WO2017198971A1 - Installation et procede de mesure d'un etat de surface ou de volume d'un objet par diffusion en champ lointain - Google Patents

Installation et procede de mesure d'un etat de surface ou de volume d'un objet par diffusion en champ lointain Download PDF

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fourier transform
topography
beams
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Myriam ZERRAD
Claude Amra
Michel Lequime
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Université D'aix Marseille
Centre National De La Recherche Scientifique
Ecole Centrale De Marseille
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination

Definitions

  • the present invention relates to an installation and a method for measuring a surface state or volume of an object by far-field wave scattering.
  • Numerous apparatuses and methods are known for, according to different technologies, measuring a surface or volume state, in particular a roughness parameter, non-destructively and, if possible, non-invasively. In particular, they are used for the fine analysis of a roughness of pieces with polished surfaces.
  • the waves employed may extend from the electromagnetic domain, including visible light radiation, to the range of pressure waves, including acoustic and mechanical waves. Measurements of surface states, or more rarely of volume states, are for example strategic in precision optics.
  • the invention thus advantageously applies to quality control in production lines of mechanical parts in series for which a high quality of the surface condition is required and requires precise verification, to detect for example any polishing defect. It also applies advantageously to the calibration of polishing processes, which are also essential to limit losses by light diffusion in the optical components (multilayers, gratings, photonic crystals, etc.). Moreover, in view of the growing importance of optronics in the industry, particularly for telecommunications, measurement processes or the construction of computers based on optronic components, it is understood that it is necessary to have a reliable device for quickly measuring a surface condition or volume of an object.
  • the different technologies used for rapid control of surface or volume conditions include, but are not limited to:
  • the near-field area is commonly considered to lie below the distance 2d 2 / X, whereas the Far field area is located beyond this distance 2d 2 / X.
  • the waves emitted are locally flat.
  • Far-field scattering techniques are highly prized in precision optics because they are non-invasive and make it possible to exploit the consequences of scattering phenomena under wave theories to find, almost instant, an image derived from the surface of the examined object highlighting irregularities such as roughnesses that would be totally invisible to the naked eye.
  • Many measuring devices have been developed using these techniques.
  • the invention applies more particularly to an installation comprising an apparatus for measuring a surface or volume condition of an object of this type, thus comprising:
  • a processing unit of said at least one measurement signal for extracting information on the surface or volume status of the object.
  • Such a measuring device does not allow to reconstruct a topography of the surface or volume of the exhibit, or in any case not in a simple way. It generally gives access only to a roughness spectrum which is proportional to the square of the Fourier transform module of the topography or to an autocorrelation function which is the inverse Fourier transform of this spectrum. Another roughness parameter, representing the standard deviation of the topography, can then be obtained by integrating the aforementioned spectrum into a predefined measurement bandwidth, but it is a global parameter. All this is due to the fact that the diffusion measurement provides information on the intensity of the waves emitted, without any other information on their complex amplitude or their phase. Under these conditions, it is not possible to reconstruct the topography of the surface, and one must be satisfied with statistical moments mentioned above.
  • a processing unit of said at least one measurement signal for extracting information on the surface or volume state of the object in which:
  • the exposure device is designed to generate two temporally coherent and phase-connected wave beams so as to be able to interfere by having at least one predetermined phase difference between them, these two wave beams having non-normal effects on the object and symmetrical to each other in relation to the normal surface or exposed volume,
  • the detector is positioned to detect the resulting waves scattered after interference in the direction of the normal to the exposed surface or volume
  • the processing unit is programmed to reconstitute a topography of the surface or volume of the object exhibited by an inverse Fourier transform calculation from the measurement signal.
  • the processing unit is programmed to obtain by calculation a Fourier transform of a topography of the surface or volume of the exposed object from the measurement signal and then to reconstruct this topography by a transform calculation.
  • Fourier inverse of the calculated Fourier transform
  • the exposure device comprises:
  • a wave source designed for transmitting a coherence-length wave beam sufficient to allow temporal coherence by separation
  • a separator of the beam of waves emitted by the source arranged so as to provide said two beams of temporally coherent and phase-connected waves, ensuring a path difference between them less than the coherence length.
  • the sufficient coherence length is obtained by emitting a spectral purity wave beam of less than 1%.
  • the wave source is a broad-spectrum tunable source whose average emission wavelength is adjustable by scanning between a minimum value and a maximum value.
  • a tunable phase shifter used in clocked mode is placed on the path followed by one of the two temporally coherent wave beams and controlled so as to link them in phase successively according to several different phase shifts.
  • the accuracy of the Fourier transform estimation of the surface topography or volume of the surface is improved by successive measurements. the object, so that the accuracy of the topography reconstruction is improved.
  • the detector is coordinated with the phase shifter so as to:
  • the processing unit is programmed to recover the Fourier transform h (v 0 ) from its real and imaginary parts and then to reconstitute said topography function by a numerical calculation of inverse Fourier transform . Indeterminacy on the sign of the Fourier transform can be removed by a phase unwinding algorithm.
  • a measuring apparatus of an installation according to the invention may further comprise a motorized rotary plate for receiving the object and arranged to rotate around the normal to the exposed surface or volume to access an anisotropy of surface or volume of the object. This rotation makes it possible to rotate the direction of the incident spatial frequency without the detector being displaced.
  • the exposure device is emitting electromagnetic radiation, including light radiation in the visible range.
  • the exposure is designed to generate two temporally coherent and phase-connected wave beams so as to be able to interfere by having at least one predetermined phase difference between them, these two wave beams being of non-normal effects on the object and symmetrical to each other in relation to the normal surface or exposed volume,
  • the detection of the waves diffused after interference is carried out in the direction of the normal to the exposed surface or volume
  • the processing comprises an inverse Fourier transform calculation from the measurement signal to reconstitute a topography of the surface or volume of the exhibited object.
  • the processing comprises obtaining by calculation of a Fourier transform a topography of the surface or volume of the object from the measurement signal, and then a Fourier transform calculation inverse of the transform. of Fourier calculated to reconstruct this topography.
  • FIG. 1 schematically represents the general structure of a far-field scattering measuring apparatus, according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 illustrates the successive steps of a measurement method implemented by the apparatus of FIG. 1.
  • the measuring apparatus illustrated schematically in FIG. 1 comprises a wave source 10, designed for the emission of a wave beam of coherence length sufficient to allow temporal coherence by separation.
  • This is for example a source of light radiation in the visible range.
  • the sufficient coherence length is obtained in particular by emission of a quasi-monochromatic coherent light beam F of spectral purity less than 1%, the spectral purity being defined as the ratio between the spectral bandwidth and the average frequency of the beam considered.
  • the source 10 may be a laser source.
  • the measuring apparatus further comprises a separator 12 of the light beam F emitted by the source 10, arranged so as to provide two light beams Fi and F 2 which are temporally coherent and connected in phase.
  • these two beams are divergent and emitted in two directions symmetrical with respect to the normal axis of the separator 12.
  • Two reflectors 14 and 16 are respectively arranged on the two paths of the two light beams Fi and F 2 to reorient them so that they converge again towards the surface of an object 18 whose surface state is to be measured, with non-normal effects on the object 18 and symmetrical to each other relative to the normal surface exposed to the two beams.
  • the light source 10, the separator 12 and the reflectors 14, 16 thus constitute a device for exposing the object 18 to the two light beams F-1 and F 2 , this exposure device being more precisely designed to ensure a difference path between the two light beams less than their coherence length.
  • the normal axis of the separator 12 coincides with the normal to the surface of the object 18 exposed to the two light beams F- ⁇ and F 2 and is noted z.
  • the light source 10, the separator 12 and the reflectors 14, 16 are arranged symmetrically with respect to this axis z so that the two paths followed by the two light beams Fi and F 2 are also symmetrical.
  • the path difference and the phase difference between the two beams are zero when they arrive at the surface of the object 18, in the absence of other elements in the exposure device.
  • the exposure device can be designed according to many different embodiments, knowing that it must simply generate two temporally coherent beams of beams and related in phase so as to be able to interfere by having at least one predetermined phase difference between them, these two wave beams being of non-normal effects on the object and symmetrical to each other with respect to the normal to the surface or at the exposed volume.
  • one of the two beams advantageously results from a duplication of the other or is enslaved by it. This is a known condition in interferometry.
  • a tunable phase shifter 20 of the liquid crystal or other type, is placed on the path followed by one of the two light beams F 1 and F 2 , for example on the path of the beam F 1, between the reflector 14 and the object 18. It is advantageously used in clocked mode to improve the accuracy of the measurement. Furthermore, as will be seen later, it is controlled so as to phase link the two light beams Fi and F 2 in a single predetermined phase shift arbitrarily chosen or successively according to several phase shifts. According to a particular measurement protocol, it can be controlled in such a way as to phase-link the two light beams successively according to a zero phase shift (ie no phase shift generated by the phase-shifter 20 in the example of arrangement of FIG. 1) and according to a phase shift. in phase opposition (ie a phase shift of ⁇ generated by the phase-shifter 20 in the layout example of FIG. 1).
  • ⁇ In a spherical coordinate system expressed with respect to the z-axis and at the central point of convergence of the two light beams F- ⁇ and F 2 on the surface of the object 18, the common angle of incidence of the two beams is denoted ⁇ , and corresponds to the colatitude, while the longitude ⁇ , is, by symmetry and by convention, equal to 0 for the light beam Fi and ⁇ for the light beam F 2 .
  • the measuring apparatus further comprises a detector 22 of light waves scattered by the object 18 in the far field, arranged on the axis z between the object 18 and the separator 12. It provides a measurement signal at a unit treatment 24 to which it is connected. It is precisely positioned to detect the resulting waves F 3 scattered after interference in the direction of the normal to the surface exposed to the light beams Fi and F 2 , that is to say in the direction of the z axis.
  • the diffusion F 3 results from a superposition, in the direction of the z axis, of the two scattering diagrams of the two incident beams Fi and F 2 .
  • v 0 denotes the incident spatial frequency
  • D is a factor entirely given by first-order electromagnetic theory, which does not depend on the microstructure of the object 18 and its topography but only on the origin of the diffusion ( surface or volume), exposure and detection conditions (wavelength, incidence, polarization, direction, ...) and the average refractive index of the media (incident and substrate).
  • n is the refractive index of the medium in which the measurement is made and ⁇ is the average wavelength of the radiation emitted by the source 10, ⁇ and ⁇ respectively representing the colatitute and longitude in spherical coordinates around the axis z.
  • ⁇ is the average wavelength of the radiation emitted by the source 10
  • ⁇ and ⁇ respectively representing the colatitute and longitude in spherical coordinates around the axis z.
  • the spatial frequency module can be scanned by changing the illumination wavelength, while the direction of the spatial frequency can be modified by means of a rotation of the object 18 around its normal (case of anisotropic surfaces).
  • the incident spatial frequency is therefore written: v 0 , t light water incident
  • the phase-shifter 20 it is possible to simply recover the Fourier transform h (y 0 ) from the knowledge of its real part and that, more conventional and obtained by the known measures of the prior art, of its modulus given by the square root of the roughness spectrum, with a sign uncertainty.
  • this requires a preliminary measurement with a single incident beam for an estimate of the roughness spectrum, and then a measurement in accordance with what has been previously described with a zero phase shift between the two incident beams.
  • the measuring apparatus includes the phase-shifter 20 and the latter is controlled so as to phase-link the two incident light beams F 1 and F 2 successively in a zero phase shift and in a phase-shift phase shift, it is still simpler to find the Fourier transform h (y 0 ) from the knowledge of its real part and its imaginary part, to an uncertainty of sign close.
  • the processing unit 24 is programmed to thus find the Fourier transform h (y 0 ) and then simply reconstitute the desired topography h (r) by a numerical calculation of inverse Fourier transform.
  • phase shifter 20 can be exploited by optimizing its potential for successive multiple measurements with predetermined successive phase shifts 77 £ for 1 ⁇ i ⁇ n and n as high as desired.
  • Such an optimization can for example be done by iteratively minimizing a distance between these two functions in order to make the theoretical function as close as possible to the set of measurements by varying the parameters p and ⁇ .
  • the argument ⁇ is again obtained at ⁇ near.
  • a complete reconstruction of the topography on the exposed surface of the object 18 must also advantageously vary the orientation in longitude of the incident spatial frequencies v 0 to scan in the direction and thus access the anisotropy of the two-dimensional surface observed. This is achieved by simply varying the values of the angle ⁇ , since the Fourier transform retains the rotations. For this, it suffices to rotate the object 18 around the axis z, for example by placing it on a motorized rotary plate 26, and to repeat the measurements for each plane of incidence.
  • a measuring method such as that of FIG. 2 can be implemented by the measuring apparatus of FIG. 1.
  • this method is described in accordance with the previously described measurement protocol according to which the two incident light beams F-1 and F 2 have a phase-shift successively zero and in phase opposition with each other by means of the phase-shifter.
  • the two incident light beams F- ⁇ and F 2 have a single phase shift ⁇ , for example zero, equal to ⁇ or other, knowing a preliminary measurement makes it possible to estimate the modulus of h (v Q ); the two incident light beams Fi and F 2 have a phase shift successively equal to any two values ⁇ - ⁇ and ⁇ 2 by means of the phase shifter 20; the two incident light beams Fi and F 2 have successive phase shifts equal to n arbitrary values 1t ..., ⁇ ⁇ using the phase shifter 20.
  • the object 18 is disposed on the motorized rotary plate 26.
  • the average emission wavelength ⁇ of the source 10 is set to a minimum value A min of scanning.
  • the source 10 emits a light beam F which is subdivided into two beams Fi and F 2 by the separator 12. These two light beams Fi and F 2 are brought to converge towards the light source. object 18 according to a common non-zero angle of incidence ⁇ , using the reflectors 14 and 16 and to present a phase shift successively zero and in phase opposition between them using the 20. These two incident light beams interfere with each other and produce a light beam F 3 scattered in the direction of the z axis towards the detector 22.
  • the detector 22 picks up the light beam F 3 , scattered in the direction of the z-axis, resulting successively from zero-phase and phase-phase interference.
  • the processing unit 24 calculates the value of the Fourier transform h (y 0 ) using its real and imaginary parts obtained for the current values of the plane of incidence and the average emission wavelength.
  • step 1 if the average emission wavelength ⁇ has not yet reached its maximum scanning value A max , it is incremented by a wavelength step ⁇ in a step 1 12 and the process resumes in step 104. Otherwise the process proceeds to another test step 1 14.
  • the motorized rotary plate is actuated by a longitude step ⁇ around the z axis during a step 1 16 and the process resumes in step 102. Otherwise the process proceeds to a final processing step 1 18.
  • the processing unit 24 calculates the topography value h (r) of the object 18 by inverse Fourier transform of the known function h (y Q ) in all its values computed at successive steps 108.
  • a measuring apparatus with its mode of operation makes it possible to simply reconstruct the topography of a surface of an object from far-field scattering measurements, provided that the roughness of the object is sufficiently weak in front of the incident average wavelength. It also remains exploitable for isolated fault measurements on a surface, or for index heterogeneities, provided that the diffusion remains weak in front of the incident flux.
  • steps 104, 106 and 108 can easily be adapted according to the measurement protocol chosen.

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Abstract

Cette installation comprend un objet (18) et un appareil de mesure d'un état de surface ou de volume de cet objet (18). L'appareil comporte un dispositif (10, 12, 4, 16, 20) d'exposition de l'objet à au moins un faisceau d'ondes, un détecteur (22) d'ondes diffusées en champ lointain par l'objet dans au moins une direction pour la fourniture d'au moins un signal de mesure, et une unité de traitement (24) dudit au moins un signal de mesure pour en extraire une information sur l'état de surface ou de volume de l'objet. Le dispositif d'exposition (10, 12, 14, 16, 20) est conçu pour engendrer deux faisceaux d'ondes (F1, F2) temporellement cohérents et liés en phase, d'incidences non normales sur l'objet et symétriques l'une de l'autre. Le détecteur (22) est placé de manière à détecter les ondes résultantes diffusées (F3) après interférence dans la direction (z) de la normale à la surface ou au volume exposé et l'unité de traitement (24) est programmée pour reconstituer une topographie de la surface ou du volume de l'objet exposé (18) par un calcul de transformée de Fourier inverse à partir du signal de mesure.

Description

INSTALLATION ET PROCEDE DE MESURE D'UN ETAT DE SURFACE OU DE VOLUME D'UN OBJET PAR DIFFUSION EN CHAMP LOINTAIN
La présente invention concerne une installation et un procédé de mesure d'un état de surface ou de volume d'un objet par diffusion d'ondes en champ lointain.
De nombreux appareils et procédés sont connus pour, selon différentes technologies, mesurer un état de surface ou de volume, notamment un paramètre de rugosité, de façon non destructive et si possible non invasive. Ils sont en particulier utilisés pour l'analyse fine d'une rugosité de pièces à surfaces polies. Les ondes employées peuvent s'étendre du domaine électromagnétique, incluant les rayonnements lumineux d'ondes visibles, au domaine des ondes de pression, incluant les ondes acoustiques et mécaniques. Les mesures d'états de surfaces, ou plus rarement d'états de volumes, sont par exemple stratégiques en optique de précision.
L'invention s'applique ainsi avantageusement au contrôle de qualité dans des chaînes de fabrication de pièces mécaniques en série pour lesquelles une qualité élevée de l'état de surface est requise et nécessite une vérification précise, pour détecter par exemple tout défaut de polissage. Elle s'applique également avantageusement à l'étalonnage des procédés de polissage, qui sont eux aussi indispensables pour limiter les pertes par diffusion lumineuse dans les composants optiques (multicouches, réseaux, cristaux photoniques, ...). Par ailleurs, au vu de l'importance croissante de l'optronique dans l'industrie, notamment pour les télécommunications, les procédés de mesures ou la construction d'ordinateurs à base de composants optroniques, on comprend qu'il est nécessaire de disposer d'un appareil fiable permettant la mesure rapide d'un état de surface ou de volume d'un objet.
D'une façon plus générale, un caractère stratégique similaire apparaît dans des domaines industriels aussi variés que les textiles, le biomédical (par exemple pour une analyse de la peau), le papier, la sécurité, la microélectronique, la micromécanique, l'observation satellitaire, etc.
Les différentes technologies employées pour un contrôle rapide des états de surfaces ou de volumes comportent, de façon non exhaustive :
- la microscopie électronique, qui présente l'inconvénient d'être invasive,
- la microscopie optique, - la microscopie de champ proche,
- la profilométrie laser ou mécanique,
- la mesure par diffusion d'ondes en champ lointain.
Par rapport à une source émettrice d'ondes de longueur d'onde λ, la plus grande dimension de cette source étant notée d, la zone de champ proche est communément considérée comme située en deçà de la distance 2d2/X, alors que la zone de champ lointain est située au-delà de cette distance 2d2/X. En champ lointain notamment, il peut être considéré que les ondes émises sont localement planes.
Les techniques de diffusion en champ lointain, notamment les techniques de diffusion lumineuse, sont très prisées en optique de précision parce qu'elles sont non invasives et permettent d'exploiter les conséquences des phénomènes de diffusion relevant des théories ondulatoires pour retrouver, de manière quasiment instantanée, une image dérivée de la surface de l'objet examiné faisant ressortir des irrégularités telles que des rugosités qui seraient totalement invisibles à l'œil nu. De nombreux appareils de mesure ont été développés selon ces techniques.
L'invention s'applique plus particulièrement à une installation comprenant un appareil de mesure d'un état de surface ou de volume d'un objet de ce type, comportant ainsi :
- un dispositif d'exposition de l'objet à au moins un faisceau d'ondes, - un détecteur d'ondes diffusées en champ lointain par l'objet dans au moins une direction pour la fourniture d'au moins un signal de mesure, et
- une unité de traitement dudit au moins un signal de mesure pour en extraire une information sur l'état de surface ou de volume de l'objet.
Mais un tel appareil de mesure ne permet pas de reconstituer une topographie de la surface ou du volume de l'objet exposé, ou en tout cas pas de façon simple. Il ne donne généralement accès qu'à un spectre de rugosité qui est proportionnel au carré du module de la transformée de Fourier de la topographie ou à une fonction d'autocorrélation qui est la transformée de Fourier inverse de ce spectre. Un autre paramètre de rugosité, représentant l'écart-type de la topographie, peut alors être obtenu par intégration du spectre précité sur une bande passante de mesure prédéfinie, mais c'est un paramètre global. Tout cela est dû au fait que la mesure de diffusion fournit des informations sur l'intensité des ondes émises, sans autre information sur leur amplitude complexe ou leur phase. Dans ces conditions, il n'est pas possible de reconstruire la topographie de la surface, et l'on doit se contenter des moments statistiques précités. Par « topographie », on entend une fonction surfacique ou volumique du relief exposé : par exemple une fonction de type z = h(x, y) en coordonnées cartésiennes ou z = h(r, q>) = h(r) en coordonnées cylindriques (r étant une représentation vectorielle des coordonnées polaires r, φ).
Une solution pour retrouver une estimation de la topographie de surface ou de volume est par exemple enseignée dans l'article de Zerrad et al, intitulé « Spatially resolved surface topography retrieved from far-field intensity scattering measurements », publié dans Applied Optics, vol. 53, n° 4, 1 er février 2014. Le principe enseigné dans ce document, consistant à subdiviser une région observée en sous-régions constituant des pixels et à détecter la lumière diffusée indépendamment par chaque pixel à l'aide d'une caméra CCD (de l'anglais « Charge-Coupled Device »), permet d'obtenir un paramètre de rugosité par pixel et de remonter ensuite à l'information de topographie. Ce principe reste malgré tout assez complexe et fournit essentiellement des informations sur la stationnarité de la rugosité.
II peut ainsi être souhaité de concevoir un appareil de mesure d'un état de surface ou de volume d'un objet par diffusion d'ondes en champ lointain qui permette de s'affranchir d'au moins une partie des problèmes et contraintes précités.
Il est donc proposé une installation comprenant un objet et un appareil de mesure d'un état de surface ou de volume de cet objet, comportant :
- un dispositif d'exposition de l'objet à au moins un faisceau d'ondes,
- un détecteur d'ondes diffusées en champ lointain par l'objet dans au moins une direction pour la fourniture d'au moins un signal de mesure, et
- une unité de traitement dudit au moins un signal de mesure pour en extraire une information sur l'état de surface ou de volume de l'objet, dans laquelle :
- le dispositif d'exposition est conçu pour engendrer deux faisceaux d'ondes temporellement cohérents et liés en phase de manière à pouvoir interférer en présentant au moins un déphasage prédéterminé entre eux, ces deux faisceaux d'ondes étant d'incidences non normales sur l'objet et symétriques l'une de l'autre par rapport à la normale à la surface ou au volume exposé,
- le détecteur est placé de manière à détecter les ondes résultantes diffusées après interférence dans la direction de la normale à la surface ou au volume exposé, et - l'unité de traitement est programmée pour reconstituer une topographie de la surface ou du volume de l'objet exposé par un calcul de transformée de Fourier inverse à partir du signal de mesure.
Autrement dit, l'unité de traitement est programmée pour obtenir par calcul une transformée de Fourier d'une topographie de la surface ou du volume de l'objet exposé à partir du signal de mesure et pour ensuite reconstituer cette topographie par un calcul de transformée de Fourier inverse de la transformée de Fourier calculée,
Il a en effet été découvert de façon surprenante qu'en provoquant de telles interférences dans les ondes diffusées orthogonalement à la surface ou au volume exposé, il devient simple d'estimer la transformée de Fourier de la topographie de surface ou volume de l'objet exposé à partir du signal mesuré et de la connaissance du déphasage prédéterminé. Ainsi, il est possible de reconstituer cette topographie de façon très simple, par un calcul de transformée de Fourier inverse exploitant le signal de mesure.
De façon optionnelle, le dispositif d'exposition comporte :
- une source d'ondes conçue pour l'émission d'un faisceau d'ondes de longueur de cohérence suffisante pour permettre une cohérence temporelle par séparation, et
- un séparateur du faisceau d'ondes émis par la source, disposé de manière à fournir lesdits deux faisceaux d'ondes temporellement cohérents et liés en phase en assurant une différence de trajet entre eux inférieure à la longueur de cohérence.
De façon optionnelle également, la longueur de cohérence suffisante est obtenue par émission d'un faisceau d'ondes de pureté spectrale inférieure à 1 %.
De façon optionnelle également, la source d'ondes est une source accordable à spectre large dont la longueur d'onde moyenne d'émission est réglable par balayage entre une valeur minimale et une valeur maximale.
De façon optionnelle également, un déphaseur accordable utilisé en mode cadencé est placé sur le trajet suivi par l'un des deux faisceaux d'ondes temporellement cohérents et commandé de manière à les lier en phase successivement selon plusieurs déphasages différents. En multipliant les déphasages successifs, on améliore par mesures successives la précision de l'estimation de la transformée de Fourier de la topographie de surface ou volume de l'objet exposé, de sorte que l'on améliore la précision de la reconstitution de topographie.
De façon optionnelle également, le détecteur est coordonné avec le déphaseur de manière à :
- lier les deux faisceaux d'ondes en phase successivement selon un déphasage nul et selon un déphasage en opposition de phase, et
- fournir en conséquence un signal de mesure successivement proportionnel au carré de valeurs de champ diffusé prenant la forme £V(0, v0) = 2 D(0, v0)■ Re[¾(v0)] et ET(0, v0) = 2 j D(0, v0) ■ Im[¾(v0)] , où la valeur « 0 » indique la valeur d'un paramètre de fréquence spatiale diffusée nulle dans la direction de la normale (z) à la surface ou au volume exposé, le paramètre v0 désignant la fréquence spatiale incidente variable en fonction de la longueur d'onde moyenne des deux faisceaux d'ondes temporellement cohérents et de leur angle commun d'incidence, D désignant un facteur indépendant de la microstructure et de la topographie de l'objet, h désignant la transformée de Fourier d'une fonction de topographie de la surface ou du volume de l'objet, Re la partie réelle d'un nombre complexe, Im la partie imaginaire d'un nombre complexe et j le nombre complexe imaginaire pur tel que j2=-1 .
Dans ce cas particulier, il est particulièrement simple d'estimer au signe près la transformée de Fourier de la topographie de surface ou volume de l'objet exposé à partir de ses parties réelle et imaginaire.
Ainsi, de façon optionnelle également, l'unité de traitement est programmée pour retrouver la transformée de Fourier h(v0) à partir de ses parties réelle et imaginaire et pour ensuite reconstituer ladite fonction de topographie par un calcul numérique de transformée de Fourier inverse. L'indétermination sur le signe de la transformée de Fourier peut être levée grâce à un algorithme de déroulement de phase.
De façon optionnelle également, un appareil de mesure d'une installation selon l'invention peut en outre comporter un plateau rotatif motorisé destiné à recevoir l'objet et disposé de manière à le faire tourner autour de la normale à la surface ou au volume exposé pour accéder à une anisotropie de surface ou de volume de l'objet. Cette rotation permet en effet de faire tourner la direction de la fréquence spatiale incidente, sans que le détecteur ne soit déplacé. De façon optionnelle également, le dispositif d'exposition est à émission de rayonnements électromagnétiques, notamment de rayonnements lumineux dans le domaine visible.
Il est également proposé un procédé de mesure d'un état de surface ou de volume d'un objet, comportant les étapes suivantes :
- exposition de l'objet à au moins un faisceau d'ondes,
- détection d'ondes diffusées en champ lointain par l'objet dans au moins une direction pour la fourniture d'au moins un signal de mesure, et
- traitement dudit au moins un signal de mesure pour en extraire une information sur l'état de surface ou de volume de l'objet,
dans lequel :
- l'exposition est conçue pour engendrer deux faisceaux d'ondes temporellement cohérents et liés en phase de manière à pouvoir interférer en présentant au moins un déphasage prédéterminé entre eux, ces deux faisceaux d'ondes étant d'incidences non normales sur l'objet et symétriques l'une de l'autre par rapport à la normale à la surface ou au volume exposé,
- la détection des ondes diffusées après interférence est réalisée dans la direction de la normale à la surface ou au volume exposé, et
- le traitement comporte un calcul de transformée de Fourier inverse à partir du signal de mesure pour reconstituer une topographie de la surface ou du volume de l'objet exposé.
Autrement dit, le traitement comporte l'obtention par calcul d'une transformée de Fourier d'une topographie de la surface ou du volume de l'objet exposé à partir du signal de mesure, puis un calcul de transformée de Fourier inverse de la transformée de Fourier calculée pour reconstituer cette topographie.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement la structure générale d'un appareil de mesure par diffusion en champ lointain, selon un mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 illustre les étapes successives d'un procédé de mesure mis en œuvre par l'appareil de la figure 1 . L'appareil de mesure illustré schématiquement sur la figure 1 comporte une source d'ondes 10, conçue pour l'émission d'un faisceau d'ondes de longueur de cohérence suffisante pour permettre une cohérence temporelle par séparation. Il s'agit par exemple d'une source de rayonnements lumineux dans le domaine visible. La longueur de cohérence suffisante est notamment obtenue par émission d'un faisceau lumineux cohérent F quasi monochromatique de pureté spectrale inférieure à 1 %, la pureté spectrale étant définie comme le rapport entre la largeur de bande spectrale et la fréquence moyenne du faisceau considéré. A cet effet, la source 10 peut être une source laser.
L'appareil de mesure comporte en outre un séparateur 12 du faisceau lumineux F émis par la source 10, disposé de manière à fournir deux faisceaux lumineux Fi et F2 temporellement cohérents et liés en phase. Dans l'exemple de la figure 1 , ces deux faisceaux sont divergents et émis selon deux directions symétriques par rapport à l'axe normal du séparateur 12.
Deux réflecteurs 14 et 16 sont respectivement disposés sur les deux trajets des deux faisceaux lumineux Fi et F2 pour les réorienter de sorte qu'ils convergent de nouveau vers la surface d'un objet 18 dont on souhaite mesurer l'état de surface, avec des incidences non normales sur l'objet 18 et symétriques l'une de l'autre par rapport à la normale à la surface exposée aux deux faisceaux.
La source lumineuse 10, le séparateur 12 et les réflecteurs 14, 16 constituent ainsi un dispositif d'exposition de l'objet 18 aux deux faisceaux lumineux F-ι et F2, ce dispositif d'exposition étant plus précisément conçu pour assurer une différence de trajet entre les deux faisceaux lumineux inférieure à leur longueur de cohérence. Dans l'exemple de la figure 1 , l'axe normal du séparateur 12 coïncide avec la normale à la surface de l'objet 18 exposée aux deux faisceaux lumineux F-ι et F2 et est noté z. La source lumineuse 10, le séparateur 12 et les réflecteurs 14, 16 sont disposés d'une façon symétrique par rapport à cet axe z de sorte que les deux trajets suivis par les deux faisceaux lumineux Fi et F2 sont également symétriques. La différence de trajet et le déphasage entre les deux faisceaux sont donc nuls lorsqu'ils arrivent à la surface de l'objet 18, à défaut d'autres éléments dans le dispositif d'exposition.
De manière générale, conformément à l'invention le dispositif d'exposition peut être conçu selon de nombreux modes de réalisation différents, sachant qu'il doit simplement engendrer deux faisceaux d'ondes temporellement cohérents et liés en phase de manière à pouvoir interférer en présentant au moins un déphasage prédéterminé entre eux, ces deux faisceaux d'ondes étant d'incidences non normales sur l'objet et symétriques l'une de l'autre par rapport à la normale à la surface ou au volume exposé. En particulier, l'un des deux faisceaux résulte avantageusement d'un dédoublement de l'autre ou est asservi par celui-ci. Il s'agit d'une condition connue en interférométrie.
De façon optionnelle, un déphaseur accordable 20, de type cristal liquide ou autre, est placé sur le trajet suivi par l'un des deux faisceaux lumineux F-\ et F2, par exemple sur le trajet du faisceau F-ι, entre le réflecteur 14 et l'objet 18. Il est avantageusement utilisé en mode cadencé pour améliorer la précision de la mesure. Par ailleurs, comme cela sera vu ultérieurement, il est commandé de manière à lier en phase les deux faisceaux lumineux Fi et F2 selon un seul déphasage prédéterminé arbitrairement choisi ou successivement selon plusieurs déphasages. Selon un protocole de mesure particulier, il peut être commandé de manière à lier en phase les deux faisceaux lumineux successivement selon un déphasage nul (i.e. aucun déphasage engendré par le déphaseur 20 dans l'exemple de disposition de la figure 1 ) et selon un déphasage en opposition de phase (i.e. un déphasage de π engendré par le déphaseur 20 dans l'exemple de disposition de la figure 1 ).
Dans un repère à coordonnées sphériques exprimées par rapport à l'axe z et au point central de convergence des deux faisceaux lumineux F-ι et F2 sur la surface de l'objet 18, l'angle commun d'incidence des deux faisceaux est noté Θ, et correspond à la colatitude, tandis que la longitude φ, est, par symétrie et par convention, égale à 0 pour le faisceau lumineux Fi et à π pour le faisceau lumineux F2.
L'appareil de mesure comporte en outre un détecteur 22 d'ondes lumineuses diffusées par l'objet 18 en champ lointain, disposé sur l'axe z entre l'objet 18 et le séparateur 12. Il fournit un signal de mesure à une unité de traitement 24 à laquelle il est connecté. Il est précisément placé de manière à détecter les ondes résultantes F3 diffusées après interférence dans la direction de la normale à la surface exposée aux faisceaux lumineux Fi et F2, c'est-à-dire dans la direction de l'axe z. La diffusion F3 résulte d'une superposition, dans la direction de l'axe z, des deux diagrammes de diffusion des deux faisceaux incidents Fi et F2.
A condition que la surface de l'objet 18 présente des rugosités faibles devant la longueur d'onde moyenne du rayonnement incident, de sorte qu'elle réfléchisse les rayonnements de façon quasi spéculaire, c'est-à-dire avec une faible diffusion, l'enseignement des articles de :
- Elson, intitulé « Theory of light scattering from a rough surface with an inhomogeneous dielectric permittivity », publié dans Physical Review B, volume 30, n° 10, pages 5460 à 5480 (novembre 1984), et
- Amra et al, intitulé « Comparison of surface and bulk scattering in optical multilayers », publié dans Applied Optics, volume 32, n° 28, pages 5492 à 5503 (octobre 1993),
montre que les modes de polarisation du champ diffusé E sont proportionnels à la transformée de Fourier h(y) de la fonction de topographie z = h(r) de la surface exposée de l'objet 18, où la variable vectorielle v désigne la fréquence spatiale.
Plus précisément, dans le domaine des rayonnements électromagnétiques, on montre que le champ E peut s'écrire pour chaque mode :
E{V, VQ) = D(v, vQ) - h(v - vQ),
où v0 désigne la fréquence spatiale incidente et où D est un facteur entièrement donné par la théorie électromagnétique au premier ordre, qui ne dépend pas de la microstructure de l'objet 18 et de sa topographie mais uniquement de l'origine de la diffusion (surface ou volume), des conditions d'exposition et de détection (longueur d'onde, incidence, polarisation, direction, ...) et de l'indice de réfraction moyen des milieux (incident et substrat).
nt que la fréquence spatiale v peut s'écrire
Figure imgf000011_0001
où n est l'indice de réfraction du milieu où s'exerce la mesure et λ est la longueur d'onde moyenne du rayonnement émis par la source 10, Θ et φ représentant respectivement les colatitute et longitude en coordonnées sphériques autour de l'axe z. On remarque notamment que l'on peut balayer le module de la fréquence spatiale v en balayant selon l'angle Θ ou selon la longueur d'onde λ et que l'on peut balayer son argument en balayant selon l'angle de longitude φ (l'argument étant même égal à φ). De façon pratique, eu égard au fait que le détecteur 22 reste avantageusement fixe, le module de la fréquence spatiale peut être balayé en modifiant la longueur d'onde d'éclairement, tandis que la direction de la fréquence spatiale peut être modifiée grâce à une rotation de l'objet 18 autour de sa normale (cas des surfaces anisotropes). La fréquence spatiale incidente s'écrit donc : v0,t ceau lumineux incident
V0,2 pour le faisceau lumineux incident F2.
Figure imgf000012_0001
Lorsque les deux faisceaux lumineux F-i et F2 présentent un déphasage prédéterminé noté η entre eux engendré par le déphaseur 20 sur le premier faisceau lumineux F-i , il en résulte un champ total diffusé :
ET(v, vQ) = Ε(ν, ν0 ί) + £(ν, v0,2)
= D(v, v0)■ h v - v0)■ exp(/?7) + D v, -v0)■ R y + v0), avec j tel que j2=-1 .
Conformément à l'invention, ce champ total diffusé est mesuré par le détecteur 22 dans la direction de l'axe z, c'est-à-dire pour 9=0, soit v = 0. Plus précisément, la mesure donne accès à une intensité représentée par le carré du champ total diffusé. Le champ dont le carré est mesuré par le détecteur 22 est donc : £T(0, v0) = £> (0, v0)■ ¾(-v0)■ exp(/J7) + D(0, -v„)■ ¾(v0).
Or il se trouve que le facteur D présente une symétrie telle que Z) (0, v0) =
Z)(0, -v0) et que la transformée de Fourier d'une fonction réelle présente une symétrie hermitienne (h(-v0) = h( Q)*), de sorte que :
£T(0, v0) = D (0, v„)■ [Κν0γ■ exp(/J7) + £(v0)].
En particulier, lorsque les deux faisceaux lumineux F-ι et F2 sont sans déphasage entre eux, il en résulte un champ total diffusé :
ET(0, v0) = D 0, v0)■ [K v0Y +
Figure imgf000012_0002
= 2 fl(0, v0)■ Re[¾(v0)].
De même, lorsque les deux faisceaux lumineux F^ et F2 sont en opposition de phase grâce à un retard de exp(Jn) engendré par le déphaseur 20 sur le premier faisceau lumineux F-ι , il en résulte un champ total diffusé :
£T(0, v0) = D (0, v0)■ [K(v0Y■ θχρ 'π) + ¾(v0)] = 2 j D(0, v0)■ Im[¾(v0)].
Il en résulte que l'astuce consistant à mesurer, dans l'axe de la normale à la surface de l'objet 18, les ondes diffusées par cette surface à partir de deux faisceaux incidents symétriques interférant en phase et/ou en opposition de phase permet d'obtenir une mesure proportionnelle au carré de la partie réelle et/ou imaginaire de la transformée de Fourier de la fonction de topographie z = h(r) de la surface de l'objet 18. Ainsi, sans le déphaseur 20, il est possible de retrouver simplement la transformée de Fourier h(y0) à partir de la connaissance de sa partie réelle et de celle, plus classique et obtenue par les mesures connues de l'art antérieur, de son module donné par la racine carrée du spectre de rugosité, à une incertitude de signe près. Cela nécessite cependant de réaliser une mesure préalable avec un seul faisceau incident pour une estimation du spectre de rugosité, puis une mesure conforme à ce qui a été décrit précédemment avec un déphasage nul entre les deux faisceaux incidents.
De façon équivalente, il est possible de retrouver simplement la transformée de Fourier h(y0) à partir de la connaissance de sa partie imaginaire et de celle de son module donné par la racine carrée du spectre de rugosité, à une incertitude de signe près. Cela nécessite également de réaliser une mesure préalable avec un seul faisceau incident pour une estimation du spectre de rugosité, puis une mesure conforme à ce qui a été décrit précédemment avec un déphasage égal à π entre les deux faisceaux incidents.
Enfin, lorsque l'appareil de mesure inclut le déphaseur 20 et que ce dernier est commandé de manière à lier en phase les deux faisceaux lumineux incidents F-i et F2 successivement selon un déphasage nul et selon un déphasage en opposition de phase, il est encore plus simple de retrouver la transformée de Fourier h(y0) à partir de la connaissance de sa partie réelle et de sa partie imaginaire, à une incertitude de signe près.
Dans tous les cas, l'unité de traitement 24 est programmée pour retrouver ainsi la transformée de Fourier h(y0) et pour ensuite reconstituer simplement la topographie souhaitée h(r) par un calcul numérique de transformée de Fourier inverse.
Dans tous les cas également, il subsiste une incertitude sur le signe de la partie réelle et/ou imaginaire de la transformée de Fourier de la fonction de topographie z = h(r) puisque la mesure ne permet d'accéder qu'au carré de cette partie réelle et/ou imaginaire. Cela revient à avoir une incertitude de π sur l'argument de la transformée de Fourier de la fonction de topographie z = h(r) et donc une incertitude de signe sur la transformée de Fourier elle-même. Mais comme la transformée de Fourier est une fonction continue, il suffit de choisir son signe arbitrairement pour reconstruire, par continuité, la topographie z = h(r). Plus précisément, l'indétermination sur la phase peut être levée par continuité à l'aide d'algorithmes bien connus de déroulement de phase. Le résultat sera z = ± h(r), ce qui veut dire que l'on obtiendra, soit la topographie, soit son négatif. Ceci n'est pas réellement un problème, et c'est une caractéristique que l'on retrouve par ailleurs en microscopie.
D'une façon plus générale, on peut mesurer conformément à l'invention, dans l'axe de la normale à la surface de l'objet 18, les ondes diffusées par cette surface à partir de deux faisceaux incidents symétriques interférant selon au moins un déphasage prédéterminé η quelconque. Si η est différent de 0 et ττ, cela ne permet pas d'obtenir une mesure proportionnelle au carré de la partie réelle et/ou imaginaire de la transformée de Fourier de la fonction de topographie z = h(r) de la surface de l'objet 18, mais on peut malgré tout estimer simplement la transformée de Fourier à partir des mesures et de la connaissance du déphasage prédéterminé η.
Concrètement, on accède à une mesure Μ(η) pouvant s'écrire de la façon suivante :
Μ{η) =
Figure imgf000014_0001
= 2 (|£(v0) |2 + Re[h{v0 ■ expC-yrç)]),
la grandeur |£>(0, v0) |2 étant mesurée et la grandeur |D(0, v0) |2 calculée.
En notant p le module de la valeur complexe h(vQ) et δ son argument (i.e. h y0) = p■ exp( 5)), l'écriture précédente se simplifie en :
Μ(η) = 2p2 [l + cos{25 - η)] = [2 cos (δ - |)] .
Cette écriture définit une fonction Μ(η) que l'on sait mesurer en fonction du paramètre η piloté par le déphaseur 20 et qui est par ailleurs dépendante des deux paramètres, module p et argument δ, de la transformée de Fourier h(y0).
Ainsi, il est possible de retrouver simplement la transformée de Fourier h(vQ) à partir de la connaissance d'une seule valeur de Μ(η) et de celle, plus classique et obtenue par les mesures connues de l'art antérieur, de son module p donné par la racine carrée du spectre de rugosité, à une incertitude de signe près.
En effet, il calculer : η + arccos
Figure imgf000014_0002
où δ est connu à π près. Cela nécessite cependant de réaliser une mesure préalable avec un seul faisceau incident pour une estimation du spectre de rugosité, puis une mesure conforme à ce qui a été décrit précédemment avec un déphasage η entre les deux faisceaux incidents. Bien sûr, pour η = 0, on retrouve une mesure proportionnelle au carré de la partie réelle de h(yQ) ne nécessitant pas de déphaseur 20. Pour η = ττ, on retrouve une mesure proportionnelle au carré de la partie imaginaire de h(y0).
Il est possible également de retrouver simplement la transformée de Fourier h(y0) à partir de deux mesures Μ(η-ι) et Μ(η2). Dans ce cas, il n'est plus nécessaire de réaliser une mesure préalable avec un seul faisceau incident pour une estimation du spectre de rugosité. On obtient effectivement un système de deux équations ^) = 2p2 [l + cos{25 - et Μ(η2) = 2p2 [l + cos{25 - η2)] à deux inconnues p et δ. On peut notamment obtenir δ à π près en résolvant par exemple analytiquement ou numériquement le rapport suivant :
MOh)/ (772) = [1 + cos(2ô - ηι)-\/[1 + cos(2ô - ¾)] .
Enfin, le déphaseur 20 peut être exploité en optimisant son potentiel de mesures multiples successives avec des déphasages successifs prédéterminés 77 £ pour 1 <i≤n et n aussi élevé qu'on le souhaite. On peut alors obtenir les paramètres p et δ de façon connue en soi par optimisation numérique en comparant la fonction analytique théorique Mth rj) = 2p2 [l + cos Zô— η)] avec la fonction discrète Mmes(ji) = {M(jii), l≤ i≤n}. Une telle optimisation peut par exemple se faire par minimisation itérative d'une distance entre ces deux fonctions pour rendre la fonction théorique aussi proche que possible de l'ensemble des mesures en faisant varier les paramètres p et δ. L'argument δ est là encore obtenu à π près.
Cette reconstitution de la topographie sur la surface exposée de l'objet 18 par calcul de transformée de Fourier inverse nécessite cependant de connaître la fonction h(vQ) sur toute une bande de fréquences spatiales v0. Or comme cela a été vu précédemment, le module de la variable vectorielle v0 dépend de l'angle d'incidence Θ, et de la longueur d'onde moyenne d'émission λ. Faire varier l'angle d'incidence Θ, nécessite de commander mécaniquement l'appareil de mesure, tandis que faire varier la longueur d'onde moyenne d'émission λ ne nécessite que de prévoir une source 10 accordable à spectre large ou une source blanche associée à un spectrophotomètre en entrée ou en sortie de l'appareil de mesure. La résolution du balayage en module des fréquences spatiales v0 est alors donnée par la plus petite longueur d'onde de ce spectre. On préférera donc généralement balayer en module la bande de fréquences spatiales en faisant varier le paramètre λ, d'autant plus que la dispersion d'indice est souvent négligeable dans la bande spectrale envisagée, et qu'il en est de même pour le facteur D.
Une reconstitution complète de la topographie sur la surface exposée de l'objet 18 doit en outre avantageusement faire varier l'orientation en longitude des fréquences spatiales incidentes v0 pour les balayer en direction et accéder ainsi à l'anisotropie de la surface bidimensionnelle observée. Cela s'obtient en faisant simplement varier les valeurs de l'angle φ, puisque la transformée de Fourier conserve les rotations. Pour cela, il suffit de faire tourner l'objet 18 autour de l'axe z, par exemple en le disposant sur un plateau rotatif motorisé 26, et de répéter les mesures pour chaque plan d'incidence.
Un procédé de mesure tel que celui de la figure 2 peut être mis en œuvre par l'appareil de mesure de la figure 1 . Par souci de simplicité, ce procédé est décrit en conformité avec le protocole de mesure décrit précédemment selon lequel les deux faisceaux lumineux incidents F-ι et F2 présentent un déphasage successivement nul et en opposition de phase entre eux à l'aide du déphaseur 20. Bien évidemment, il peut être adapté à tous les autres protocoles de mesure décrits précédemment, à savoir : les deux faisceaux lumineux incidents F-ι et F2 présentent un seul déphasage η quelconque, par exemple nul, égal à π ou autre, sachant qu'une mesure préalable permet d'estimer le module de h(vQ) ; les deux faisceaux lumineux incidents Fi et F2 présentent un déphasage successivement égal à deux valeurs quelconques η-ι et η2 à l'aide du déphaseur 20 ; les deux faisceaux lumineux incidents Fi et F2 présentent des déphasages successifs égaux à n valeurs quelconques 1t ..., ηη à l'aide du déphaseur 20.
Au cours d'une première étape d'initialisation 100, l'objet 18 est disposé sur le plateau rotatif motorisé 26. Le plan d'incidence est réglé à (φι,ι, φι^) = (Ο, π) .
Au cours d'une deuxième étape d'initialisation 102, la longueur d'onde moyenne d'émission λ de la source 10 est réglée à une valeur minimale Amin de balayage.
Ensuite, au cours d'une étape d'exposition 104, la source 10 émet un faisceau lumineux F qui est subdivisé en deux faisceaux Fi et F2 par le séparateur 12. Ces deux faisceaux lumineux Fi et F2 sont amenés à converger vers l'objet 18 selon un angle d'incidence non nul commun Θ, à l'aide des réflecteurs 14 et 16 et à présenter un déphasage successivement nul et en opposition de phase entre eux à l'aide du déphaseur 20. Ces deux faisceaux lumineux incidents interfèrent entre eux et produisent un faisceau lumineux F3 diffusé dans la direction de l'axe z vers le détecteur 22.
Ensuite, au cours d'une étape de détection en champ lointain 106, le détecteur 22 capte le faisceau lumineux F3, diffusé dans la direction de l'axe z, résultant successivement d'une interférence en déphasage nul et en opposition de phase des faisceaux lumineux incidents pour produire un signal de mesure successivement proportionnel aux carrés des valeurs de champ diffusé £V(0, v0) = 2 D(0, v0)■ Re[¾(v0)] et £T(0, v0) = 2; D(0, v0)■ Im[¾(v0)].
Ensuite, au cours d'une étape de traitement 108, l'unité de traitement 24 calcule la valeur de la transformée de Fourier h(y0) à l'aide de ses parties réelle et imaginaire obtenues pour les valeurs courantes du plan d'incidence et de la longueur d'onde moyenne d'émission.
Au cours d'une étape de test 1 10 suivante, si la longueur d'onde moyenne d'émission λ n'a pas encore atteint sa valeur de balayage maximale Amax, elle est incrémentée d'un pas de longueur d'onde Δλ au cours d'une étape 1 12 et le procédé reprend à l'étape 104. Sinon le procédé passe à une autre étape de test 1 14.
Au cours de l'étape de test 1 14, si tous les plans d'incidences n'ont pas encore été balayés, le plateau rotatif motorisé est actionné d'un pas de longitude Δφ autour de l'axe z au cours d'une étape 1 16 et le procédé reprend à l'étape 102. Sinon le procédé passe à une étape de traitement final 1 18.
Lors de cette étape de traitement final 1 18, l'unité de traitement 24 calcule la valeur de topographie h(r) de l'objet 18 par transformée de Fourier inverse de la fonction h(yQ) connue en toutes ses valeurs calculées aux étapes 108 successives.
II apparaît clairement qu'un appareil de mesure avec son mode de fonctionnement tel que celui décrit précédemment permet de reconstituer simplement la topographie d'une surface d'un objet à partir de mesures de diffusion en champ lointain, pour peu que la rugosité de l'objet soit suffisamment faible devant la longueur d'onde moyenne incidente. Il demeure également exploitable pour des mesures de défauts isolés sur une surface, ou pour des hétérogénéités d'indice, à condition que la diffusion demeure faible devant le flux incident.
On remarquera également que l'installation décrite précédemment ne nécessite pas de système imageur, ni d'objectif de microscope, ni de détecteur matriciel. On peut donc utiliser un détecteur monobloc ou une fibre optique, de façon analogue à ce qui est pratiqué pour l'imagerie à un pixel.
On notera par ailleurs que l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit précédemment.
En particulier, bien qu'il ait été décrit d'exploiter le paramètre λ aux étapes
102, 1 10 et 1 12 pour balayer les fréquences spatiales incidentes, c'est l'angle d'incidence Θ, qui pourrait en variante être exploité. Il est en outre toujours possible de remplacer le balayage en longueur d'onde par un éclairage en lumière blanche, à condition que le signal mesuré soit renvoyé, directement ou via une fibre optique, vers un spectrophotomètre puis vers un détecteur matriciel ou linéaire, afin qu'il puisse être analysé séparément pour chaque fréquence spatiale.
Comme indiqué précédemment également, les étapes 104, 106 et 108 peuvent être aisément adaptées en fonction du protocole de mesure choisi.
Par ailleurs, même si le mode de réalisation décrit précédemment concerne l'exposition d'un objet à des ondes lumineuses, les principes de l'invention s'appliquent à d'autres types d'ondes électromagnétiques ou de pression.
Par ailleurs également, il a été détaillé un mode de réalisation dans lequel l'état de surface d'un objet est reconstitué, mais l'invention s'applique également à la reconstitution d'états de volumes hétérogènes, pour peu que les variations aléatoires d'indices soient transverses.
Il apparaîtra plus généralement à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées au mode de réalisation décrit ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications au mode de réalisation exposé dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent à couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation comprenant un objet (18) et un appareil de mesure d'un état de surface ou de volume de cet objet (18), l'appareil de mesure comportant :
un dispositif (10, 12, 14, 16, 20) d'exposition de l'objet à au moins un faisceau d'ondes,
un détecteur (22) d'ondes diffusées en champ lointain par l'objet dans au moins une direction pour la fourniture d'au moins un signal de mesure, et
une unité de traitement (24) dudit au moins un signal de mesure pour en extraire une information sur l'état de surface ou de volume de l'objet,
caractérisée en ce que :
le dispositif d'exposition (10, 12, 14, 16, 20) est conçu pour engendrer deux faisceaux d'ondes (F-i , F2) temporellement cohérents et liés en phase de manière à pouvoir interférer en présentant au moins un déphasage prédéterminé entre eux, le dispositif d'exposition (10, 12, 14, 16, 20) étant configuré et disposé par rapport à l'objet (18) de telle sorte que ces deux faisceaux d'ondes (F^ F2) soient d'incidences non normales sur l'objet (18) et symétriques l'une de l'autre par rapport à la normale (z) à la surface ou au volume exposé, le détecteur (22) est placé par rapport à l'objet (18) de manière à détecter en champ lointain les ondes résultantes diffusées (F3) après interférence dans la direction de la normale (z) à la surface ou au volume exposé, et
l'unité de traitement (24) est programmée pour obtenir par calcul une transformée de Fourier d'une topographie de la surface ou du volume de l'objet exposé (18) à partir du signal de mesure et pour ensuite reconstituer cette topographie par un calcul de transformée de Fourier inverse de la transformée de Fourier calculée.
2. Installation selon la revendication 1 , dans laquelle le dispositif d'exposition (10, 12, 14, 16, 20) comporte : une source d'ondes (10) conçue pour l'émission d'un faisceau d'ondes (F) de longueur de cohérence suffisante pour permettre une cohérence temporelle par séparation, et
un séparateur (12) du faisceau d'ondes (F) émis par la source (10), disposé de manière à fournir lesdits deux faisceaux d'ondes (F^ F2) temporellement cohérents et liés en phase en assurant une différence de trajet entre eux inférieure à la longueur de cohérence.
3. Installation selon la revendication 2, dans laquelle la longueur de cohérence suffisante est obtenue par émission d'un faisceau d'ondes (F) de pureté spectrale inférieure à 1 %.
4. Installation selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle la source d'ondes (10) est une source accordable à spectre large dont la longueur d'onde moyenne d'émission est réglable par balayage entre une valeur minimale et une valeur maximale.
5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle un déphaseur accordable (20) utilisé en mode cadencé est placé sur le trajet suivi par l'un des deux faisceaux d'ondes (F-i , F2) temporellement cohérents et commandé de manière à les lier en phase successivement selon plusieurs déphasages différents.
6. Installation selon la revendication 5, dans laquelle le détecteur (22) est coordonné avec le déphaseur (20) de manière à :
lier les deux faisceaux d'ondes (F^ F2) en phase successivement selon un déphasage nul et selon un déphasage en opposition de phase, et
fournir en conséquence un signal de mesure successivement proportionnel au carré de valeurs de champ diffusé prenant la forme
£r(0, 0) = 2 D(0, v0) - Re[¾(v0)] et ET(0, v„) = 2j D 0, v„)■ Im[7i(vo)], où la valeur « 0 » indique la valeur d'un paramètre de fréquence spatiale diffusée nulle dans la direction de la normale (z) à la surface ou au volume exposé, le paramètre v0 désignant la fréquence spatiale incidente variable en fonction de la longueur d'onde moyenne des deux faisceaux d'ondes (F-i , F2) temporellement cohérents et de leur angle commun (θ,) d'incidence, D désignant un facteur indépendant de la microstructure et de la topographie de l'objet (18), h désignant la transformée de Fourier d'une fonction de topographie de la surface ou du volume de l'objet (18), Re la partie réelle d'un nombre complexe, Im la partie imaginaire d'un nombre complexe et j le nombre complexe imaginaire pur tel que j2=-1.
7. Installation selon la revendication 6, dans laquelle l'unité de traitement (24) est programmée pour retrouver la transformée de Fourier h(y0) à partir de ses parties réelle et imaginaire et pour ensuite reconstituer ladite fonction de topographie par un calcul numérique de transformée de Fourier inverse.
8. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comportant en outre un plateau rotatif motorisé (26) destiné à recevoir l'objet (18) et disposé de manière à le faire tourner autour de la normale (z) à la surface ou au volume exposé pour accéder à une anisotropie de surface ou de volume de l'objet (18).
9. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle le dispositif d'exposition (10, 12, 14, 16, 20) est à émission de rayonnements électromagnétiques, notamment de rayonnements lumineux dans le domaine visible.
10. Procédé de mesure d'un état de surface ou de volume d'un objet (18), comportant les étapes suivantes :
exposition (104) de l'objet à au moins un faisceau d'ondes, détection (106) d'ondes diffusées en champ lointain par l'objet dans au moins une direction pour la fourniture d'au moins un signal de mesure, et
traitement (108, 1 18) dudit au moins un signal de mesure pour en extraire une information sur l'état de surface ou de volume de l'objet, caractérisé en ce que :
l'exposition (104) est conçue pour engendrer deux faisceaux d'ondes (F-i , F2) temporellement cohérents et liés en phase de manière à pouvoir interférer en présentant au moins un déphasage prédéterminé entre eux, et en outre conçue pour que ces deux faisceaux d'ondes (F-ι , F2) soient d'incidences non normales sur l'objet (18) et symétriques l'une de l'autre par rapport à la normale (z) à la surface ou au volume exposé,
la détection (106) des ondes diffusées (F3) est réalisée en champ lointain après interférence dans la direction de la normale (z) à la surface ou au volume exposé, et le traitement (108, 1 18) comporte l'obtention par calcul d'une transformée de Fourier d'une topographie de la surface ou du volume de l'objet exposé (18) à partir du signal de mesure, puis un calcul (1 18) de transformée de Fourier inverse de la transformée de Fourier calculée pour reconstituer cette topographie.
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Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4714348A (en) * 1985-12-23 1987-12-22 International Business Machines Corporation Method and arrangement for optically determining surface profiles
JP2003281499A (ja) * 2002-03-19 2003-10-03 National Aerospace Laboratory Of Japan 陰影画像からの平坦地検出方法
US20040105100A1 (en) * 1996-02-12 2004-06-03 Lyle Shirley Apparatus and methods for surface contour measurements
US20080278729A1 (en) * 2007-05-08 2008-11-13 Min Young Kim Multi-directional projection type moire interferometer and inspection method of using the same
US7538891B1 (en) * 2005-09-30 2009-05-26 California Institute Of Technology Surface characterization based on lateral shearing of diffracted wave fronts to measure in-plane and out-of-plane displacement gradient fields
WO2009141838A1 (fr) * 2008-05-19 2009-11-26 Zhermack S.P.A. Procédé de mesure sans contact d’objets à forme de surface, notamment pour des parties d’arcade dentaire ou de parties dentaires
US20120194823A1 (en) * 2011-01-28 2012-08-02 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate Spectral Phase Analysis For Precision Ranging
CN102322807B (zh) * 2011-08-05 2013-04-24 北京交通大学 一种物体动态三维变形的实时测量方法
WO2015037797A1 (fr) * 2013-09-10 2015-03-19 Kim Sung Moo Dispositif et procédé de mesure de forme tridimensionnelle

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4714348A (en) * 1985-12-23 1987-12-22 International Business Machines Corporation Method and arrangement for optically determining surface profiles
US20040105100A1 (en) * 1996-02-12 2004-06-03 Lyle Shirley Apparatus and methods for surface contour measurements
JP2003281499A (ja) * 2002-03-19 2003-10-03 National Aerospace Laboratory Of Japan 陰影画像からの平坦地検出方法
US7538891B1 (en) * 2005-09-30 2009-05-26 California Institute Of Technology Surface characterization based on lateral shearing of diffracted wave fronts to measure in-plane and out-of-plane displacement gradient fields
US20080278729A1 (en) * 2007-05-08 2008-11-13 Min Young Kim Multi-directional projection type moire interferometer and inspection method of using the same
WO2009141838A1 (fr) * 2008-05-19 2009-11-26 Zhermack S.P.A. Procédé de mesure sans contact d’objets à forme de surface, notamment pour des parties d’arcade dentaire ou de parties dentaires
US20120194823A1 (en) * 2011-01-28 2012-08-02 The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate Spectral Phase Analysis For Precision Ranging
CN102322807B (zh) * 2011-08-05 2013-04-24 北京交通大学 一种物体动态三维变形的实时测量方法
WO2015037797A1 (fr) * 2013-09-10 2015-03-19 Kim Sung Moo Dispositif et procédé de mesure de forme tridimensionnelle

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AMRA ET AL.: "Comparison of surface and bulk scattering in optical multilayers", APPLIED OPTICS, vol. 32, no. 28, October 1993 (1993-10-01), pages 5492 - 5503
ELSON: "Theory of light scattering from a rough surface with an inhomogeneous dielectric permittivity", PHYSICAL REVIEW B, vol. 30, no. 10, November 1984 (1984-11-01), pages 5460 - 5480
ZERRAD ET AL.: "Spatially resolved surface topography retrieved from far-field intensity scattering measurements", APPLIED OPTICS, vol. 53, no. 4, 1 February 2014 (2014-02-01), XP001587800, DOI: doi:10.1364/AO.53.00A297

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