constitutif du deuxième élément est compris entre 1 et 99 %.
12. Objectif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur minimale du second élément optique est, choisie de façon à être supérieure à la longueur de cohérence de la lumière émise ou réfléchie par l'objet observé, dans le matériau utilisé.
13. Instrument, optique, équipé de l'objectif selon l'une des revendications précédentes.
14. Dispositif optique pour l'observation d'un objet, comprena t. :
au moins un premier élément optique de type lentille, définissant une surface avant et une surface arrière, ledit premier élément optique étant réalisé en un matériau optiquement transparent et présentant, un indice de réfraction « n1 »,
- un deuxième élément optique d'une épaisseur prédéterminée, définissant une surface avant et une surface arrière, et étant optiquement, couplée par sa surface avant à la surface arrière du premier élément optique, ledit deuxième élément optique étant réalisé en un matériau d' indice de réfraction n2 et pourvu d'au moins une portion réalisée en un matériau optiquement absorbant, la lumière visible et, neutre spectralement .
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