WO2022058236A1 - Dispositif et procédé de mesure d'interfaces d'un élément optique - Google Patents

Dispositif et procédé de mesure d'interfaces d'un élément optique Download PDF

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WO2022058236A1
WO2022058236A1 PCT/EP2021/074816 EP2021074816W WO2022058236A1 WO 2022058236 A1 WO2022058236 A1 WO 2022058236A1 EP 2021074816 W EP2021074816 W EP 2021074816W WO 2022058236 A1 WO2022058236 A1 WO 2022058236A1
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Sylvain PETITGRAND
Alain Courteville
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Fogale Nanotech
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Definitions

  • the present invention relates to a measuring device, for measuring the shape of interfaces of an optical element comprising a plurality of interfaces. It also relates to a method for measuring the shape of interfaces and for characterizing such an optical element.
  • the field of the invention is, in a non-limiting manner, that of optical control and measurement systems, in particular for the manufacture of optical elements.
  • optical elements such as lenses or objectives comprising several lenses
  • Optical elements such as optical assemblies or imaging lenses, generally consist of one or a plurality of lenses and possibly other components intended to shape optical beams. These components, or these lenses, can be assembled in the form of a stack in a support such as a barrel.
  • optical performance of such an optical element essentially depends on the manufacturing precision of the optical components (such as the lenses) that compose it, and on the precision with which they are positioned in the assembly, both in relation to their optical axes and their respective distances, if any.
  • a device and a method for controlling shapes of optical elements such as lenses are described in document US 9,658,129 B2.
  • the shapes of surfaces are measured using an interferometric technique, in particular to determine the vertex or the apex.
  • this device requires rotating the lens to measure both sides. It therefore only allows the measurement of individual components, before they are assembled.
  • An object of the present invention is to overcome these drawbacks.
  • Another object of the present invention is to propose a measuring device and method making it possible to measure simultaneously, or in the same measuring sequence, the shapes and/or the positions of at least two different interfaces.
  • Another object of the present invention is to propose a device and a method of measurement making it possible to measure simultaneously, or in the same measurement sequence, the shapes and/or the positions of two different interfaces of the same optical element such as a lens.
  • Another object of the present invention is to provide a measuring device and method suitable for measuring or checking the shape and positioning of one or more interfaces in an optical element through other interfaces of this optical element.
  • Another object of the present invention is to provide a measuring device and method for measuring, optionally simultaneously or in the same measuring sequence, the forms of successive interfaces.
  • a measuring device for measuring the shape of interfaces to be measured of an optical element comprising a plurality of interfaces, the device comprising:
  • an interferometric device illuminated by said light source(s) and configured for: o form at least one measurement beam and at least two reference beams, o direct said at least one measurement beam towards the optical element so as to cross the interfaces to be measured, o direct the light coming from at least two interfaces to be measured towards the optical sensor(s), said optical sensor(s) being generally configured to selectively detect at least two interference signals respectively resulting from interference between the at least one measurement beam reflected by one of said at least two interfaces to be measured and one of the at least two reference beams; the measuring device further comprising:
  • - positioning means configured to position a coherence zone at each of the at least two interfaces to be measured
  • - digital processing means configured to produce, from the interference signals, information on the shape of each of said interfaces to be measured according to a field of view.
  • an “optical element” can designate any type of optical object, intended for example to be inserted into an optical beam, to shape an optical beam, and/or to produce an image. It can designate for example:
  • a single optical component such as a lens or a blade
  • an assembly of lenses and/or other optical components such as an imaging or camera lens, or a device for shaping an optical beam.
  • An optical element can in particular consist of, or comprise, refractive elements such as lenses.
  • the device according to the present invention makes it possible to perform measurements of interfaces of an optical element, and in particular of stacked interfaces, in order to deduce therefrom the topology of these interfaces.
  • These interfaces can for example comprise lens surfaces.
  • the measurements make it possible to determine, for example, the shapes and positions of the interfaces, or a inclination or decentring of a lens in the optical element. It is also possible to deduce thickness measurements and the refractive index of the material of a component lens from the optical element.
  • the device according to the present invention makes it possible to carry out these measurements for at least two interfaces simultaneously, or in the same measurement sequence, thanks to the presence of at least two reference arms in the interferometric device.
  • at least two distinct interference signals can be generated and detected simultaneously, or in the same sequence. It is for example possible to measure simultaneously or in the same sequence the two faces of an optical element, or the two interfaces on either side of a space between two components of an optical element, or even any interfaces of an optical element. Comparisons of positioning, shift, etc. of these interfaces are then possible under the best conditions.
  • Measurements can be made with a measurement beam from the interferometer illuminated by a low coherence light source.
  • the device according to the invention has positioning means for positioning a coherence zone at the level of each interface to be measured, so that the interface is included in the coherence zone.
  • the interfaces to be measured can be “buried” interfaces, that is to say, interfaces inside the optical element. To arrive at such buried interfaces, the measurement beam must therefore cross other interfaces of the optical element.
  • coherence zone is meant the zone in which interference between the measurement beam and a reference beam can form on the optical sensor.
  • the coherence zone can be moved by varying the difference in the length of the optical path between the two beams, for example by modifying the optical length of one of the measurement or reference beams, or of both.
  • the device according to the invention makes it possible to selectively detect an interference signal for each interface at the level of which a coherence zone is positioned, that is to say for each surface located in an area of consistency.
  • the coherence length of the light source is adjusted so as to be shorter than a minimum optical distance between two adjacent interfaces of the optical element.
  • a single interface is located in one of the coherence zones corresponding to a reference beam.
  • Each of the interference signals acquired therefore comprises only the contribution of a single interface, or originates from only a single interface.
  • the interference measurements are performed according to a field of view determined by the measurement means of the device.
  • the measurements can thus be carried out either in full field, or by sweeping the field of view.
  • Digital processing means of the device according to the invention are configured to produce, from each interference signal, information on the shape of a corresponding measured interface according to the field of view.
  • This shape information can comprise the optical shape and/or the geometric shape of the interface to be measured.
  • optical shapes or distances are the shapes or distances as they are “seen” by the measurement beam.
  • the distances or shapes of geometric surfaces are deduced therefrom by taking account in particular of the refractive index of the media traversed by the measurement beam.
  • the interference signal is representative of an "apparent" shape or distance insofar as it includes the contribution of the interface(s) crossed.
  • these interfaces are located between two media of different refractive index, and therefore deviate or modify the measurement beam by refraction and/or diffraction depending on their shape. It is therefore necessary to take into account the shape of these interfaces crossed, as explained below, to obtain the “real” optical and/or geometric shape of the measured interface.
  • the device according to the invention can be implemented, in particular, for measuring optical elements or optical assemblies during their production, for example lenses formed from lenses or microlenses such as smartphone lenses or for 'automobile industry.
  • the device according to the invention can also comprise means for determining, or measuring, a difference in optical paths between the reference beams.
  • the optical and/or geometric distance between the interfaces concerned can be obtained directly from the difference in optical paths between the reference beams, as measured, or known by internal adjustment.
  • This distance can be representative for example of the thickness of a lens, or the distance between two adjacent surfaces of two different components of the optical element.
  • the device according to the invention can comprise at least two delay lines each inserted in one of the reference beams.
  • the optical path difference is introduced between the reference beams by these delay lines.
  • the optical delay lines may comprise means making it possible to adjust in a precise and known manner, and/or to measure, the optical delay introduced into each of them, and/or the difference in optical paths introduced between the measurement and reference beams of the two interferometers.
  • the delay lines can comprise optical rulers or internal interferometers making it possible to measure the displacement of a mobile element such as a mirror.
  • the positioning means can also be configured to relatively position a conjugate object plane of an image plane of the sensor at or near an interface to be measured, or between the at least two interfaces to be measured. measure.
  • the object and image planes are conjugate planes of the imaging system of the interferometric device, which means in other words that the object plane is imaged in the image plane by the imaging system.
  • the invention it is thus possible to vary the focusing distance of the measurement beam, and/or the position of the interface to be measured relative to the measurement beam, so as to acquire interferometric signals for each interface with the measurement beam focused on the considered interface.
  • the interface to be measured is thus positioned in an object plane conjugate with the image plane of the interferometric sensor. This makes it possible in particular to optimize the optical power recoupled in the sensor. Also, by using an element collecting the measurement beam reflected from the interface with a large numerical aperture, it is possible to measure interfaces with higher local slopes. As a result, better shape measurements of the interfaces can be obtained.
  • the positioning of the interface to be measured in the object plane conjugate with the image plane of the sensor allows easier reconstruction of the surface to be measured, in particular by avoiding optical aberrations due to defocus.
  • the interfaces may not be positioned in a conjugate object plane of the sensor, but in the vicinity of this conjugate object plane. This can allow the introduction of a defocusing effect which can be desirable for certain signal processing techniques, such as digital holography. The defocus can then be taken into account and compensated by wave propagation algorithms.
  • the device according to the invention can comprise means for relative positioning of an object plane conjugate with an image plane of the sensor at or near an interface to be measured, or between the at least two interfaces to be measured. .
  • the interferometric device is of the Michelson or Linnik interferometer type.
  • the interferometric device is of the Mach-Zehnder interferometer type.
  • the device according to the invention may comprise a light source whose light is distributed between several distinct reference arms, so as to form several distinct reference beams.
  • the device according to the invention may comprise a plurality of light sources, each illuminating for example a reference arm.
  • the device according to the invention may in particular comprise two light sources with different wavelengths from each other.
  • the device according to the invention can comprise a plurality of optical sensors, each being illuminated by a separate reference beam.
  • the reference beams can have separate optical paths to the sensors.
  • the reference beams can have at least part of their optical path in common, and be separated by a separating element, for example polarizing or dichroic, before the optical sensors.
  • a separating element for example polarizing or dichroic
  • the device according to the invention may comprise an optical sensor illuminated by a plurality of reference beams.
  • the interference signals obtained with the different reference beams must be able to be distinguished. This distinction can be implemented in different ways.
  • the senor can be illuminated sequentially by the different reference beams, for example in the same measurement sequence. This can be achieved in particular with shutters in the reference arms or several light sources switched on sequentially.
  • the senor can comprise, for example at pixel level, color filters making it possible to separate interference signals obtained with sources of different wavelengths.
  • the senor can be illuminated by reference beams incident on this sensor at different angles, and preferably also different from the angle of incidence of the measurement beam. Off-axis interferometry configurations are thus produced, with interference signals which can be separated in the Fourier domain depending on the angle formed by the respective measurement and reference beams.
  • the device according to the invention can comprise a full-field imaging system, with one or more optical detectors of the imaging sensor or camera type making it possible to image interfaces of the optical element, or interferometric signals corresponding to an interface , according to a field of view. It may in particular comprise an optical imaging sensor with a CCD or CMOS type matrix detector.
  • the device according to the invention can be produced with optical components in free propagation, and/or comprise optical parts guided by waveguide and/or optical fibers.
  • the reference beams which do not contribute to the imaging of the optical element to be measured, can be produced at least partially with guided optical components or based on optical fibres.
  • a measuring method for measuring the shape of interfaces to be measured of an optical element comprising a plurality of interfaces, the method being implemented by a measuring device comprising at least one low coherence light source, at least one optical sensor, an interferometric device illuminated by said light source(s) and configured to (i) form at least one measurement beam and at least two reference beams , (ii) directing said at least one measurement beam towards the optical element so as to cross the interfaces to be measured, and (iii) directing the light coming from at least two interfaces to be measured towards the sensor(s) optic(s), the device further comprising positioning means and digital processing means, the method comprising the following steps:
  • the method according to the invention can also comprise interface analysis steps, by exploiting the shape information.
  • the method according to the invention can also comprise a step of determining, or measuring, a difference in optical paths between the reference beams.
  • the method can also comprise a step of determining an optical and/or geometric distance between interfaces to be measured, using the difference in optical paths between the reference beams obtained.
  • the method according to the invention is particularly effective for the analysis of optical elements, in particular comprising lenses.
  • the simultaneous shape measurement of two interfaces as well as the distance between them allows for example: to characterize or control the shape of a lens, by measuring the shape of the surfaces, the curvatures, the relative positions of the centers of curvature, the inclinations and the decentrations of the surfaces; to measure the relative position of two lenses in an assembly, including in particular the space between them, and the relative inclinations and offsets of these elements due for example to assembly faults.
  • the method according to the invention can further comprise a step of relative positioning of an object plane conjugate with an image plane of the sensor at or near an interface to be measured, or between the at least two interfaces to be measured.
  • This object plane can be positioned, for example, by exploiting information on reflectivity or recoupled optical power, on spatial frequencies in the image, or by using a priori knowledge or a model of the optical element.
  • the positioning of the coherence zones at the interfaces can, for example, be carried out by exploiting information on visibility or contrast of the interference signal, or by using a priori knowledge or a model of the optical element.
  • the method according to the invention may further comprise a step of positioning two or more coherence zones around a same interface, so as to define an origin position of the delay lines used to move these coherence zones.
  • the processing of the interferometric signals acquired for the successive interfaces can be carried out sequentially, between measurements on the different interfaces, or once all the interference signals, for all the interfaces, have been acquired.
  • the step of processing the interference signals comprises an analysis by profilometry of a plurality of interferograms acquired for the same interface to be measured.
  • the profilometry is based on the processing of sequences of interferograms acquired for a plurality of differences of optical paths in the interferometric sensor, and which constitute the interference signal. These sequences can be acquired in different ways depending on the analysis technique used.
  • the plurality of interferograms can in particular be acquired according to a phase shift interferometric method.
  • a plurality of interferograms is acquired for a plurality of optical path or phase difference values between the measurement and reference beams, in a range of optical path differences less than the coherence length of the light source.
  • the phase and possibly the amplitude of the interferogram are then determined at any point of the field of view by applying a known algorithm, such as the Square algorithm, to a succession of interference values obtained respectively at the points of this field of view for the different values of optical path differences.
  • the plurality of interferograms can also be acquired according to a vertical scanning interferometric method.
  • a plurality of interferograms is acquired for a plurality of optical path or phase difference values between the measurement and reference beams, in a range of optical path differences extending from preferably, beyond the coherence length of the light source.
  • One determines, at each point of the field of view, the optical path difference value for which the path difference between the measurement beam reflected on the interface and the reference beam is zero. For this, it is possible to detect for example the maximum amplitude of the envelope of the interferogram, or the position where the phase of the interferogram cancels out, at the point considered.
  • the interference signal processing step can implement a calculation method by digital holography.
  • An interference signal or interferogram is recorded. Then a digital holography method is used to reconstruct the considered interface digitally, by simulating the process of illumination of the interferogram on the detector with a digital reference wave.
  • a digital holography method is used to reconstruct the considered interface digitally, by simulating the process of illumination of the interferogram on the detector with a digital reference wave.
  • the step of processing the interference signals can further comprise a correction step taking into account shape information of the interfaces crossed by the measurement beam(s), to obtain optical shape information and/or geometric shape of the interfaces to be measured.
  • the optical shapes measured can also depend on the media and shapes of the interfaces crossed by the measurement beam before reaching these surfaces. buried, in particular due to changes in wavefronts and introduced aberrations. In this case, a correction must be applied to determine the actual optical or geometric shapes of the interfaces.
  • the method according to the invention can be implemented to measure the shapes and/or the positions of the interfaces of an optical element in the form of an optical assembly with lenses, such as a smartphone lens, the interfaces comprising the surfaces of the lenses.
  • FIG. 1 is a schematic representation of examples of optical elements to be measured, in particular by implementing the device of the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a first example of an interferometric device that can be implemented in the context of the present invention
  • FIG. 3 is a schematic representation of a second example of an interferometric device that can be implemented in the context of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic representation of a third example of interferometric device that can be implemented in the context of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic representation of a fourth example of interferometric device that can be implemented in the context of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic representation of a fifth example of interferometric device that can be implemented in the context of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic representation of a non-limiting exemplary embodiment of a measurement method according to the present invention.
  • Figure 1 is a schematic representation visualizing the principle of the measurements carried out within the framework of the present invention.
  • the element to be measured is an optical element 1000 constituted by one (FIG. 1(a)) or several (FIG. 1(b)) components 102 in the form of lenses.
  • the optical element 1000 can be, for example, a camera lens, or lenses intended for the manufacture of a camera lens.
  • the device and the method according to the invention make it possible to obtain a shape measurement of the respective surfaces or interfaces 103 of the optical element 1000, according to fields of view 108. They also make it possible to determine a distance 106 between interfaces 103 of the optical element 1000. This distance can correspond for example to a thickness of a component 102 of the optical element (FIG. la) or a distance between the assembled components 102 of the optical element 1000 (FIG. lb).
  • the fields of view 108 are positioned along a measurement axis which can correspond to an optical axis of the optical element 1000.
  • the measurement axis can also correspond to any measurement direction of the optical element 1000, in the case for example where it is translated or pivoted with respect to the measurement axis to perform shape measurements of the interfaces 103 by a technique of field reattachment or sub-pupils.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a device that can be implemented within the scope of the present invention.
  • the device 2000 represented in FIG. 2, is based on a double Michelson or Linnik interferometer, each interferometer being formed by a beam splitter element 204i, 2042, in the form of a cube or a splitter plate.
  • Each interferometer comprises a measurement arm which directs a measurement beam 206i, 2062, towards the optical element to be measured 1000, illustrated by a lens 102, and a reference arm with a reflector 205i, 2052, such as a mirror, to form a reference beam 216i, 2162.
  • the light source may comprise, for example, a superluminescent diode (in English: Super Luminescent Diode, SLD), a diode, a laser diode, a thermal light source (halogen lamp, etc.) or a supercontinuum source. It can also comprise a filtering device, for example with a grating and a slit, or interference filters, to adjust the coherence length, for example to a few tens or a few hundreds of microns.
  • the source can be arranged to emit in visible or near infrared wavelengths, around one or more wavelengths.
  • the beam splitter elements 204i, 2042 can of course be non-polarizing, or polarizing and associated with half-wave or quarter-wave plates to form lossless couplers.
  • the measurement 206i, 2062 and reference 216i, 2162 beams, reflected in the arms of the interferometers, are directed via the beam splitter elements 204i, 2042, towards two cameras 201i, 2012, respectively.
  • Each camera 201i, 2012 comprises an optical detector 202i, 2022 comprising a detection matrix, for example of the CMOS or CCD type.
  • the beams coming from the interferometers are separated by a detection separator element 203, so that the measurement beam 206i and the reference beam 216i from the first interferometer are incident on the first optical detector 202i only, and the measurement beam 2062 and the reference beam 2162 of the second interferometer are incident on the second optical detector 2022 only.
  • the light sources 212i, 2122 are centered around different wavelengths
  • the detection separator element 203 is a dichroic element. In each interferometer, when the difference in optical paths between the measurement beam and the reference beam is less than the coherence length of the source 212i, 2122, interference is obtained on the corresponding detector 202i, 2022.
  • the device 2000 also comprises a lens or a focusing objective 207, and tube lenses 209, arranged so as to be able to define, with the focusing objective 207, an object plane at the level of the element to be measured 1000 conjugate d an image plane formed on the optical detectors 202i, 2022 respectively.
  • the reference arms may further comprise a lens 210 which also defines, with the tube lenses 209, a reference object plane conjugate to the respective image planes of the optical detectors 202i, 2022.
  • the device 2000 is a full-field imaging device, which makes it possible to image interfaces 103 of the optical element to be measured 1000, or interference signals generated by interfaces 103, according to a field of view 108 which is determined by the field of view of the imaging system and by its numerical aperture at the level of the focusing objective 207. Indeed, to obtain a measurement, it is necessary that the reflection of the measurement beams 206i, 2062 on the interfaces 103 be recoupled in the imaging system.
  • the device 2000 also comprises optical elements for focusing the illumination beams coming from the light sources 212i, 2122 in the rear focal plane of the focusing objective 207.
  • the device 2000 also comprises a focus displacement means 208 whose function is to displace the conjugate object plane of the image planes formed by the sensors 202i, 2022 relative to the element to be measured 1000, so as for example to be able to position a plane object near or at different interfaces 103 located at different distances on the sensors 202i, 2022.
  • This focusing displacement means 208 can comprise a system for moving the focusing objective 207 or lenses of this objective, for example with a linear or helical translation device.
  • this movement means 208 can comprise a device or a translation stage for moving the device 2000 relative to the element to be measured 1000, or vice versa.
  • the device 2000 comprises optical delay lines 211i, 2112 to vary the respective optical lengths of the reference arms of the two optical interferometers. These delay lines can be produced by any means known to those skilled in the art.
  • the delay lines can be produced, for example, by means of a translation stage or other translation means moving the respective reference mirrors 205i, 2052 and the objectives 210 of the reference arm, so for example as to maintain the reference mirrors 205i, 2052 in conjugate object planes of the image planes formed respectively by the sensors 202i, 2022.
  • the optical delay lines 211i, 2112 make it possible to modify the optical length of the reference arm of the corresponding interferometer, so as to move, along the corresponding measurement beams, the coherence zone in which interference between the measurement beam and the reference beam can form on the corresponding detector 202i, 2022.
  • this coherence zone is positioned around an interface 103 of the element to be measured, it is possible to acquire interference signals in the measurable field of view 108 corresponding to this interface 103.
  • the optical delay lines 211i, 2112 can be adjusted separately, so as to position the coherence zones of the two interferometers on different interfaces 103 of the element to be measured 1000. It is thus possible to acquire simultaneously on the two detectors 202i, 2022 separate interferometric signals each corresponding to one of the interfaces, and process them separately to obtain, for example, shape information for each of the interfaces. It should be noted that in the context of the present invention, the interferometric signals originating from different interfaces can be processed independently, in order to deduce from each one different information, specific to the corresponding interface.
  • the coherence length of the light sources 212i, 2122 is chosen so as to be less than the distance between two interfaces of the object to be measured 1000, to avoid parasitic couplings.
  • the optical delay lines 211i, 2112 comprise means making it possible to measure the optical delay introduced into each of them, and/or the difference in optical paths introduced between the measurement and reference beams of the two interferometers. This can make it possible in particular to measure the distance or the optical thickness between the interfaces 103 of the measured element 1000, from the optical delay measurements introduced by each delay line 211i, 2112 to obtain interferometric signals corresponding to each of the interfaces.
  • the delay lines can comprise optical rulers or internal interferometers making it possible to measure the displacement of a mobile element such as a mirror.
  • the calibration of the assembly can be carried out by positioning the coherence zone of the two interferometers on the same interface, so as to superimpose them and define an equilibrium position.
  • the optical distance between two interfaces can then be measured from measurements of optical delay, or optical delay variation, introduced into each delay line from the equilibrium position.
  • the depth of field of the focusing lens 207 must be sufficient to obtain the signal from these interfaces 103.
  • these interfaces do not necessarily have to be positioned in a conjugate object plane of the sensors 202i, 2022. Indeed, this can introduce a defocusing effect which can even be desirable for certain processing techniques such as digital holography, and which can in any case be compensated for by algorithms of wave propagation.
  • the conjugate object plane of the image planes of the detectors 202i, 2022 can be, for example, positioned at the center of a lens 102 of the element to be measured 1000 with the focusing displacement means 208, so that the interfaces 103 to be measured are positioned on either side of this object plane.
  • the optical delay lines 211i, 2112 can comprise: modules inserted in transmission between the beam splitter element 204i, 2042 and the reference mirrors 205i, 2052, respectively, with one or more mobile reflectors; blades with a refractive index greater than 1 and of variable thickness; and/or optical fiber parts stretched by mechanical or piezoelectric means.
  • the device 2000 can comprise more than two interferometers.
  • the device 2000 can comprise a single camera 201 with a detector comprising color filters on the pixels, able to separate the light coming from the two sources 212i, 2122 of different wavelengths.
  • the device 2000 can comprise a single camera 201 and two light sources 212i, 2122 of the same wavelength, switched on sequentially, or a single source 212 and a switch element (optical switch) capable of directing the light from this source alternately to the two interferometers, for example in the same measurement sequence.
  • a switch element optical switch
  • Figure 3 is a schematic representation of another device that can be implemented within the scope of the present invention.
  • Device 3000 shown in Figure 3, includes most of the components of device 2000 of Figure 2. Thus, only the differences are detailed.
  • the device 3000 is based on a Michelson or Linnik low coherence interferometer, formed by a non-polarizing beam splitter element 204, in the form of a cube or a beam splitter.
  • the interferometer comprises a measurement arm which directs a measurement beam 206 towards the optical element to be measured 1000, illustrated by a lens 102.
  • It also comprises two reference arms formed by a polarizing reference beam splitter element 304, such as a polarizing cube, and two mirrors 205i, 2052 to form two reference beams 216i, 2162, from a beam coming from the beam splitter element 204
  • the light source 212 is configured to emit unpolarized or polarized light along an inclined axis (for example at 45 degrees) with respect to the axes of the polarizing reference beam splitter element 304.
  • At the output of the reference beam splitter element 304 polarizing two reference beams 216i, 2162 with orthogonal linear polarizations.
  • the two reference beams 216i, 2162 and the measurement beam 206 resulting from the reflections on the different interfaces 103 of the element to be measured 1000 are directed via the beam splitter element 204 and another splitter element detection polarizer 203 to two cameras 2011, 2012, each with an optical detector 202i, 2022 comprising a detection matrix, for example of the CMOS or CCD type.
  • the polarizing detection separator element 203 makes it possible to direct the first reference beam 216i, linearly polarized, towards the first camera 201i only, and the second reference beam 2162, also linearly polarized according to a polarization orthogonal to that of the first reference beam , to the second camera 2012.
  • This polarizing detection separator element 203 also makes it possible to separate the measurement beam 206 into two beams of orthogonal polarizations, each directed towards a camera 201i, 2012.
  • the device 3000 also comprises, like the device 2000, optical delay lines 211i, 2112 making it possible to vary the respective optical lengths of the arms or reference beams 216i, 2162 in different ways, and thus simultaneously position coherence zones at different positions along the measurement beam 206, for example on different interfaces 103 of an element 1000 to be measured.
  • the device 2000 it is possible to simultaneously acquire on the two detectors 202i, 2022 distinct interferometric signals each corresponding to one of the interfaces of the element to be measured 1000, and process them to obtain, for example, information shape for each of the interfaces, and/or distance between these interfaces.
  • Figure 4 is a schematic representation of another device that can be implemented within the scope of the present invention.
  • Device 4000 shown in Figure 4, is based on a low coherence Mach-Zehnder interferometer. It comprises a measurement arm which directs a measurement beam 206 towards the optical element to be measured 1000, and two reference arms, forming two interferometers, in which a first reference beam 216i and a second reference beam 2162 respectively propagate. .
  • the interferometer is illuminated by a low coherence light source 212 .
  • this source can comprise, for example, a superluminescent diode (SLD), a diode, a laser diode, a thermal light source (halogen lamp, etc.) or a supercontinuum source. It can also comprise a filtering device, for example with a grating and a slit, or interference filters, to adjust the coherence length to a few tens or a few hundreds of microns.
  • the source can be arranged to emit in visible or near infrared wavelengths, around one or more wavelengths.
  • the light from the source 212 is separated into a measurement beam 206 and into two reference beams 216i, 2162 by, respectively, a first and a second beam splitter element 421i, 4212, in the form of a cube or a separating blade.
  • the interferometer includes another combination splitter element 404 in the measuring arm, also in the form of a cube or a beam splitter, to direct the measuring beam 206 towards the element to be measured 1000, and transmit the light reflected by this element towards the detector.
  • another combination splitter element 404 in the measuring arm also in the form of a cube or a beam splitter, to direct the measuring beam 206 towards the element to be measured 1000, and transmit the light reflected by this element towards the detector.
  • the measurement beam 206 as reflected by the element to be measured 1000 and the reference beams 216i, 2162 are directed towards a camera 201 with a sensor 202 comprising a detection matrix, for example of the CMOS or CCD type.
  • the Mach-Zehnder interferometer can of course be made with non-polarizing elements, or polarizing elements and associated with quarter-wave or half-wave plates to make couplers without losses. It can also be made, at least partially, with optical fibers.
  • the device also comprises a lens or a focusing objective 207, and a tube lens 209, arranged so as to define an object plane conjugate with an image plane formed on the sensor 202.
  • device 4000 is a full-field imaging device, which makes it possible to image interfaces 103 of optical element 1000, or interference signals corresponding to interfaces 103, according to a field of view 108 which is determined by the field of view of the imaging system and by its numerical aperture at the level of the focusing objective 207. Indeed, to obtain a measurement, it is necessary that the reflection of the measurement beam 206 on the interfaces 103 be recoupled in the imaging system.
  • the device 4000 includes optical elements, such as the lens 420, to focus the illumination beam in the back focal plane of the focusing lens 207. It also includes optical elements, such as the lenses 410, to focus the reference beams 216i, 2162 in the back focal plane of tube lens 209.
  • the device 4000 also comprises a focus displacement means 208 whose function is to displace the conjugate object plane of the image plane formed by the sensor 202, so as for example to be able to position an object plane close to or at different interfaces 103 located at different distances on the sensor 202.
  • This focusing displacement means 208 can comprise a system for moving the focusing objective 207 or lenses of this objective, for example with a linear or helical translation device.
  • this focusing displacement means 208 can comprise a device or a translation stage for displacing the device 4000 relative to the optical element 1000, or vice versa.
  • Device 4000 further comprises optical delay lines 2111, 2112 to vary the respective optical lengths of the two reference arms of the two interferometers.
  • These delay lines can be produced by any means known to those skilled in the art. They can be produced, for example, by means of one or more translation plates or other translation means moving one or more mirrors or reflectors relative to each other.
  • the optical delay lines 2111, 2112 each make it possible to modify the optical length of the corresponding reference arm, so as to move, along the measurement beams, the coherence zone in which interference between measurement and reference beams can form on the detector 202.
  • this coherence zone is positioned around an interface 103 of the element to be measured, interference signals can be acquired in the measurable field of view 108 corresponding to this interface.
  • the optical delay lines 211i, 2112 can be adjusted separately, so as to position the coherence zones of the two interferometers on different interfaces 103 of the element to be measured. It is thus possible to acquire simultaneously on the detector 202 distinct interferometric signals each corresponding to one of the interfaces, and to process them separately to obtain, for example, shape information for each of the interfaces. It should be noted that in the context of the invention, the interferometric signals originating from different interfaces can be processed independently, in order to deduce from each one different information.
  • the coherence length of the source can be chosen so as to be less than the distance between two interfaces of the object to be measured, to avoid parasitic couplings.
  • the optical delay lines 211i, 2112 comprise means making it possible to measure the optical delay introduced into each of them, and/or the difference in optical paths introduced between the measurement and reference beams of the two interferometers. This can make it possible in particular to measure the distance or the optical thickness between the interfaces 103 of the measured element 1000, from the optical delay measurements introduced by each delay line 211i, 2112 to obtain interferometric signals corresponding to each of the interfaces .
  • the delay lines can comprise optical rulers or internal interferometers making it possible to measure the displacement of a mobile element such as a mirror.
  • the calibration of the assembly can be carried out by positioning the coherence zone of the two interferometers on the same interface, so as to superimpose them and define an equilibrium position.
  • the optical distance between two interfaces can then be measured from measurements of optical delay, or optical delay variation, introduced into each delay line from the equilibrium position. It should be noted, as previously, that it is thus possible to obtain high precision distance measurements because they are obtained from measurements of optical delay internal to the instrument. They are in particular exempt from the effects of vibrations or positioning errors of the interferometer with respect to the element to be measured, since they are obtained from simultaneous measurements of the interfaces considered.
  • the depth of field of the focusing lens 207 must be sufficient to obtain the signal from these interfaces 103.
  • these interfaces do not necessarily have to be positioned in a conjugate object plane of the detector 202. Indeed, this can introduce a defocusing effect which can even be desirable for certain processing techniques such as digital holography, and which can anyway be compensated by propagation algorithms .
  • the conjugate object plane of the image planes of the detector 202 can be, for example, positioned at the center of a lens 102 of the element to be measured 1000 with the focusing displacement means 208, so that the interfaces 103 to be measured are positioned on either side of this object plane.
  • the device 4000 is arranged according to an off-axis interferometry configuration, according to which the measurement beam 206 and the reference beams 216i, 2162 are incident on the detector 202 with different angles of incidence.
  • the reference beams 216i, 2162 are also incident on the detector 202 with a different angle of incidence. Since they are focused in the back focal plane of tube lens 209, they are incident on detector 202 as a parallel beam whose angular orientation can be precisely adjusted.
  • An interference signal with different spatial frequencies is thus obtained for each interferometer, which can then be separated in the Fourier plane, and demodulated to obtain a surface shape according to digital holography techniques as detailed below.
  • the optical delay lines 2111, 2112 can comprise: blades with a refractive index greater than 1 and of variable thickness; fiber optic parts stretched by mechanical or piezoelectric means.
  • the device 4000 can comprise more than two reference arms.
  • the device 4000 can comprise a switch element (optical switch) making it possible to direct the light from the source 212 alternately towards the two reference arms 216i, 2162, and/or a shutter making it possible to alternately interrupt the beams of reference. It is thus possible to form alternately, for example in the same measurement sequence, the interference signals corresponding to the two reference arms on the detector 202.
  • the reference beams 216i, 2162 can be incident on the detector 202 with the same or different angle of incidence.
  • Figure 5 is a schematic representation of another device that can be implemented within the scope of the present invention.
  • Device 5000 shown in Figure 5, includes most of the elements of device 4000. Therefore, only the differences are detailed.
  • Device 5000 differs from device 4000 in that it includes two short coherence length light sources 212i, 2122 operating at different wavelengths.
  • each source 212i, 2122 is split into a measurement beam 206i, 2062 and a reference beam 216i, 2162 by beam splitter elements 421i, 4212, respectively.
  • the device 5000 comprises two separate interferometers, each being illuminated by a different source, but whose measurement and reference beams are superimposed on the same detector 202.
  • the device 5000 is arranged, like the device 4000, according to an off-axis interferometry configuration, according to which the measurement beams 206i, 2062 and the reference beams 216i , 2162 are incident on the detector 202 with different angles of incidence. More precisely, in the example illustrated, the measurement beams 206i, 2062 are incident on the detector at normal incidence, and the reference beams 216i, 2162 are incident on the detector 202 with a different angle of incidence between them and different from that measurement beams 206i, 2062.
  • an interference signal is obtained with different spatial frequencies, which can then be separated in the Fourier plane, and demodulated to obtain a surface shape according to digital holography techniques as detailed below.
  • the optical sensor can be a monochrome sensor, or a sensor sensitive to color, which makes it possible to improve the separation of the wavelengths of the two sources.
  • the device 5000 can be configured according to an off-axis interferometry configuration with the reference beams 216i, 2162 incident on the detector 202 at the same angle of incidence;
  • the device 5000 can be configured according to an on-axis interferometry configuration, with the measurement beams 206i, 2062 and the beams reference 216i, 2162 incidents on the detector 202 according to a normal configuration.
  • two monochrome sensors can be implemented as well as a dichroic element making it possible to direct the light from each source 212i, 2122 towards a different sensor, in a manner similar to the embodiment of the device 2000 illustrated in Figure 2.
  • Figure 6 is a schematic representation of another device that can be implemented within the scope of the present invention.
  • Device 6000 shown in Figure 6, includes most of the elements of device 4000 of Figure 4. Thus, only the differences are detailed.
  • Device 6000 differs from device 4000 in that it includes two cameras 201i, 2012 with two detectors 202i, 2022.
  • the device 6000 also comprises two combination separator elements 404i, 4042 in the measurement arm, each being arranged to direct the measurement beam 206 coming from the element to be measured 1000, as well as only one of the reference beams 216i, 2162, to one of the detectors 202i, 2022.
  • each detector makes it possible to specifically detect the interference signal from one of the interferometers, according to an on-axis or off-axis interferometry configuration.
  • Figure 7 is a schematic representation of a non-limiting exemplary embodiment of a measurement method according to the invention, for performing measurements on at least two interfaces to be measured 103 of an optical element 1000.
  • the method 7000 shown in Figure 7, can be repeated iteratively to measure a plurality of interfaces of an optical element 1000, for example:
  • the method 7000 can also be repeated iteratively to measure different portions of the same interfaces, according to different angles and/or different measurement positions relative to the optical element 1000. This can make it possible, for example, to measure interfaces 103 of extended surfaces with respect to the field of view 108, and/or of strong curvature.
  • the method 7000 includes a step 712 of positioning a conjugate object plane of the image plane(s) of the optical sensor(s). This plan object is positioned, for example, at the interfaces to be measured 103, or close to or between these interfaces.
  • the positioning of the object plane can be carried out, for example, by varying the distance between the focusing objective 207 and the optical element to be measured 1000, and/or by varying the focusing distance of the focusing objective 207 or d other optical elements inserted into the measuring beam.
  • the detection of the optimum focusing distance can be performed based, for example, on a recoupled optical power maximum criterion, information on spatial frequencies of the image or a priori knowledge of the optical element 1000.
  • the method 7000 also includes a step 713 of positioning a coherence zone at the level, respectively, of each of the interfaces to be measured 103.
  • the coherence zones in which interference between measurement and reference beams can form are moved on the detector or detectors, by modifying the optical length of each reference arm. It is possible, for example, to move the reference mirrors 205i, 2052 of the devices 2000, 3000, or to vary the length of the delay lines 211i, 2112 of the devices 2000-6000 by any other means.
  • interference signals can be acquired in the measurable field of view 108.
  • the conjugate object plane of the image plane of the optical sensor(s) be judiciously placed relative to these interfaces to be measured 103, and that the depth of field of the objective of focus 207 is sufficient.
  • the positioning of the object plane carried out in step 712 can thus be carried out so as to optimize the interference signals originating from the interfaces 103 considered.
  • interferometric signals corresponding to the interfaces to be measured 103 around which the coherence zones corresponding to the reference beams have been positioned are detected, by means for example of the optical sensor(s) of the devices 2000-6000 .
  • At least two interference signals, resulting respectively interference between a measurement beam reflected by one of the interfaces to be measured and one of the reference beams, are detected selectively.
  • the optical shapes of these must be determined beforehand, and corrected for the effects of propagation.
  • all of the interference signals for each interface to be measured are digitally processed in order to deduce form information from these interfaces.
  • the optical and/or geometric shape of each interface is determined.
  • optical form is said to be "apparent” because it is affected by any interfaces crossed. It is deduced from interferometric measurements.
  • profilometric methods can be used to carry out step 716.
  • the profilometry is based on the processing of sequences of interferograms.
  • the measurement and reference beams are adjusted, preferably, so as to be incident on the detector with essentially parallel or coincident propagation directions, or slightly inclined, so as to produce interferograms in flat hues. or weakly modulated.
  • a first example of such a profilometric method implements algorithms based on phase stepping interferometry (PSI).
  • a plurality of interferograms (constituting the interference signal) is acquired for a plurality of optical path or phase difference values between the measurement beams and reference, in the source coherence length.
  • optical path or phase differences can be generated independently for two or more distinct interfaces, for example by using the delay lines of several distinct reference arms.
  • the phase and possibly the amplitude at any point of the field of view 108 of the interference signal thus constituted are determined by applying a known algorithm, such as the Square algorithm, to the succession of interferograms obtained at the point considered. for the different phase shifts, and by unfolding the phase thus obtained modulo 2 pi.
  • a known algorithm such as the Square algorithm
  • a set of measured phase difference values ⁇ p m i(rd) in the plane of the detector (or more precisely, of phase differences between the measurement and reference beams on the detector) is thus obtained, ra being a vector coordinates to points on the detector plane in a reference system (X, Y, Z).
  • n is the refractive index of the medium in which the measurement beam is reflected.
  • VSI vertical scan interferometry
  • a plurality of interferograms (constituting the interference signal) is acquired for a plurality of optical delays between the measurement and reference arms of the interferometer, in a range of optical delays s preferably extending beyond the coherence length of the light source.
  • optical path or phase differences can be generated independently for two or more distinct interfaces, using the delay lines of several distinct reference arms.
  • the optical delay for which the difference in optical paths between the measurement beam reflected on the interface / and the reference beam is zero is detected.
  • the optical shape Lmi(rd) of the surface is thus directly obtained, from which the geometric shape can be deduced as before.
  • a digital holography method may be used.
  • the measurement and reference beams are adjusted, preferably, so as to be incident on the detector with inclined directions of propagation, or forming an angle between them .
  • an interference signal, or interferogram, Imi is obtained on the detector. (rd) in which the phase information is encoded in a fringe grating in the beam tilt direction.
  • the interferogram on the detector can be represented by the following equation:
  • the first two terms correspond to the zero order, the third and fourth terms respectively to the real and virtual images.
  • ERETM FFT ⁇ FFT ⁇ l mi (.r d ))M), where FFT is the fast Fourier transform and FFT 1 its inverse. M is the filter applied in the frequency domain to filter the term corresponding to the real image so as to preserve the spatial frequencies present in the numerical aperture of the focusing objective.
  • Emi ⁇ Fd EupEjjEfni ⁇ r ⁇ ).
  • this step can also be carried out in the Fourier domain by translating the filtered image into baseband (around zero frequency).
  • the interferogram on the detector can be represented by the following equation: [Mathô] with [Math7] and [Math8]
  • Mi and Mj are the filters applied in the frequency domain to filter the term corresponding to the real image for the interface /, j considered.
  • the term corresponding to the real image Eki* fmi(rd) respectively, 5Rj*5mj(rd)
  • this step can also be carried out in the Fourier domain by translating the filtered image into baseband (around zero frequency).
  • optical or geometric shape obtained as described above is a shape as projected onto the detector. To obtain the actual optical or geometrical shape of the interface, it is still necessary to take into account the effect of the optical system between the interface and the detector.
  • the aberrations of the optical system can be done for example by calibration, by performing measurements on a mirror positioned in place of the optical element 1000. It is thus possible to determine an optical shape resulting from these aberrations, which can be subtracted from the measured optical shape. It is thus also possible to take into account the phase profile of the reference beam on the detector. This makes it possible to improve the precision of the shape measurement carried out by the method according to the invention. It should also be noted that if the interfaces to be measured are not positioned in a conjugate object plane of the detector, an additional optical aberration is introduced due to the defocusing which must be taken into account in the calculations.
  • the detector is not exactly in a conjugate image plane of the object plane of an interface
  • the interfaces of the optical element 1000 traversed by the measurement beam(s) before an interface / considered 103 also modify the propagation of the measurement beam. They must therefore be taken into account to obtain information on the real optical or geometric shape of the interface /.
  • the processing step 716 can therefore include a correction step to take account of the media traversed by the measurement beam. This correction can be applied to the optical or geometric shapes obtained previously.
  • this correction step is carried out by the use of models of propagation of electromagnetic waves through of the different materials and interfaces up to the interface / considered, including all the optical components of the interferometer and the interfaces of the optical element to be measured 1000 crossings.
  • each interface 103 measured is positioned in an object plane conjugate with the image plane of the detector by the optical system present between the two. This can be obtained either by measuring it in the object plane conjugate of the image plane of the detector, or by repropagating the measurement in an image plane conjugate of the plane of the interface to correct the defocusing errors. Under these conditions, an image of the interface can be obtained with a relationship between these object and image planes which can be modeled by a simple magnification G, as explained previously.
  • magnification between the image plane and the object plane corresponding to each interface depends on the interfaces of the optical element 1000 traversed by the measurement beam up to the interface considered.
  • magnification is essentially determined by the optical system of the interferometer, such as for example the focusing objective 207 and the tube lens 209, due to their high optical power, one can assume a known and identical magnification G between the image plane and the object planes positioned at the different interfaces.
  • the electromagnetic field 5mi(r d ) reflected on the first interface of the optical element to be measured and incident on the detector can be written [Mathll] where q>mi(r d ) is the phase due to reflection on the first interface, as detected by one of the interferometric methods previously described in positioning the coherence zone and the conjugate object plane of the image plane of the detector on the first interface.
  • [Mathl4] is the apparent phase, as measured, which includes terms depending on the measured interface and the previous interface crossed by the measurement beam to reach the measured interface. Insofar as we know q>mi(rd), determined previously, we can therefore determine
  • the corrected, or real, optical shape of the second interface can be determined as follows: [Mathl5]
  • the correction step is carried out by calculating a point spread function (“Point Spread Function” in English, PSF) or an optical transfer function (in the Fourier domain) of the optical system crossed by the measurement beam up to the interface / considered, including all the optical components of the interferometer and the interfaces of the optical element to be measured crossed.
  • a point spread function (“Point Spread Function” in English, PSF) or an optical transfer function (in the Fourier domain) of the optical system crossed by the measurement beam up to the interface / considered, including all the optical components of the interferometer and the interfaces of the optical element to be measured crossed.
  • the correction step can be performed using design information about the optical element, when available. It is for example possible to use design information, such as the shapes or the nominal curvatures of interfaces, to correct the effect of the interfaces traversed by the measurement beam by implementing for example one of the models described previously. It is thus possible, for example, to validate the shape of an interface in a field of view with a measurement, then to use the complete nominal shape (in particular for aspherical or “freeform” shapes) to correct the measurements of the following interfaces. It is also possible, for example, to use a nominal interface shape, but positioned along the optical axis according to the measurements.
  • the correction step is carried out sequentially, in the order of the interfaces crossed by the optical element.
  • the corrected optical and/or geometric shapes of the previous interfaces through which the measurement beam passes are available.
  • the correction step can be carried out according to different sequences.
  • the geometric shapes of the interfaces and the thicknesses of the components can be determined from the shapes and optical thicknesses by knowing the materials of the element to be measured or at least their indices of refraction.
  • the actual geometrical positions and shapes of the interfaces can be determined sequentially, for each interface measurement. This can make it possible, for example, to use this information to calculate the propagation of the light passing through them for the measurement of the following interfaces.
  • optical element It is also possible to completely characterize the optical element to be measured in terms of optical quantities, without a priori knowledge concerning the materials. It is therefore possible to determine all the optical shapes and optical positions of interfaces corrected for the effects of propagation, then to calculate the geometric shapes and dimensions of the optical element in a subsequent step.
  • the method 7000 also includes a step 718 of obtaining distance information between the measured interfaces 103.
  • this step 718 can be carried out by measuring the difference in optical paths between the reference beams used to measure the interfaces concerned.
  • positioning information from at least one of the delay lines of the measuring device can be exploited, as explained in relation to the description of the devices 2000 to 6000.
  • the distance information can correspond, for example, to a thickness of a component such as a lens, or to a distance between two components.
  • This distance information can be optical, or, taking into account the refractive index of the media crossed, geometric.
  • this distance information can be obtained by any other means, such as an additional interferometer directly measuring the position of the interfaces 103 along a measurement axis.
  • the method 7000 further comprises a step 720 of analyzing the interfaces, by exploiting the shape information obtained in the processing step 716 of the method 7000 and possibly the distance information of step 718. It is for example possible to obtain: measurements of decentration and/or inclination of each interface with respect to a global frame of reference, such as an optical axis of the optical element; measurements of relative position, distance, offset and/or inclination of each measured interface relative to the others.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif pour mesurer la forme d'interfaces d'un élément optique, comprenant : - au moins une source lumineuse à faible cohérence; - au moins un capteur optique; - un interféromètre pour : former au moins un faisceau de mesure et au moins deux faisceaux de référence, diriger l'au moins un faisceau de mesure vers l'élément optique de sorte à traverser les interfaces, diriger la lumière issue d'au moins deux interfaces vers l'au moins un capteur, l'au moins un capteur étant configuré pour détecter sélectivement au moins deux signaux d'interférences entre l'au moins un faisceau de mesure réfléchi par une interface et l'un des faisceaux de référence; - des moyens pour positionner une zone de cohérence au niveau de chacune des au moins deux interfaces; - des moyens pour produire, à partir des signaux, une information de forme de chaque interface.

Description

Dispositif et procédé de mesure d'interfaces d'un élément optique
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de mesure, pour mesurer la forme d'interfaces d'un élément optique comprenant une pluralité d'interfaces. Elle concerne également un procédé de mesure de forme d'interfaces et de caractérisation d'un tel élément optique.
Le domaine de l'invention est, de manière non limitative, celui des systèmes de contrôle et de mesure optiques, notamment pour la fabrication d'éléments optiques.
Etat de la technique
Lors de la fabrication d'éléments optiques, tels que des lentilles ou des objectifs comportant plusieurs lentilles, il peut être nécessaire de contrôler ou mesurer des formes des interfaces, ou surfaces, des éléments optiques.
Les éléments optiques, tels que des assemblages optiques ou des objectifs d'imagerie, sont en général constitués d'une ou d'une pluralité de lentilles et éventuellement d'autres composants destinés à mettre des faisceaux optiques en forme. Ces composants, ou ces lentilles, peuvent être assemblés sous forme d'empilement dans un support tel qu'un barillet.
Les performances optiques d'un tel élément optique, par exemple un objectif d'imagerie, dépendent essentiellement de la précision de fabrication des composants optiques (tels que les lentilles) qui le composent, et de la précision avec laquelle ils sont positionnés dans l'assemblage, tant par rapport à leurs axes optiques que leurs distances respectives, le cas échéant.
Il est donc nécessaire de contrôler les composants et leurs assemblages. En particulier, dans un assemblage il peut être nécessaire de contrôler la forme des interfaces des composants optiques ou des lentilles, en vue de déterminer par exemple des éléments non conformes ou mal positionnés, déformés, ou inclinés.
Un dispositif et un procédé pour contrôler des formes d'éléments optiques tels que des lentilles sont décrits dans le document US 9,658,129 B2. Les formes de surfaces sont mesurées en utilisant une technique interférométrique, notamment pour en déterminer le sommet ou l'apex. Toutefois, ce dispositif nécessite de tourner la lentille pour mesurer les deux faces. Il ne permet donc que la mesure de composants individuels, avant qu'ils soient assemblés.
Exposé de l'invention
Un but de la présente invention est de pallier ces inconvénients.
Il est notamment un but de l'invention de proposer un dispositif et un procédé de mesure, pour mesurer la forme d'interfaces ou de surfaces d'un élément optique, ce dispositif et ce procédé permettant notamment des mesures d'interfaces dans un assemblage optique.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif et un procédé de mesure permettant de mesurer simultanément, ou dans une même séquence de mesure, les formes et/ou les positionnements d'au moins deux interfaces différentes.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif et un procédé de mesure permettant de mesurer simultanément, ou dans une même séquence de mesure, les formes et/ou les positionnements de deux interfaces différentes d'un même élément optique tel qu'une lentille.
Il est encore un but de la présente invention de proposer un dispositif et un procédé de mesure adaptés pour mesurer ou contrôler la forme et le positionnement d'une ou de plusieurs interfaces dans un élément optique à travers d'autres interfaces de cet élément optique.
Il est encore un but de la présente invention de proposer un dispositif et un procédé de mesure pour mesurer, éventuellement simultanément ou dans une même séquence de mesure, les formes d'interfaces successives.
Il est encore un but de la présente invention de proposer un dispositif et un procédé de mesure pour mesurer une pluralité d'interfaces d'un élément optique sans devoir le retourner.
Au moins un de ces buts est atteint avec un dispositif de mesure, pour mesurer la forme d'interfaces à mesurer d'un élément optique comprenant une pluralité d'interfaces, le dispositif comprenant :
- au moins une source de lumière à faible cohérence ;
- au moins un capteur optique ;
- un dispositif interférométrique illuminé par ladite ou lesdites source(s) de lumière et configuré pour : o former au moins un faisceau de mesure et au moins deux faisceaux de référence, o diriger ledit au moins un faisceau de mesure vers l'élément optique de sorte à traverser les interfaces à mesurer, o diriger la lumière issue d'au moins deux interfaces à mesurer vers le ou les capteur(s) optique(s), ledit ou lesdits capteur(s) optique(s) étant globalement configuré(s) pour détecter sélectivement au moins deux signaux d'interférence résultant respectivement d'interférences entre l'au moins un faisceau de mesure réfléchi par l'une desdites au moins deux interfaces à mesurer et l'un des au moins deux faisceaux de référence ; le dispositif de mesure comprenant en outre :
- des moyens de positionnement configurés pour positionner une zone de cohérence au niveau de chacune des au moins deux interfaces à mesurer ; et
- des moyens numériques de traitement configurés pour produire, à partir des signaux d'interférence, une information de forme de chacune desdites interfaces à mesurer selon un champ de vue.
Dans le cadre de la présente invention, un « élément optique » peut désigner tout type d'objet optique, destiné par exemple à être inséré dans un faisceau optique, à mettre en forme un faisceau optique, et/ou à réaliser une image. Il peut désigner par exemple :
- un composant optique unique tel qu'une lentille ou une lame ;
- un assemblage de lentilles et/ou d'autres composants optiques, tel qu'un objectif d'imagerie, de caméra, ou un dispositif de mise en forme d'un faisceau optique.
Un élément optique peut notamment être constitué de, ou comprendre, des éléments réfractifs tels que des lentilles.
Le dispositif selon la présente invention permet d'effectuer des mesures d'interfaces d'un élément optique, et notamment d'interfaces empilées, pour en déduire la topologie de ces interfaces. Ces interfaces peuvent par exemple comprendre des surfaces de lentilles. Les mesures permettent de déterminer, par exemple, des formes et des positionnements des interfaces, ou une inclinaison ou un décentrement d'une lentille dans l'élément optique. Il est également possible de déduire des mesures d'épaisseur et l'indice de réfraction du matériau d'une lentille composant de l'élément optique.
Le dispositif selon la présente invention permet d'effectuer ces mesures pour au moins deux interfaces de manière simultanée, ou dans une même séquence de mesure, grâce à la présence d'au moins deux bras de référence dans le dispositif interférométrique. Ainsi, au moins deux signaux d'interférence distincts peuvent être générés et détectés simultanément, ou dans la même séquence. Il est par exemple possible de mesurer simultanément ou dans la même séquence les deux faces d'un élément optique, ou les deux interfaces de part et d'autre d'un espace entre deux composants d'un élément optique, ou encore des interfaces quelconques d'un élément optique. Des comparaisons de positionnement, décentrement, etc. de ces interfaces sont alors possibles dans les meilleures conditions.
Les mesures peuvent être réalisées avec un faisceau de mesure de l'interféromètre illuminé par une source lumineuse à faible cohérence. Pour cela, le dispositif selon l'invention dispose de moyens de positionnement pour positionner une zone de cohérence au niveau de chaque interface à mesurer, de sorte que l'interface soit incluse dans la zone de cohérence. Les interfaces à mesurer peuvent être des interfaces « enterrées », c'est-à-dire, des interfaces à l'intérieur de l'élément optique. Pour arriver à de telles interfaces enterrées, le faisceau de mesure doit donc traverser d'autres interfaces de l'élément optique.
Par « zone de cohérence », on entend la zone dans laquelle des interférences entre le faisceau de mesure et un faisceau de référence peuvent se former sur le capteur optique. La zone de cohérence peut être déplacée en variant la différence de la longueur du chemin optique entre les deux faisceaux, par exemple en modifiant la longueur optique d'un des faisceaux de mesure ou de référence, ou des deux. Lorsque la zone de cohérence se trouve au niveau d'une interface, des signaux d'interférences entre le faisceau de mesure réfléchi par cette interface et le faisceau de référence peuvent être acquis.
Le dispositif selon l'invention permet de détecter sélectivement un signal d'interférence pour chaque interface au niveau de laquelle une zone de cohérence est positionnée, c'est-à-dire pour chaque surface se trouvant dans une zone de cohérence. En effet, la longueur de cohérence de la source lumineuse est ajustée de sorte à être plus courte qu'une distance optique minimale entre deux interfaces adjacentes de l'élément optique. Ainsi, pour chaque mesure, une seule interface se trouve dans une des zones de cohérence correspondant à un faisceau de référence. Chacun des signaux d'interférence acquis ne comprend donc que la contribution d'une seule interface, ou ne provient que d'une seule interface.
Les mesures des interférences sont effectuées selon un champ de vue déterminé par les moyens de mesure du dispositif. Les mesures peuvent ainsi être réalisées soit en plein champ, soit par balayage du champ de vue.
Des moyens numériques de traitement du dispositif selon l'invention sont configurés pour produire, à partir de chaque signal d'interférence, une information de forme d'une interface mesurée correspondante selon le champ de vue.
Cette information de forme peut comprendre la forme optique et/ou la forme géométrique de l'interface à mesurer.
Les formes ou distances dites « optiques » sont les formes ou distances telles qu'elles sont « vues » par le faisceau de mesure. Les distances ou formes de surfaces géométriques s'en déduisent en prenant en compte notamment l'indice de réfraction des milieux traversés par le faisceau de mesure.
En outre, lorsque le faisceau de mesure traverse des interfaces avant l'interface mesurée, le signal d'interférence est représentatif d'une forme ou d'une distance « apparente » dans la mesure où elle inclut la contribution de la ou des interfaces traversées, en particulier lorsque ces interfaces sont situées entre deux milieux d'indice de réfraction différent, et donc dévient ou modifient le faisceau de mesure par réfraction et/ou diffraction en fonction de leur forme. Il faut donc prendre en compte la forme de ces interfaces traversées, comme expliqué plus loin, pour obtenir la forme optique et/ou géométrique « réelle » de l'interface mesurée.
Le dispositif selon l'invention peut être mis en œuvre, notamment, pour la mesure d'éléments optiques ou d'assemblages optiques lors de leur production, par exemple des objectifs formés de lentilles ou de microlentilles tels que des objectifs de smartphone ou pour l'industrie automobile. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des moyens pour déterminer, ou mesurer, une différence de trajets optiques entre les faisceaux de référence.
La distance optique et/ou géométrique entre les interfaces concernées peut être obtenue directement à partir de la différence de trajets optiques entre les faisceaux de référence, telle que mesurée, ou connue par ajustage interne.
Cette distance peut être représentative par exemple de l'épaisseur d'une lentille, ou la distance entre deux surfaces adjacentes de deux composants différents de l'élément optique.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif selon l'invention peut comprendre au moins deux lignes à retard insérées chacune dans l'un des faisceaux de référence.
De préférence, la différence de trajet optique est introduite entre les faisceaux de référence par ces lignes à retard.
De manière préférentielle, les lignes à retard optiques peuvent comprendre des moyens permettant d'ajuster de manière précise et connue, et/ou de mesurer, le retard optique introduit dans chacune d'elles, et/ou la différence de trajets optiques introduite entre les faisceaux de mesure et de référence des deux interféromètres. Pour cela, les lignes à retard peuvent comprendre des règles optiques ou des interféromètres internes permettant de mesurer le déplacement d'un élément mobile tel qu'un miroir.
On peut ainsi obtenir des mesures de distance de grande précision car elles sont obtenues à partir de mesures de retard optique internes au dispositif de mesure. Elles sont notamment exemptes des effets de vibrations ou d'erreurs de positionnement de l'interféromètre par rapport à l'élément optique à mesurer, puisqu'elles sont obtenues à partir des mesures simultanées des interfaces considérées.
Selon un mode de réalisation avantageux, les moyens de positionnement peuvent en outre être configurés pour positionner relativement un plan objet conjugué d'un plan image du capteur au niveau ou au voisinage d'une interface à mesurer, ou entre les au moins deux interfaces à mesurer. Les plans objet et image sont des plans conjugués du système d'imagerie du dispositif interférométrique, ce qui signifie en d'autres termes que le plan objet est imagé dans le plan image par le système d'imagerie.
Selon l'invention, il est ainsi possible de faire varier la distance de focalisation du faisceau de mesure, et/ou la position de l'interface à mesurer relativement au faisceau de mesure, de sorte à acquérir des signaux interférométriques pour chaque interface avec le faisceau de mesure focalisé sur l'interface considérée. L'interface à mesurer est ainsi positionnée dans un plan objet conjugué du plan image du capteur interférométrique. Cela permet notamment d'optimiser la puissance optique recouplée dans le capteur. Aussi, en utilisant un élément collectant le faisceau de mesure réfléchi de l'interface avec une grande ouverture numérique, il est possible de mesurer des interfaces avec des pentes locales plus élevées. De ce fait, de meilleures mesures de forme des interfaces peuvent être obtenues. Par ailleurs, le positionnement de l'interface à mesurer dans le plan objet conjugué du plan image du capteur permet une reconstruction plus aisée de la surface à mesurer, en évitant notamment des aberrations optiques dues au défocus.
Alternativement, les interfaces peuvent ne pas être positionnées dans un plan objet conjugué du capteur, mais au voisinage de ce plan objet conjugué. Cela peut permettre d'introduire un effet de défocalisation qui peut être souhaitable pour certaines techniques de traitement de signal, telles que l'holographie numérique. La défocalisation peut ensuite être prise en compte et compensée par des algorithmes de propagation d'onde.
Pour cela, le dispositif selon l'invention peut comprendre des moyens de positionnement relatif d'un plan objet conjugué d'un plan image du capteur au niveau ou au voisinage d'une interface à mesurer, ou entre les au moins deux interfaces à mesurer.
Selon un exemple, le dispositif interférométrique est de type interféromètre de Michelson ou de Linnik.
Selon un autre exemple, le dispositif interférométrique est de type interféromètre de Mach-Zehnder. Le dispositif selon l'invention peut comprendre une source de lumière dont la lumière est répartie entre plusieurs bras de référence distincts, de sorte à former plusieurs faisceaux de référence distincts.
Alternativement, le dispositif selon l'invention peut comprendre une pluralité de sources de lumière, chacune illuminant par exemple un bras de référence.
Le dispositif selon l'invention peut notamment comprendre deux sources de lumières avec des longueurs d'ondes différentes l'une de l'autre.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre une pluralité de capteurs optiques, chacun étant illuminé par un faisceau de référence distinct.
Selon un exemple, les faisceaux de référence peuvent avoir des trajets optiques distincts jusqu'aux capteurs.
Selon un autre exemple, les faisceaux de référence peuvent avoir au moins une partie de leur trajet optique en commun, et être séparés par un élément séparateur, par exemple polarisant ou dichroïque, avant les capteurs optiques.
Alternativement, le dispositif selon l'invention peut comprendre un capteur optique illuminé par une pluralité de faisceaux de référence. Dans ce cas, les signaux d'interférence obtenus avec les différents faisceaux de référence doivent pouvoir être distingués. Cette distinction peut être mise en œuvre de différentes manières.
Selon un exemple, le capteur peut être illuminé séquentiellement par les différents faisceaux de référence, par exemple dans une même séquence de mesure. Cela peut être notamment réalisé avec des obturateurs dans les bras de référence ou plusieurs sources de lumière allumées séquentiellement.
Selon un autre exemple, le capteur peut comprendre, par exemple au niveau des pixels, des filtres de couleur permettant de séparer des signaux d'interférence obtenus avec des sources de longueurs d'onde différentes.
Selon encore un autre exemple, le capteur peut être illuminé par des faisceaux de référence incidents sur ce capteur selon des angles différents, et de préférence également différents de l'angle d'incidence du faisceau de mesure. On réalise ainsi des configurations d'interférométrie hors axe, avec des signaux d'interférence qui peuvent être séparés dans le domaine de Fourier en fonction de l'angle formé par les faisceaux de mesure et de référence respectifs.
Le dispositif selon l'invention peut comprendre un système d'imagerie plein champ, avec un ou plusieurs détecteurs optiques de type capteur d'imagerie ou caméra permettant d'imager des interfaces de l'élément optique, ou des signaux interférométriques correspondant à une interface, selon un champ de vue. Il peut notamment comprendre un capteur optique d'imagerie avec un détecteur matriciel de type CCD ou CMOS.
Le dispositif selon l'invention peut être réalisé avec des composants d'optique en propagation libre, et/ou comprendre des parties en optique guidée par guide d'onde et/ou fibres optiques.
En particulier, les faisceaux de référence, qui ne contribuent pas à l'imagerie de l'élément optique à mesurer, peuvent être réalisés au moins partiellement avec des composants d'optique guidée ou à base de fibres optiques.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de mesure, pour mesurer la forme d'interfaces à mesurer d'un élément optique comprenant une pluralité d'interfaces, le procédé étant mis en œuvre par un dispositif de mesure comprenant au moins une source de lumière à faible cohérence, au moins un capteur optique, un dispositif interférométrique illuminé par ladite ou lesdites source(s) de lumière et configuré pour (i) former au moins un faisceau de mesure et au moins deux faisceaux de référence, (ii) diriger ledit au moins un faisceau de mesure vers l'élément optique de sorte à traverser les interfaces à mesurer, et (iii) diriger la lumière issue d'au moins deux interfaces à mesurer vers le ou les capteur(s) optique(s), le dispositif comprenant en outre des moyens de positionnement et des moyens numériques de traitement, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- positionnement, par les moyens de positionnement, d'une zone de cohérence au niveau de chacune des au moins deux interfaces à mesurer ;
- détection sélective, par ledit ou lesdits capteur(s) optique(s), d'aux moins deux signaux d'interférence résultant respectivement d'interférences entre l'au moins un faisceau de mesure réfléchi par l'une desdites au moins deux interfaces à mesurer et l'un des au moins deux faisceaux de référence, respectivement ; et
- traitement des signaux d'interférence par les moyens numériques de traitement, de sorte à produire une information de forme de chacune desdites interfaces à mesurer selon un champ de vue.
Le procédé selon l'invention peut également comprendre des étapes d'analyse des interfaces, en exploitant les informations de forme.
Il est ainsi possible de déterminer, notamment :
- une forme géométrique d'une interface,
- une comparaison entre une forme d'une interface et un modèle géométrique ;
- un décentrement et/ou une inclinaison des interfaces, par exemple par rapport à un référentiel de l'élément optique ;
- une position relative, un décentrement et/ou une inclinaison d'une interface relativement à une autre.
L'acquisition simultanée des informations de forme de plusieurs interfaces ou surfaces permet des analyses comparatives, ou de positionnement relatif, de grande qualité, car les mesures sont exemptes de dérives ou de vibrations.
Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape de détermination, ou de mesure, d'une différence de trajets optiques entre les faisceaux de référence.
Le procédé peut comprendre également une étape de détermination d'une distance optique et/ou géométrique entre des interfaces à mesurer, en utilisant la différence de trajets optiques entre les faisceaux de référence obtenue.
Ceci permet ainsi d'obtenir directement la distance optique et/ou géométrique entre les interfaces mesurées.
Ainsi, le procédé selon l'invention est particulièrement efficace pour l'analyse d'éléments optiques, en particulier comprenant des lentilles. La mesure de forme simultanée de deux interfaces ainsi que de la distance entre elles permet par exemple : de caractériser ou contrôler la forme d'une lentille, en mesurant la forme des surfaces, les courbures, les positions relatives des centres de courbures, les inclinaisons et les décentrements des surfaces ; de mesurer la position relative de deux lentilles dans un assemblage, dont notamment l'espace entre elles, et les inclinaisons et les décentrements relatifs de ces éléments dus par exemple à des défauts d'assemblage.
Le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape de positionnement relatif d'un plan objet conjugué d'un plan image du capteur au niveau ou au voisinage d'une interface à mesurer, ou entre les au moins deux interfaces à mesurer.
Ce plan objet peut être positionné, par exemple, en exploitant des informations de réflectivité ou de puissance optique recouplée, de fréquences spatiales dans l'image, ou en utilisant des connaissances a priori ou un modèle de l'élément optique.
Le positionnement des zones de cohérence au niveau des interfaces peut, par exemple, être réalisé en exploitant une information de visibilité ou de contraste du signal d'interférence, ou en utilisant des connaissances a priori ou un modèle de l'élément optique.
Afin de pouvoir mesurer les différences de trajets optiques entre les faisceaux de référence, et en déduire des distances entre interfaces à mesurer, le procédé selon l'invention peut comprendre en outre une étape de positionnement de deux ou plusieurs zones de cohérence autour d'une même interface, de sorte à définir une position d'origine des lignes à retard utilisées pour déplacer ces zones de cohérence.
Il est à noter que grâce à l'invention, plusieurs interfaces d'un élément optique peuvent être mesurées séquentiellement ou simultanément, par exemple, en commençant par l'interface supérieure et en terminant par l'interface inférieure, en passant par toutes les interfaces intermédiaires « enterrées », sans qu'il soit nécessaire de retourner ou manipuler l'élément optique. En particulier, il est possible de caractériser un élément optique tel qu'une lentille en une mesure ou une séquence de mesure, ou au moins en y accédant uniquement selon une face, sans devoir le retourner.
Le traitement des signaux interférométriques acquis pour les interfaces successives peut être réalisé séquentiellement, entre des mesures sur les différentes interfaces, ou une fois tous les signaux d'interférences, pour toutes les interfaces, acquis.
Selon un mode de réalisation nullement limitatif, l'étape de traitement des signaux d'interférence comprend une analyse par profilométrie d'une pluralité de d'interférogrammes acquis pour une même interface à mesurer.
La profilométrie est basée sur le traitement de séquences d'interférogrammes acquis pour une pluralité de différences de trajets optiques dans le capteur interférométrique, et qui constituent le signal d'interférence. Ces séquences peuvent être acquises de différentes manières selon la technique d'analyse mise en œuvre.
La pluralité d'interférogrammes peut notamment être acquise selon une méthode interférométrique par décalage de phase.
Dans ce cas, pour chaque interface de l'élément optique, une pluralité d'interférogrammes est acquise pour une pluralité de valeurs de différence de trajets optiques ou de phases entre les faisceaux de mesure et de référence, dans une gamme de différences de trajets optiques inférieure à la longueur de cohérence de la source lumineuse. On détermine ensuite la phase et éventuellement l'amplitude de l'interférogramme en tout point du champ de vue en appliquant un algorithme connu, tel que l'algorithme de Carré, à une succession de valeurs d'interférences obtenues respectivement aux points de ce champ de vue pour les différentes valeurs de différences de trajets optiques.
La pluralité d'interférogrammes peut également être acquise selon une méthode interférométrique par balayage vertical.
Dans ce cas, pour chaque interface, une pluralité d'interférogrammes est acquise pour une pluralité de valeurs de différence de trajets optiques ou de phases entre les faisceaux de mesure et de référence, dans une gamme de différences de trajets optiques s'étendant, de préférence, au-delà de la longueur de cohérence de la source lumineuse. On détermine ensuite, en chaque point du champ de vue, la valeur de différence de trajet optique pour laquelle la différence de marche entre le faisceau de mesure réfléchi sur l'interface et le faisceau de référence est nulle. Pour cela, on peut détecter par exemple le maximum d'amplitude de l'enveloppe de l'interférogramme, ou la position où la phase de l'interférogramme s'annule, au point considéré.
Selon un autre mode de réalisation nullement limitatif, l'étape de traitement des signaux d'interférence peut mettre en œuvre un procédé de calcul par holographie numérique.
Un signal d'interférence ou interférogramme est enregistré. Puis une méthode d'holographie numérique est utilisée pour reconstruire l'interface considérée numériquement, en simulant le processus d'illumination de l'interférogramme sur le détecteur avec une onde de référence numérique. Une telle méthode a l'avantage de ne nécessiter qu'une seule image ou acquisition de signal d'interférence pour calculer la forme d'une surface optique.
De manière avantageuse, l'étape de traitement des signaux d'interférence peut comprendre en outre une étape de correction prenant en compte une information de forme des interfaces traversées par le ou les faisceaux de mesure, pour obtenir une information de forme optique et/ou de forme géométrique des interfaces à mesurer.
En effet, comme expliqué précédemment, lors de la mesure de surfaces ou interfaces « enterrées » dans l'élément optique, les formes optiques mesurées peuvent également dépendre des milieux et des formes des interfaces traversées par le faisceau de mesure avant d'atteindre ces surfaces enterrées, notamment dû à des modifications de fronts d'ondes et des aberrations introduites. Dans ce cas, une correction doit être appliquée pour déterminer les formes optiques ou géométriques réelles des interfaces.
Pour effectuer cette correction, il est possible d'utiliser un modèle de propagation de la lumière et des connaissances a priori ou acquises lors de mesures précédentes sur l'élément optique, telles que des indices de réfraction de matériaux et des positions et des formes d'interfaces traversées.
Le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre pour mesurer les formes et/ou les positions des interfaces d'un élément optique sous la forme d'un assemblage optique avec des lentilles, tel qu'un objectif de smartphone, les interfaces comprenant les surfaces des lentilles.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'exemples nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels :
- la Figure 1 est une représentation schématique d'exemples d'éléments optiques à mesurer, notamment en mettant en œuvre le dispositif de l'invention ;
- la Figure 2 est une représentation schématique d'un premier exemple de dispositif interférométrique pouvant être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
- la Figure 3 est une représentation schématique d'un deuxième exemple de dispositif interférométrique pouvant être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
- la Figure 4 est une représentation schématique d'un troisième exemple de dispositif interférométrique pouvant être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
- la Figure 5 est une représentation schématique d'un quatrième exemple de dispositif interférométrique pouvant être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention ;
- la Figure 6 est une représentation schématique d'un cinquième exemple de dispositif interférométrique pouvant être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention ; et
- la Figure 7 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un procédé de mesure selon la présente invention.
Il est bien entendu que les modes de réalisation qui seront décrits dans la suite ne sont nullement limitatifs. On pourra notamment imaginer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
En particulier toutes les variantes et tous les modes de réalisation décrits sont combinables entre eux si rien ne s'oppose à cette combinaison sur le plan technique.
Sur les figures, les éléments communs à plusieurs figures conservent la même référence.
La Figure 1 est une représentation schématique visualisant le principe des mesures effectuées dans le cadre de la présente invention. Dans les exemples illustrés, l'élément à mesurer est un élément optique 1000 constitué par un (Figure 1(a)) ou plusieurs (Figure 1(b)) composants 102 sous la forme de lentilles. L'élément optique 1000 peut être, par exemple, un objectif de caméra, ou des lentilles destinées à la fabrication d'un objectif de caméra.
Le dispositif et le procédé selon l'invention permettent d'obtenir une mesure de forme des surfaces ou des interfaces 103 respectives de l'élément optique 1000, selon des champs de vue 108. Ils permettent également de déterminer une distance 106 entre des interfaces 103 successives de l'élément optique 1000. Cette distance peut correspondre par exemple à une épaisseur d'un composant 102 de l'élément optique (Figure la) ou une distance entre des composants 102 assemblés de l'élément optique 1000 (Figure lb).
Il est à noter que les champs de vue 108 sont positionnés le long d'un axe de mesure qui peut correspondre à un axe optique de l'élément optique 1000. L'axe de mesure peut également correspondre à une direction de mesure quelconque de l'élément optique 1000, dans le cas par exemple où il est translaté ou pivoté par rapport à l'axe de mesure pour effectuer des mesures de forme des interfaces 103 par une technique de recollement de champ ou sous-pupilles.
La Figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif pouvant être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention. Le dispositif 2000, représenté sur la Figure 2, est basé sur un double interféromètre de Michelson ou de Linnik, chaque interféromètre étant formé par un élément séparateur de faisceaux 204i, 2042, sous la forme d'un cube ou d'une lame séparatrice. Chaque interféromètre comprend un bras de mesure qui dirige un faisceau de mesure 206i, 2062, vers l'élément optique à mesurer 1000, illustré par une lentille 102, et un bras de référence avec un réflecteur 205i, 2052, tel qu'un miroir, pour former un faisceau de référence 216i, 2162.
Chaque interféromètre est illuminé par une source de lumière 212i, 2122 à faible cohérence. La source de lumière peut comprendre, par exemple, une diode superluminescente (en Anglais : Super Luminescente Diode, SLD), une diode, une diode laser, une source de lumière thermique (lampe halogène, etc.) ou une source supercontinuum. Elle peut comprendre également un dispositif de filtrage, par exemple avec un réseau et une fente, ou des filtres interférentiels, pour ajuster la longueur de cohérence, par exemple à quelques dizaines ou quelques centaines de microns. La source peut être agencée pour émettre dans des longueurs d'onde du visible ou proche infrarouge, autour d'une ou plusieurs longueurs d'onde.
Les éléments séparateurs de faisceaux 204i, 2042 peuvent être bien entendu non polarisants, ou polarisants et associés à des lames demi-onde ou quart d'onde pour constituer des coupleurs sans pertes.
Les faisceaux de mesure 206i, 2062 et de référence 216i, 2162, réfléchis dans les bras des interféromètres, sont dirigés par l'intermédiaire des éléments séparateurs de faisceaux 204i, 2042, vers deux caméras 201i, 2012, respectivement. Chaque caméra 201i, 2012 comprend un détecteur optique 202i, 2022 comprenant une matrice de détection, par exemple de type CMOS ou CCD.
Les faisceaux issus des interféromètres sont séparés par un élément séparateur de détection 203, de sorte que le faisceau de mesure 206i et le faisceau de référence 216i du premier interféromètre soient incidents sur le premier détecteur optique 202i uniquement, et le faisceau de mesure 2062 et le faisceau de référence 2162 du deuxième interféromètre soient incidents sur le deuxième détecteur optique 2022 uniquement. Pour cela, dans l'exemple illustré, les sources de lumière 212i, 2122 sont centrées autour de longueurs d'onde différentes, et l'élément séparateur de détection 203 est un élément dichroïque. Dans chaque interféromètre, lorsque la différence de trajets optiques entre le faisceau de mesure et le faisceau de référence est inférieure à la longueur de cohérence de la source 212i, 2122, on obtient des interférences sur le détecteur correspondant 202i, 2022.
Le dispositif 2000 comprend également une lentille ou un objectif de focalisation 207, et des lentilles de tube 209, agencées de sorte à pouvoir définir, avec l'objectif de focalisation 207, un plan objet au niveau de l'élément à mesurer 1000 conjugué d'un plan image formé sur les détecteurs optiques 202i, 2022 respectivement. Les bras de référence peuvent comprendre en outre un objectif 210 qui définit également, avec les lentilles de tube 209, un plan objet de référence conjugué des plans images respectifs des détecteurs optiques 202i, 2022.
Le dispositif 2000 est un dispositif imageur plein champ, qui permet d'imager des interfaces 103 de l'élément optique à mesurer 1000, ou des signaux d'interférence générés par des interfaces 103, selon un champ de vue 108 qui est déterminé par le champ de vue du système d'imagerie et par son ouverture numérique au niveau de l'objectif de focalisation 207. En effet, pour obtenir une mesure, il faut que la réflexion des faisceaux de mesure 206i, 2062 sur les interfaces 103 soit recouplée dans le système d'imagerie.
Le dispositif 2000 comprend également des éléments optiques pour focaliser les faisceaux d'illumination issus des sources de lumière 212i, 2122 dans le plan focal arrière de l'objectif de focalisation 207.
Le dispositif 2000 comprend également un moyen de déplacement de focalisation 208 dont la fonction est de déplacer le plan objet conjugué des plans images formés par les capteurs 202i, 2022 relativement à l'élément à mesurer 1000, de sorte par exemple à pouvoir positionner un plan objet à proximité ou au niveau de différentes interfaces 103 situées à différentes distances sur les capteurs 202i, 2022. Ce moyen de déplacement de focalisation 208 peut comprendre un système pour déplacer l'objectif de focalisation 207 ou des lentilles de cet objectif, par exemple avec un dispositif de translation linéaire ou hélicoïdal. Alternativement ou en plus, ce moyen de déplacement 208 peut comprendre un dispositif ou une platine de translation pour déplacer le dispositif 2000 relativement à l'élément à mesurer 1000, ou inversement.
Le dispositif 2000 comprend des lignes à retard optique 211i, 2112 pour faire varier les longueurs optiques respectives des bras de référence des deux interféromètres optiques. Ces lignes à retard peuvent être réalisées par tous moyens connus de l'homme du métier.
Telles qu'illustrées sur la Figure 2, les lignes à retard peuvent être réalisées, par exemple, au moyen d'une platine de translation ou d'un autre moyen de translation déplaçant les miroirs de référence respectifs 205i, 2052 et les objectifs 210 des bras de référence, de sorte par exemple à maintenir les miroirs de référence 205i, 2052 dans des plans objets conjugués des plans images formés respectivement par les capteurs 202i, 2022.
Les lignes à retard optique 211i, 2112 permettent de modifier la longueur optique du bras de référence de l'interféromètre correspondant, de sorte à déplacer, le long des faisceaux de mesure correspondants, la zone de cohérence dans laquelle des interférences entre le faisceau de mesure et le faisceau de référence peuvent se former sur le détecteur 202i, 2022 correspondant. Lorsque cette zone de cohérence est positionnée autour d'une interface 103 de l'élément à mesurer, on peut acquérir des signaux d'interférence dans le champ de vue mesurable 108 correspondant à cette interface 103.
De manière avantageuse, les lignes à retard optique 211i, 2112 peuvent être ajustées séparément, de sorte à positionner les zones de cohérences des deux interféromètres sur des interfaces 103 différentes de l'élément à mesurer 1000. On peut ainsi acquérir simultanément sur les deux détecteurs 202i, 2022 des signaux interférométriques distincts correspondant chacun à une des interfaces, et les traiter séparément pour obtenir par exemple des informations de forme pour chacune des interfaces. Il est à noter que dans le cadre de la présente invention, les signaux interférométriques issus d'interfaces différentes peuvent être traités de manière indépendante, pour en déduire de chacun une information différente, propre à l'interface correspondante.
De manière préférentielle, la longueur de cohérence des sources lumineuses 212i, 2122 est choisie de sorte à être inférieure à la distance entre deux interfaces de l'objet à mesurer 1000, pour éviter des couplages parasites.
De manière préférentielle, les lignes à retard optiques 211i, 2112 comprennent des moyens permettant de mesurer le retard optique introduit dans chacune d'elle, et/ou la différence de trajets optiques introduite entre les faisceaux de mesure et de référence des deux interféromètres. Cela peut permettre notamment de mesurer la distance ou l'épaisseur optique entre les interfaces 103 de l'élément mesuré 1000, à partir des mesures de retard optique introduit par chaque ligne à retard 211i, 2112 pour obtenir des signaux interférométriques correspondant à chacune des interfaces.
Pour cela, les lignes à retard peuvent comprendre des règles optiques ou des interféromètres internes permettant de mesurer le déplacement d'un élément mobile tel qu'un miroir. La calibration de l'ensemble peut être réalisée en positionnant la zone de cohérence des deux interféromètres sur une même interface, de sorte à les superposer et définir une position d'équilibre. La distance optique entre deux interfaces peut ensuite être mesurés à partir des mesures de retard optique, ou de variation de retard optique, introduites dans chaque ligne à retard à partir de la position d'équilibre.
Il est à noter qu'on peut ainsi obtenir des mesures de distance de grande précision car elles sont obtenues à partir de mesures de retard optique internes au dispositif. Elles sont notamment exemptes des effets des vibrations ou des erreurs de positionnement de l'interféromètre par rapport à l'élément à mesurer, puisqu'elles sont obtenues à partir des mesures simultanées des interfaces considérées.
Bien entendu, pour pouvoir acquérir simultanément les signaux d'interférence de plusieurs interfaces 103, il faut que la profondeur de champ de l'objectif de focalisation 207 soit suffisante pour obtenir du signal de ces interfaces 103. Mais ces interfaces ne doivent pas nécessairement être positionnées dans un plan objet conjugué des capteurs 202i, 2022. En effet, cela peut introduire un effet de défocalisation qui peut être même souhaitable pour certaines techniques de traitement telles que l'holographie numérique, et qui peut de toute façon être compensé par des algorithmes de propagation d'onde.
Dans l'exemple illustré, le plan objet conjugué des plans images des détecteurs 202i, 2022 peut être, par exemple, positionné au centre d'une lentille 102 de l'élément à mesurer 1000 avec les moyens de déplacement de focalisation 208, de sorte que les interfaces 103 à mesurer soient positionnées de part et d'autre de ce plan objet.
Suivant d'autres exemples de mise en œuvre, les lignes à retard optiques 211i, 2112 peuvent comprendre : des modules insérés en transmission entre l'élément séparateur de faisceaux 204i, 2042 et les miroirs de référence 205i, 2052, respectivement, avec un ou plusieurs réflecteurs mobiles ; des lames d'indice de réfraction supérieur à 1 et d'épaisseur variable ; et/ou des parties en fibres optiques étirées par des moyens mécaniques ou piézoélectriques.
Selon une variante, le dispositif 2000 peut comprendre plus que deux interféromètres.
Selon une autre variante, le dispositif 2000 peut comprendre une seule caméra 201 avec un détecteur comprenant des filtres de couleur sur les pixels, apte à séparer la lumière issue des deux sources 212i, 2122 de longueurs d'onde différentes.
Selon encore une autre variante, le dispositif 2000 peut comprendre une seule caméra 201 et deux sources lumineuses 212i, 2122 de même longueur d'onde, allumées séquentiellement, ou une seule source 212 et un élément commutateur (switch optique) apte à diriger la lumière de cette source alternativement vers les deux interféromètres, par exemple dans une même séquence de mesure.
La Figure 3 est une représentation schématique d'un autre dispositif pouvant être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention.
Le dispositif 3000, représenté sur la Figure 3, comprend la plupart des composants du dispositif 2000 de la Figure 2. Aussi, seules les différences sont détaillées.
Le dispositif 3000 est basé sur un interféromètre à faible cohérence de Michelson ou de Linnik, formé par un élément séparateur de faisceaux 204 non polarisant, sous la forme d'un cube ou d'une lame séparatrice. L'interféromètre comprend un bras de mesure qui dirige un faisceau de mesure 206 vers l'élément optique à mesurer 1000, illustré par une lentille 102. Il comprend également deux bras de référence formés par un élément séparateur de faisceaux de référence 304 polarisant, tel qu'un cube polarisant, et deux miroirs 205i, 2052 pour former deux faisceaux de référence 216i, 2162, à partir d'un faisceau issu de l'élément séparateur de faisceaux 204 La source lumineuse 212 est configurée pour émettre une lumière non polarisée ou polarisée selon un axe incliné (par exemple à 45 degrés) par rapport aux axes de l'élément séparateur de faisceaux de référence polarisant 304. On obtient alors à la sortie de l'élément séparateur de faisceaux de référence polarisant 304 deux faisceaux de référence 216i, 2162 avec des polarisations linéaires orthogonales.
Les deux faisceaux de référence 216i, 2162 et le faisceau de mesure 206 issu des réflexions sur les différentes interfaces 103 de l'élément à mesurer 1000 sont dirigés par l'intermédiaire de l'élément séparateur de faisceaux 204 et d'un autre élément séparateur polarisant de détection 203 vers deux caméras 2011, 2012, avec chacune un détecteur optique 202i, 2022 comprenant une matrice de détection, par exemple de type CMOS ou CCD.
L'élément séparateur de détection polarisant 203 permet de diriger le premier faisceau de référence 216i, linéairement polarisé, vers la première caméra 201i uniquement, et le deuxième faisceau de référence 2162, également linéairement polarisé selon une polarisation orthogonale à celle du premier faisceau de référence, vers la deuxième caméra 2012. Cet élément séparateur de détection polarisant 203 permet également de séparer le faisceau de mesure 206 en deux faisceaux de polarisations orthogonales, chacun dirigé vers une caméra 201i, 2012.
Le dispositif 3000 comprend également, comme le dispositif 2000, des lignes à retard optique 211i, 2112 permettant de faire varier de manière différente les longueurs optiques respectives des bras ou des faisceaux de référence 216i, 2162, et ainsi positionner simultanément des zones de cohérence à des positions différentes le long du faisceau de mesure 206, par exemple sur des interfaces 103 différentes d'un élément 1000 à mesurer.
Ainsi, de la même manière que pour le dispositif 2000, on peut acquérir simultanément sur les deux détecteurs 202i, 2022 des signaux interférométriques distincts correspondant chacun à une des interfaces de l'élément à mesurer 1000, et les traiter pour obtenir par exemple des informations de forme pour chacune des interfaces, et/ou de distance entre ces interfaces.
La Figure 4 est une représentation schématique d'un autre dispositif pouvant être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention. Le dispositif 4000, représenté sur la Figure 4, est basé sur un interféromètre de Mach-Zehnder, à faible cohérence. Il comprend un bras de mesure qui dirige un faisceau de mesure 206 vers l'élément optique à mesurer 1000, et deux bras de référence, formant deux interféromètres, dans lesquels se propagent respectivement un premier faisceau de référence 216i et un deuxième faisceau de référence 2162.
L'interféromètre est illuminé par une source lumineuse 212 à faible cohérence. Comme précédemment, cette source peut comprendre, par exemple, une diode superluminescente (SLD), une diode, une diode laser, une source de lumière thermique (lampe halogène, etc.) ou une source supercontinuum. Elle peut comprendre également un dispositif de filtrage, par exemple avec un réseau et une fente, ou des filtres interférentiels, pour ajuster la longueur de cohérence à quelques dizaines ou quelques centaines de microns. La source peut être agencée pour émettre dans des longueurs d'onde visible ou proche infrarouge, autour d'une ou plusieurs longueurs d'onde.
La lumière de la source 212 est séparée en un faisceau de mesure 206 et en deux faisceaux de référence 216i, 2162 par, respectivement, un premier et un deuxième élément séparateur de faisceaux 421i, 4212, sous la forme d'un cube ou d'une lame séparatrice.
L'interféromètre comprend un autre élément séparateur de combinaison 404 dans le bras de mesure, également sous la forme d'un cube ou d'une lame séparatrice, pour diriger le faisceau de mesure 206 vers l'élément à mesurer 1000, et transmettre la lumière réfléchie par cet élément vers le détecteur.
Le faisceau de mesure 206 tel que réfléchi par l'élément à mesurer 1000 et les faisceaux de référence 216i, 2162 sont dirigés vers une caméra 201 avec un capteur 202 comprenant une matrice de détection, par exemple de type CMOS ou CCD.
L'interféromètre de Mach-Zehnder peut être bien entendu réalisé avec des éléments non polarisants, ou polarisants et associés à des lames quart d'onde ou demi ondes pour faire des coupleurs sans pertes. Il peut également être réalisé, au moins partiellement, avec des fibres optiques.
Lorsque la différence de trajets optiques entre le faisceau de mesure 206 et l'un des faisceaux de référence 216i, 2162 est inférieure à la longueur de cohérence de la source 212, on obtient des interférences sur le détecteur 202. Le dispositif comprend également une lentille ou un objectif de focalisation 207, et une lentille de tube 209, agencées de sorte à définir un plan objet conjugué d'un plan image formé sur le capteur 202.
Comme précédemment, le dispositif 4000 est un dispositif imageur plein champ, qui permet d'imager des interfaces 103 de l'élément optique 1000, ou des signaux d'interférence correspondant à des interfaces 103, selon un champ de vue 108 qui est déterminé par le champ de vue du système d'imagerie et par son ouverture numérique au niveau de l'objectif de focalisation 207. En effet, pour obtenir une mesure, il faut que la réflexion du faisceau de mesure 206 sur les interfaces 103 soit recouplée dans le système d'imagerie.
Le dispositif 4000 comprend des éléments optiques, tels que la lentille 420, pour focaliser le faisceau d'illumination dans le plan focal arrière de l'objectif de focalisation 207. Il comprend également des éléments optiques, tels que les lentilles 410, pour focaliser les faisceaux de référence 216i, 2162 dans le plan focal arrière de la lentille de tube 209.
Le dispositif 4000 comprend également un moyen de déplacement de focalisation 208 dont la fonction est de déplacer le plan objet conjugué du plan image formé par le capteur 202, de sorte par exemple à pouvoir positionner un plan objet à proximité ou au niveau de différentes interfaces 103 situées à différentes distances sur le capteur 202. Ce moyen de déplacement de focalisation 208 peut comprendre un système pour déplacer l'objectif de focalisation 207 ou des lentilles de cet objectif, par exemple avec un dispositif de translation linéaire ou hélicoïdal. Alternativement ou en plus, ce moyen de déplacement de focalisation 208 peut comprendre un dispositif ou une platine de translation pour déplacer le dispositif 4000 relativement à l'élément optique 1000, ou inversement.
Le dispositif 4000 comprend en outre des lignes à retard optique 21 li, 2112 pour faire varier les longueurs optiques respectives des deux bras de référence des deux interféromètres. Ces lignes à retard peuvent être réalisées par tous moyens connus de l'homme du métier. Elles peuvent être réalisées, par exemple, au moyen d'une ou plusieurs platines de translation ou d'un autre moyen de translation déplaçant un ou plusieurs miroirs ou réflecteurs relativement les uns aux autres.
Comme précédemment, les lignes à retard optique 21 li, 2112 permettent chacune de modifier la longueur optique du bras de référence correspondant, de sorte à déplacer, le long des faisceaux de mesure, la zone de cohérence dans laquelle des interférences entre faisceaux de mesure et de référence peuvent se former sur le détecteur 202. Lorsque cette zone de cohérence est positionnée autour d'une interface 103 de l'élément à mesurer, on peut acquérir des signaux d'interférence dans le champ de vue mesurable 108 correspondant à cette interface.
Selon l'invention, les lignes à retard optique 211i, 2112 peuvent être ajustées séparément, de sorte à positionner les zones de cohérences des deux interféromètres sur des interfaces 103 différentes de l'élément à mesurer. On peut ainsi acquérir simultanément sur le détecteur 202 des signaux interférométriques distincts correspondant chacun à une des interfaces, et les traiter séparément pour obtenir, par exemple, des informations de forme pour chacune des interfaces. Il est à noter que dans le cadre de l'invention, les signaux interférométriques issus d'interfaces différentes peuvent être traités de manière indépendante, pour en déduire de chacun une information différente.
La longueur de cohérence de la source peut être choisie de sorte à être inférieure à la distance entre deux interfaces de l'objet à mesurer, pour éviter des couplages parasites.
De manière préférentielle, les lignes à retard optique 211i, 2112 comprennent des moyens permettant de mesurer le retard optique introduit dans chacune d'elle, et/ou la différence de trajets optiques introduite entre les faisceaux de mesure et de référence des deux interféromètres. Cela peut permettre notamment de mesurer la distance ou l'épaisseur optique entre les interfaces 103 de l'élément mesuré 1000, à partir des mesures de retard optique introduit par chaque ligne à retard 211i, 2112 pour obtenir des signaux interférométriques correspondant à chacune des interfaces.
Pour cela, les lignes à retard peuvent comprendre des règles optiques ou des interféromètres internes permettant de mesurer le déplacement d'un élément mobile tel qu'un miroir. La calibration de l'ensemble peut être réalisée en positionnant la zone de cohérence des deux interféromètres sur une même interface, de sorte à les superposer et définir une position d'équilibre. La distance optique entre deux interfaces peut ensuite être mesurés à partir des mesures de retard optique, ou de variation de retard optique, introduites dans chaque ligne à retard à partir de la position d'équilibre. Il est à noter, comme précédemment, qu'on peut ainsi obtenir des mesures de distance de grande précision car elles sont obtenues à partir de mesures de retard optique internes à l'instrument. Elles sont notamment exemptes des effets des vibrations ou des erreurs de positionnement de l'interféromètre par rapport à l'élément à mesurer, puisqu'elles sont obtenues à partir des mesures simultanées des interfaces considérées.
Bien entendu, pour pouvoir acquérir simultanément les signaux d'interférences de plusieurs interfaces 103, il faut que la profondeur de champ de l'objectif de focalisation 207 soit suffisante pour obtenir du signal de ces interfaces 103. Mais ces interfaces ne doivent pas nécessairement être positionnées dans un plan objet conjugué du détecteur 202. En effet, cela peut introduire un effet de défocalisation qui peut être même souhaitable pour certaines techniques de traitement telles que l'holographie numérique, et qui peut de toute façon être compensé par des algorithmes de propagation.
Dans l'exemple illustré, le plan objet conjugué des plans images du détecteur 202 peut être, par exemple, positionné au centre d'une lentille 102 de l'élément à mesurer 1000 avec les moyens de déplacement de focalisation 208, de sorte que les interfaces 103 à mesurer soient positionnées de part et d'autre de ce plan objet.
Pour pouvoir détecter et distinguer les signaux d'interférences issus des deux interféromètres, le dispositif 4000 est agencé selon une configuration d'interférométrie hors axe, selon laquelle le faisceau de mesure 206 et les faisceaux de référence 216i, 2162 sont incidents sur le détecteur 202 avec des angles d'incidences différents. Les faisceaux de référence 216i, 2162 sont également incidents sur le détecteur 202 avec un angle d'incidence différent. Dans la mesure où ils sont focalisés dans le plan focal arrière de la lentille de tube 209, ils sont incidents sur le détecteur 202 sous la forme d'un faisceau parallèle dont l'orientation angulaire peut être ajustée avec précision. On obtient ainsi pour chaque interféromètre un signal d'interférence avec des fréquences spatiales différentes, qui peuvent être séparées ensuite dans le plan de Fourier, et démodulées pour obtenir une forme de surface selon des techniques d'holographie numérique tel que détaillées plus loin.
Suivant d'autres exemples de mise en œuvre, les lignes à retard optiques 2111, 2112 peuvent comprendre : des lames d'indice de réfraction supérieur à 1 et d'épaisseur variable ; des parties en fibres optiques étirées par des moyens mécaniques ou piézoélectrique.
Selon une variante, le dispositif 4000 peut comprendre plus que deux bras de référence.
Selon une autre variante, le dispositif 4000 peut comprendre un élément commutateur (switch optique) permettant de diriger la lumière de la source 212 alternativement vers les deux bras de référence 216i, 2162, et/ou un obturateur permettant d'interrompre alternativement les faisceaux de référence. Il est ainsi possible de former alternativement, par exemple dans une même séquence de mesure, les signaux d'interférence correspondant aux deux bras de référence sur le détecteur 202. Dans ce cas, les faisceaux de référence 216i, 2162 peuvent être incidents sur le détecteur 202 avec un angle d'incidence identique ou différent.
La Figure 5 est une représentation schématique d'un autre dispositif pouvant être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention.
Le dispositif 5000, représenté sur la Figure 5, comprend la plupart des éléments du dispositif 4000. Aussi, seules les différences sont détaillées.
Le dispositif 5000 diffère du dispositif 4000 en ce qu'il comprend deux sources de lumière 212i, 2122 à faible longueur de cohérence fonctionnant à des longueurs d'onde différentes.
La lumière de chaque source 212i, 2122 est séparée en un faisceau de mesure 206i, 2062 et un faisceau de référence 216i, 2162 par les éléments séparateurs de faisceaux 421i, 4212, respectivement. Ainsi, le dispositif 5000 comprend deux interféromètres distincts, chacun étant illuminé par une source différente, mais dont les faisceaux de mesure et de référence sont superposés sur un même détecteur 202.
Pour pouvoir détecter et distinguer les signaux d'interférence issus des deux interféromètres, le dispositif 5000 est agencé, comme le dispositif 4000, selon une configuration d'interférométrie hors axe, selon laquelle les faisceaux de mesure 206i, 2062 et les faisceaux de référence 216i, 2162 sont incidents sur le détecteur 202 avec des angles d'incidences différents. Plus précisément, dans l'exemple illustré, les faisceaux de mesure 206i, 2062 sont incidents sur le détecteur selon une incidence normale, et les faisceaux de référence 216i, 2162 sont incidents sur le détecteur 202 avec un angle d'incidence différent entre eux et différent de celui des faisceaux de mesure 206i, 2062. On obtient ainsi, comme précédemment, pour chaque interféromètre un signal d'interférence avec des fréquences spatiales différentes, qui peuvent être séparées ensuite dans le plan de Fourier, et démodulées pour obtenir une forme de surface selon des techniques d'holographie numérique telles que détaillées plus loin.
Dans cette configuration, le capteur optique peut être un capteur monochrome, on un capteur sensible à la couleur, qui permet d'améliorer la séparation des longueurs d'ondes des deux sources.
Selon une variante du dispositif 5000 mettant en œuvre un capteur couleur, ou avec des pixels pourvus de filtres de couleur, le dispositif 5000 peut être configuré selon une configuration d'interférométrie hors axe avec les faisceaux de référence 216i, 2162 incidents sur le détecteur 202 selon un même angle d'incidence ;
Selon une autre variante mettant également en œuvre un capteur couleur, ou avec des pixels pourvus de filtres de couleur, le dispositif 5000 peut être configuré selon une configuration d'interférométrie dans l'axe, avec les faisceaux de mesure 206i, 2062 et les faisceaux de référence 216i, 2162 incidents sur le détecteur 202 selon une configuration normale.
Selon encore une autre variante du dispositif 5000, deux capteurs monochromes peuvent être mis en œuvre ainsi qu'un élément dichroïque permettant de diriger la lumière de chaque source 212i, 2122 vers un capteur différent, de manière similaire au mode de réalisation du dispositif 2000 illustré sur la Figure 2.
La Figure 6 est une représentation schématique d'un autre dispositif pouvant être mis en œuvre dans le cadre de la présente invention.
Le dispositif 6000, représenté sur la Figure 6, comprend la plupart des éléments du dispositif 4000 de la Figure 4. Aussi, seules les différences sont détaillées.
Le dispositif 6000 diffère du dispositif 4000 en ce qu'il comprend deux caméras 201i, 2012 avec deux détecteurs 202i, 2022. Le dispositif 6000 comprend également deux éléments séparateurs de combinaison 404i, 4042 dans le bras de mesure, chacun étant agencé pour diriger le faisceau de mesure 206 issu de l'élément à mesurer 1000, ainsi que l'un seulement des faisceaux de référence 216i, 2162, vers l'un des détecteurs 202i, 2022.
Ainsi, chaque détecteur permet de détecter spécifiquement le signal d'interférence de l'un des interféromètres, selon une configuration d'interférométrie dans l'axe ou hors axe.
Avec les dispositifs interférométriques plein champ 2000-6000, lorsqu'une surface ou une interface 103 apparaît dans la zone de cohérence, on obtient sur le détecteur une structure d'interférences résultant des interférences entre faisceaux de mesure et de référence pour le champ de vue 108.
Pour en déduire les formes de surfaces, ou au moins de surfaces optiques apparentes, plusieurs méthodes connues peuvent être utilisées, comme décrit ci-après.
La Figure 7 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation non limitatif d'un procédé de mesure selon l'invention, pour effectuer des mesures sur au moins deux interfaces à mesurer 103 d'un élément optique 1000.
Le procédé 7000, représenté sur la Figure 7, peut être répété de manière itérative pour mesurer une pluralité d'interfaces d'un élément optique 1000, par exemple :
- en mesurant deux interfaces différentes à chaque itération, ou
- en mesurant une nouvelle interface et une interface préalablement mesurée lors d'une nouvelle itération.
Le procédé 7000 peut également être répété de manière itérative pour mesurer des portions différentes de mêmes interfaces, selon des angles et/ou des positions de mesure différentes par rapport à l'élément optique 1000. Cela peut permettre par exemple de mesurer des interfaces 103 de surfaces étendue par rapport au champ de vue 108, et/ou de forte courbure.
Le procédé 7000 comprend une étape 712 de positionnement d'un plan objet conjugué du ou des plans images du ou des capteurs optiques. Ce plan objet est positionné, par exemple, au niveau des interfaces à mesurer 103, ou à proximité ou entre ces interfaces.
Le positionnement du plan objet peut être effectué, par exemple, en variant la distance entre l'objectif de focalisation 207 et l'élément optique à mesurer 1000, et/ou en variant la distance de focalisation de l'objectif de focalisation 207 ou d'autres éléments optiques insérés dans le faisceau de mesure. La détection de la distance de focalisation optimale peut être effectuée en se basant, par exemple, sur un critère de maximum de puissance optique recouplée, une information de fréquences spatiales de l'image ou une connaissance a priori de l'élément optique 1000.
Le procédé 7000 comprend également une étape 713 de positionnement d'une zone de cohérence au niveau, respectivement, de chacune des interfaces à mesurer 103.
Pour cela, les zones de cohérence dans lesquelles des interférences entre faisceaux de mesure et de référence peuvent se former sont déplacées sur le ou les détecteurs, en modifiant la longueur optique de chaque bras de référence. On peut, par exemple, déplacer les miroirs de référence 205i, 2052 des dispositifs 2000, 3000, ou varier la longueur des lignes à retard 211i, 2112 des dispositifs 2000 - 6000 par tout autre moyen. Lorsque les zones de cohérence englobent des interfaces respectives à mesurer 103, on peut acquérir des signaux d'interférence dans le champ de vue mesurable 108.
Bien entendu, pour obtenir un signal exploitable des interfaces 103 considérées, il faut que le plan objet conjugué du plan image du ou des capteurs optiques soit judicieusement placé relativement à ces interfaces à mesurer 103, et que la profondeur de champ de l'objectif de focalisation 207 soit suffisante. Le positionnement du plan objet effectué à l'étape 712 peut ainsi être effectué de sorte à optimiser les signaux d'interférences issus des interfaces 103 considérées.
Lors d'une étape 714 du procédé 7000, des signaux interférométriques correspondant aux interfaces à mesurer 103 autour desquelles les zones de cohérence correspondant aux faisceaux de référence ont été positionnées sont détectés, au moyen par exemple du ou des capteurs optiques des dispositifs 2000-6000. Au moins deux signaux d'interférence, résultant respectivement d'interférences entre un faisceau de mesure réfléchi par l'une des interfaces à mesurer et l'un des faisceaux de référence, sont détectés sélectivement.
Lorsque les mesures sont effectuées avec des interféromètres plein champ, tels qu'illustrés sur les Figures 2 à 6, on obtient directement sur le ou les capteurs optiques des structures d'interférences en plein champ résultant des interférences entre un faisceau de mesure et un faisceau de référence pour tout le champ de vue 108.
Pour obtenir des formes géométriques réelles des surfaces ou interfaces de l'élément optique, les formes optiques de celles-ci doivent être déterminées au préalable, et corrigées des effets de propagation.
Lors d'une étape de traitement 716 du procédé 7000, l'ensemble des signaux d'interférence pour chaque interface à mesurer sont traités numériquement afin d'en déduire une information de forme de ces interfaces.
Lors de l'étape 716 de traitement, la forme optique et/ou géométrique de chaque interface est déterminée.
La forme optique est dite « apparente » car elle est affectée par les éventuelles interfaces traversées. Elle est déduite des mesures interférométriques.
Différentes méthodes connues peuvent être utilisées pour déterminer des formes optiques et/ou géométriques.
Selon un premier mode de réalisation, des méthodes profilométriques peuvent être utilisées pour réaliser l'étape 716. La profilométrie est basée sur le traitement de séquences d'interférogrammes.
Dans ce type de méthodes, les faisceaux de mesure et de référence sont ajustés, de préférence, de sorte à être incidents sur le détecteur avec des directions de propagation essentiellement parallèles ou confondues, ou faiblement inclinées, de sorte à produire des interférogrammes en teintes plates ou faiblement modulés. Un premier exemple d'une telle méthode profilométrique met en œuvre des algorithmes basés sur l'interférométrie par décalage de phase (« phase stepping interferometry » en anglais, PSI).
Pour cela, pour chaque interface / à mesurer de l'élément optique, une pluralité d'interférogrammes (constituant le signal d'interférence) est acquise pour une pluralité de valeurs de différence de trajets optiques ou de phases entre les faisceaux de mesure et de référence, dans la longueur de cohérence de la source.
Comme expliqué précédemment, ces différences de trajets optiques ou de phase peuvent être générées indépendamment pour deux ou plusieurs interfaces distinctes, en utilisant par exemple les lignes à retard de plusieurs bras de référence distincts.
Ensuite, la phase et éventuellement l'amplitude en tout point du champ de vue 108 du signal d'interférence ainsi constitué sont déterminées en appliquant un algorithme connu, tel que l'algorithme de Carré, à la succession d'interférogrammes obtenus au point considéré pour les différents déphasages, et en dépliant la phase ainsi obtenue modulo 2 pi.
On obtient ainsi un ensemble de valeurs de différences de phases mesurées <pmi(rd) dans le plan du détecteur (ou plus précisément, de différences de phase entre les faisceaux de mesure et de référence sur le détecteur), ra étant un vecteur de coordonnées vers des points du plan du détecteur dans un système de référence (X, Y, Z).
On peut alors déterminer la forme optique Lmi(rd) de la surface / avec la relation classique :
[Mathl]
Figure imgf000033_0001
avec À la longueur d'onde centrale de la source dans le vide.
La forme géométrique Smi(rd) peut être déduite de la forme optique par la relation :
[Math2]
Figure imgf000033_0002
où n est l'indice de réfraction du milieu dans lequel le faisceau de mesure est réfléchi. Un deuxième exemple d'une méthode profilométrique met en œuvre des algorithmes basés sur l'interférométrie par balayage vertical (« vertical scan interferometry » en anglais, VSI).
Pour cela, pour chaque interface / considérée, une pluralité d'interférogrammes (constituant le signal d'interférence) est acquise pour une pluralité de retards optiques entre les bras de mesure et de référence de l'interféromètre, dans une gamme de retards optiques s'étendant, de préférence, au-delà de la longueur de cohérence de la source lumineuse.
Comme expliqué précédemment, ces différences de trajets optiques ou de phase peuvent être générées indépendamment pour deux ou plusieurs interfaces distinctes, en utilisant les lignes à retard de plusieurs bras de référence distincts.
En chaque point ra du détecteur, le retard optique pour lequel la différence de trajets optiques entre le faisceau de mesure réfléchi sur l'interface / et le faisceau de référence est nulle est détecté. Pour cela, on peut détecter, par exemple, le maximum d'amplitude de l'enveloppe de l'interférogramme ou la position où la phase de l'interférogramme s'annule. On obtient ainsi directement la forme optique Lmi(rd) de la surface, de laquelle on peut déduire comme précédemment la forme géométrique.
Selon un autre mode de réalisation de l'étape 716, une méthode d'holographie numérique peut être utilisée.
Dans une méthode d'holographie numérique, appelée également « interférométrie hors axe », les faisceaux de mesure et de référence sont ajustés, de préférence, de sorte à être incidents sur le détecteur avec des directions de propagation inclinées, ou formant un angle entre eux.
Lorsque le faisceau de mesure réfléchi par une interface / et le faisceau de référence ont une différence de trajets optiques ou un retard inférieur à la longueur de cohérence de la source lumineuse, on obtient sur le détecteur un signal d'interférence, ou interférogramme, Imi(rd) dans lequel l'information de phase est encodée dans un réseau de franges dans la direction d'inclinaison des faisceaux.
L'interférogramme sur le détecteur peut être représenté par l'équation suivante :
[Math3] Imt(.rd') = |£jni(îd)|2 + |£/?|2 + ^R^mt^d) + ^mi ^rd)^R> avec £mi l'onde électromagnétique en notation complexe telle que réfléchie par l'interface / et incidente sur le détecteur (faisceau de mesure), ER l'onde électromagnétique de référence en notation complexe, supposée constante pour la simplicité, et * le conjugué complexe.
Les deux premiers termes correspondent à l'ordre zéro, les troisièmes et quatrièmes termes respectivement aux images réelles et virtuelles.
En choisissant un angle entre les faisceaux de mesure et de référence suffisamment élevé, ces différents termes ou ordres de diffraction sont séparés dans le domaine de Fourier et peuvent donc être filtrés.
Le terme correspondant à l'image réelle peut ainsi être obtenue par filtrage dans le domaine de Fourier par : [Math4]
ERETM = FFT~\FFT{lmi(.rd))M), où FFT est la transformée de Fourier rapide et FFT 1 son inverse. M est le filtre appliqué dans le domaine fréquentiel pour filtrer le terme correspondant à l'image réelle de sorte à conserver les fréquences spatiales présentes dans l'ouverture numérique de l'objectif de focalisation.
Une fois qu'on a obtenu le terme correspondant à l'image réelle E^EmÇrd), il est possible de l'illuminer numériquement avec une onde de référence numérique ERD correspondant à l'onde de référence utilisée, pour obtenir l'expression du champ électromagnétique recherché Emi(rd) : [Math5]
Emi ^Fd) ~ EupEjjEfniÇr^).
Il est à noter qu'en supposant l'onde de référence constante ou uniforme, cette étape peut également être réalisée dans le domaine de Fourier en translatant l'image filtrée en bande de base (autour de la fréquence nulle).
Il est ensuite possible de déterminer, en utilisant la phase q>mi(rd) du champ électromagnétique Emi(rd), la forme optique Lmi(rd) de la surface avec la relation [Mathl], ainsi que la forme géométrique Smi(rd) avec la relation [Math2], Dans le cas des dispositifs 4000 et 5000 décrits en référence aux Figures 4 et 5, respectivement, dans la configuration avec deux faisceaux de référence Eki, fRj incidents sur le détecteur avec des angles différents qui sont superposés avec deux faisceaux de mesure 6™, Emj issus de réflexions sur des interfaces /, j différentes, pour autant que les zones de cohérences des deux interféromètres soient positionnées respectivement autour des interfaces /, j et que, si les faisceaux de mesure proviennent de la même source les interfaces /, j soient séparées d'une distance supérieure à la longueur de cohérence de la source, l'interférogramme sur le détecteur peut être représenté par l'équation suivante : [Mathô]
Figure imgf000036_0001
avec [Math7]
Figure imgf000036_0002
et [Math8]
Figure imgf000036_0003
En choisissant un angle entre les faisceaux de mesure et de référence suffisamment élevé, et des angles entre les faisceaux de référence suffisamment différents, ces différents termes ou ordres de diffraction sont séparés dans le domaine de Fourier, et peuvent êtres filtrés. Les termes correspondant aux images réelles des interfaces /, j peuvent alors être obtenus par filtrage dans le domaine de Fourier par : [Math9]
Figure imgf000036_0004
et [MathlO]
Figure imgf000036_0005
Mi et Mj sont les filtres appliqués dans le domaine fréquentiel pour filtrer le terme correspondant à l'image réelle pour l'interface /, j considérée. Comme précédemment, une fois qu'on a obtenu le terme correspondant à l'image réelle Eki* fmi(rd) , respectivement, 5Rj*5mj(rd), il est possible de l'illuminer numériquement avec une onde de référence numérique ERDI, respectivement ÊRDj correspondant à l'onde de référence utilisée pour l'interface /, j considérée, pour obtenir l'expression du champ électromagnétique recherché Emi(rd), respectivement Emj(rd), en appliquant l'équation [Math5].
Il est à noter qu'en supposant l'onde de référence constante ou uniforme, cette étape peut également être réalisée dans le domaine de Fourier en translatant l'image filtrée en bande de base (autour de la fréquence nulle).
Il est ensuite possible de déterminer, en utilisant la phase q>mi(rd), respectivement q>mj(rd) du champ électromagnétique Emi(rd), respectivement fmj(rd), la forme optique Lmi(rd), respectivement Lmj(rd) de chaque interface /, j avec la relation [Mathl], ainsi que leur forme géométrique respective Smi(rd), Smj(rd) avec la relation [Math2].
La forme optique ou géométrique obtenue comme décrit précédemment est une forme telle que projetée sur le détecteur. Pour obtenir la forme optique ou géométrique réelle de l'interface, il faut encore prendre en compte l'effet du système optique entre l'interface et le détecteur.
Pour déterminer la forme réelle d'une interface / mesurée, en particulier lorsqu'elle se trouve dans un plan objet conjugué du plan image du détecteur et en considérant un système optique parfait, on peut utiliser simplement le grandissement du système d'imagerie qui fait correspondre à un point ra du détecteur un point r\ dans le plan objet conjugué, r\ étant un vecteur de coordonnées vers des points du plan objet conjugué dans le système de référence (X, Y, Z). On obtient ainsi la forme géométrique réelle de l'interface, avec le bon grandissement Smi(ri).
Selon un mode de réalisation, il est possible de prendre en compte les aberrations du système optique. Cela peut être fait par exemple par calibrage, en effectuant des mesures sur un miroir positionné à la place de l'élément optique 1000. On peut ainsi déterminer une forme optique résultant de ces aberrations, qui peut être soustraite de la forme optique mesurée. On peut ainsi également prendre en compte le profil de phase du faisceau de référence sur le détecteur. Ceci permet d'améliorer la précision de la mesure de forme réalisée par le procédé selon l'invention. Il est à noter également que si les interfaces à mesurer ne sont pas positionnées dans un plan objet conjugué du détecteur, on introduit une aberration optique supplémentaire due à la défocalisation qu'il faut prendre en compte dans les calculs.
Suivant les méthodes d'acquisition et de traitement, en en particulier en mettant en œuvre une technique d'holographie numérique comme décrit précédemment, il est possible d'obtenir une expression complète (avec l'amplitude et la phase) du champ électromagnétique fmi(rd) au détecteur. Il est alors possible de propager le champ électromagnétique numériquement, par exemple vers un autre plan de reconstruction, avec des méthodes connues. Des méthodes utilisent notamment l'approximation de Fresnel, telles que par exemple l'approche par transformée de Fourier (Appl. Opt. 38, 6994-7001 (1999)), les spectres angulaires (Opt. Express 13, 9935-9940 (2005)) ou les convolutions (Meas. Sci. Technol. 13, R.85-R.101 (2002)).
Par exemple, dans le cas où le détecteur n'est pas exactement dans un plan image conjugué du plan objet d'une interface, on peut déterminer le champ électromagnétique Emi(rd) dans le plan image en propageant numériquement le champ électromagnétique mesuré au détecteur jusqu'à ce plan.
De même, il est possible de déterminer plus rigoureusement la forme des interfaces en propageant le champ électromagnétique à partir du plan du détecteur jusqu'à l'interface considérée.
Les interfaces de l'élément optique 1000 traversées par le ou les faisceaux de mesure avant une interface / considérée 103 modifient également la propagation du faisceau de mesure. Elles doivent donc être prises en compte pour obtenir une information de forme optique ou géométrique réelle de l'interface /.
L'étape de traitement 716 peut comprendre donc une étape de correction pour tenir compte des milieux traversés par le faisceau de mesure. Cette correction peut être appliquée sur les formes optiques ou géométriques obtenues précédemment.
Selon un premier exemple, cette étape de correction est réalisée par l'utilisation de modèles de propagation des ondes électromagnétiques au travers des différents matériaux et interfaces jusqu'à l'interface / considérée, incluant tous les composants optiques de l'interféromètre et les interfaces de l'élément optique à mesurer 1000 traversées.
A titre d'illustration, on peut utiliser le modèle simple décrit ci-dessous. Ce modèle est valide dans l'approximation de Fresnel, en supposant une propagation des ondes électromagnétiques dans des milieux homogènes et au travers d'interfaces lisses ou spéculaires, sans modulation de l'amplitude. Il est donc notamment applicable pour la mesure d'éléments optiques avec des éléments ou des lentilles réfractives.
On suppose en outre que chaque interface 103 mesurée est positionnée dans un plan objet conjugué du plan image du détecteur par le système optique présent entre les deux. Cela peut être obtenu soit en la mesurant dans le plan objet conjugué du plan image du détecteur, soit en repropageant la mesure dans un plan image conjugué du plan de l'interface pour corriger les erreurs de défocalisation. Dans ces conditions, on peut obtenir une image de l'interface avec une relation entre ces plans objets et image qui peut se modéliser par un simple grandissement G, comme expliqué précédemment.
Il est à noter que la relation, et donc le grandissement, entre le plan image et le plan objet correspondant à chaque interface dépend des interfaces de l'élément optique 1000 traversées par le faisceau de mesure jusqu'à l'interface considérée. Toutefois, en pratique, dans la mesure où le grandissement est essentiellement déterminé par le système optique de l'interféromètre, tel que par exemple l'objectif de focalisation 207 et la lentille de tube 209, du fait de leur puissance optique élevée, on peut supposer un grandissement G connu et identique entre le plan image et les plans objets positionnés au niveau des différentes interfaces.
On note £o(rd) le champ électromagnétique du faisceau de mesure incident sur le détecteur tel que réfléchi par un élément de référence, comme un miroir plan.
Le champ électromagnétique 5mi(rd) réfléchi sur la première interface de l'élément optique à mesurer et incident sur le détecteur peut s'écrire [Mathll]
Figure imgf000039_0001
où q>mi(rd) est la phase due à la réflexion sur la première interface, telle que détectée par l'une des méthodes interférométriques décrites précédemment en positionnant la zone de cohérence et le plan objet conjugué du plan image du détecteur sur la première interface.
On peut en déduire, comme décrit précédemment, la forme optique de la première interface : [Mathl2]
Figure imgf000040_0001
Le champ électromagnétique réfléchi sur la deuxième interface et incident sur le détecteur peut s'écrire, en négligeant les termes de propagation qui n'interviennent pas dans les calculs : [Mathl3]
Figure imgf000040_0002
où (priz'd) est la phase due à la réflexion sur la deuxième interface, telle que détectée par l'une des méthodes interférométriques décrites précédemment en positionnant la zone de cohérence et le plan objet conjugué du plan image du détecteur sur la deuxième interface.
Le terme
[Mathl4]
Figure imgf000040_0003
est la phase apparente, telle que mesurée, qui inclut des termes dépendant de l'interface mesurée et de l'interface précédente traversée par le faisceau de mesure pour atteindre l'interface mesurée. Dans la mesure où on connaît q>mi(rd), déterminé précédemment, on peut donc déterminer
Figure imgf000040_0005
A partir de q>m2(rd), la forme optique corrigée, ou réelle, de la deuxième interface peut être déterminée comme suit : [Mathl5]
Figure imgf000040_0004
Une fois qu'on a obtenu les formes et les positions optiques, on peut en déduire les formes géométriques en prenant en compte les indices de réfraction des différents matériaux, et le grandissement entre les plans image et objet.
Selon un deuxième exemple, l'étape de correction est réalisée en calculant une fonction d'étalement du point (« Point Spread Function » en Anglais, PSF) ou une fonction de transfert optique (dans le domaine de Fourier) du système optique traversé par le faisceau de mesure jusqu'à l'interface / considérée, incluant tous les composants optiques de l'interféromètre et les interfaces de l'élément optique à mesurer traversées.
L'étape de correction peut être réalisée en utilisant des informations de conception sur l'élément optique, lorsqu'elles sont disponibles. On peut par exemple utiliser des informations de conception, telles que les formes ou les courbures nominales d'interfaces, pour corriger l'effet des interfaces traversées par le faisceau de mesure en mettant en œuvre par exemple l'un des modèles décrits précédemment. On peut ainsi par exemple valider la forme d'une interface dans un champ de vue avec une mesure, puis en utiliser la forme nominale complète (en particulier pour des formes asphériques ou « freeform ») pour corriger les mesures des interfaces suivantes. On peut également, par exemple, utiliser une forme d'interface nominale, mais positionnée le long de l'axe optique en fonction des mesures.
L'étape de correction est réalisée séquentiellement, dans l'ordre des interfaces traversées de l'élément optique. Ainsi, pour chaque interface considérée, on dispose des formes optiques et/ou géométriques corrigées des interfaces précédentes traversées par le faisceau de mesure.
L'étape de correction peut être réalisée selon différentes séquences.
Il est notamment possible d'acquérir ou de mesurer toutes les phases ou toutes les formes optiques apparentes (non corrigées) pour toutes les interfaces, puis de calculer les formes optiques et les formes géométriques corrigées dans une séquence ultérieure.
Il est également possible d'acquérir et de traiter séquentiellement les signaux interférométriques des différentes interfaces. Dans ce cas, il est possible d'utiliser la forme optique ou géométrique réelle (corrigée) des interfaces préalablement déterminées pour ajuster plus rapidement la focalisation du dispositif, et en particulier pour positionner plus efficacement le plan objet sur l'interface suivante.
Comme expliqué précédemment, les formes géométriques des interfaces et les épaisseurs des composants peuvent être déterminées à partir des formes et épaisseurs optiques en connaissant les matériaux de l'élément à mesurer ou au moins leurs indices de réfraction.
Selon un exemple, les positions et les formes géométriques réelles des interfaces peuvent être déterminées séquentiellement, pour chaque mesure d'interface. Cela peut permettre, par exemple, d'utiliser ces informations pour calculer la propagation de la lumière qui les traverse pour la mesure des interfaces suivantes.
Il est également possible de caractériser complètement l'élément optique à mesurer en termes de grandeurs optiques, sans connaissances a priori concernant les matériaux. On peut donc déterminer toutes les formes optiques et positions optiques d'interfaces corrigées des effets de propagation, puis calculer les formes et dimensions géométriques de l'élément optique dans une étape ultérieure.
Selon le mode de réalisation représenté sur la Figure 6, le procédé 7000 comprend également une étape 718 d'obtention d'une information de distance entre les interfaces mesurées 103.
Comme évoqué précédemment, suivant un aspect avantageux de l'invention, cette étape 718 peut être réalisée en mesurant la différence de trajets optiques entre les faisceaux de référence utilisés pour mesurer les interfaces concernées. Pour mesurer la différence des trajets optiques, une information de positionnement d'au moins l'une des lignes à retard du dispositif de mesure peut être exploitée, comme expliqué en relation avec la description des dispositifs 2000 à 6000.
L'information de distance peut correspondre, par exemple, à une épaisseur d'un composant tel qu'une lentille, ou à une distance entre deux composants. Cette information de distance peut être optique, ou, en prenant en compte l'indice de réfraction des milieux traversés, géométrique.
Il est à noter que cette information de distance peut être obtenue par tout autre moyen, tel qu'un interféromètre additionnel mesurant directement la position des interfaces 103 le long d'un axe de mesure. Selon le mode de réalisation représenté sur la Figure 6, le procédé 7000 comprend en outre une étape 720 d'analyse des interfaces, en exploitant les informations de forme obtenues à l'étape 716 de traitement du procédé 7000 et éventuellement les informations de distance de l'étape 718. Il est par exemple possible d'obtenir : des mesures de décentrement et/ou d'inclinaison de chaque interface par rapport à un référentiel global, tel qu'un axe optique de l'élément optique ; des mesures de position relative, de distance, de décentrement et/ou d'inclinaison de chaque interface mesurée relativement aux autres.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure, pour mesurer la forme d'interfaces à mesurer (103) d'un élément optique (1000) comprenant une pluralité d'interfaces, le dispositif comprenant :
- au moins une source de lumière (212, 212i, 2122) à faible cohérence ;
- au moins un capteur optique (202, 202i, 2022) ;
- un dispositif interférométrique illuminé par ladite ou lesdites source(s) de lumière (212, 212i, 2122) et configuré pour : o former au moins un faisceau de mesure (206, 206i, 2062) et au moins deux faisceaux de référence (216i, 2162), o diriger ledit au moins un faisceau de mesure (206, 206i, 2062) vers l'élément optique (1000) de sorte à traverser les interfaces à mesurer (103), o diriger la lumière issue d'au moins deux interfaces à mesurer (103) vers le ou les capteur(s) optique(s) (202, 202i, 2022), ledit ou lesdits capteur(s) optique(s) (202, 202i, 2022) étant globalement configuré(s) pour détecter sélectivement au moins deux signaux d'interférence résultant respectivement d'interférences entre l'au moins un faisceau de mesure (206, 206i, 2062) réfléchi par l'une desdites au moins deux interfaces à mesurer (103) et l'un des au moins deux faisceaux de référence (216i, 2162); le dispositif de mesure comprenant en outre :
- des moyens de positionnement (208, 211i, 2H2) configurés pour positionner une zone de cohérence au niveau de chacune des au moins deux interfaces à mesurer (103) ; et
- des moyens numériques de traitement configurés pour produire, à partir des signaux d'interférence, une information de forme de chacune desdites interfaces à mesurer (103) selon un champ de vue (108).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'information de forme comprend la forme optique et/ou la forme géométrique des interfaces à mesurer (103).
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour déterminer une différence de trajets optiques entre les faisceaux de référence (216i, 2162).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux lignes à retard (211i, 2H2) insérées chacune dans l'un des faisceaux de référence (216i, 2162).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de positionnement (208, 211i, 2H2) sont en outre configurés pour positionner relativement un plan objet conjugué d'un plan image du capteur au niveau ou au voisinage d'une interface à mesurer (103), ou entre les au moins deux interfaces à mesurer (103).
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif interférométrique est de type interféromètre de Michelson ou de Linnik.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le dispositif interférométrique est de type interféromètre de Mach-Zehnder.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux sources de lumière (212i, 2122) émettant de la lumière avec des longueurs d'onde différentes l'une de l'autre.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de capteurs optiques (202i, 2022), chacun étant illuminé par un faisceau de référence (216i, 2162) distinct.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur optique (202) illuminé par une pluralité de faisceaux de référence (216i, 2162).
11. Procédé de mesure (7000), pour mesurer la forme d'interfaces à mesurer (103) d'un élément optique (1000) comprenant une pluralité d'interfaces, le procédé (7000) étant mis en œuvre par un dispositif de mesure comprenant au moins une source de lumière (212, 212i, 2122) à faible cohérence, au moins un capteur optique (202, 202i, 2022), un dispositif interférométrique illuminé par ladite ou lesdites source(s) de lumière (212, 212i, 2122) et configuré pour (i) former au moins un faisceau de mesure (206, 206i, 2062) et au moins deux faisceaux de référence (216i, 2162), (ii) diriger ledit au moins un faisceau de mesure (206, 206i, 2062) vers l'élément optique (1000) de sorte à traverser les interfaces à mesurer (103), et (iii) diriger la lumière issue d'au moins deux interfaces à mesurer (103) vers le ou les capteur(s) optique(s) (202, 202i, 2022), le dispositif comprenant en outre des moyens de positionnement (208, 2111, 2H2) et des moyens numériques de traitement, caractérisé en ce que ledit procédé (7000) comprend les étapes suivantes :
- positionnement (713), par les moyens de positionnement, d'une zone de cohérence au niveau de chacune des au moins deux interfaces à mesurer (103) ;
- détection sélective (714), par ledit ou lesdits capteur(s) optique(s) (202, 202i, 2022), d'au moins deux signaux d'interférence résultant respectivement d'interférences entre l'au moins un faisceau de mesure (206, 2061, 2062) réfléchi par l'une desdites au moins deux interfaces à mesurer (103) et l'un des au moins deux faisceaux de référence (216i, 2162) ; et
- traitement (716) des signaux d'interférence par les moyens numériques de traitement, de sorte à produire une information de forme de chacune desdites interfaces à mesurer (103) selon un champ de vue (108).
12. Procédé (7000) selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape (720) d'analyse des interfaces (103) en exploitant les informations de forme, de sorte à produire au moins l'une des informations suivantes :
- une forme géométrique d'une interface (103),
- une comparaison entre une forme d'une interface et un modèle géométrique ;
- un décentrement et/ou une inclinaison des interfaces (103) ;
- une position relative, un décentrement et/ou une inclinaison d'une interface (103) relativement à une autre.
13. Procédé (7000) selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape (718) de détermination d'une différence de trajets optiques entre les faisceaux de référence (216i, 2162).
14. Procédé (7000) selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de détermination d'une distance optique et/ou géométrique entre des interfaces à mesurer (103), en utilisant la différence de trajets optiques entre les faisceaux de référence (216i, 2162).
15. Procédé (7000) selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape (712) de positionnement relatif d'un plan objet conjugué d'un plan image du capteur (202, 202i, 2022) au niveau ou au voisinage d'une interface à mesurer (103), ou entre les au moins deux interfaces à mesurer (103).
16. Procédé (7000) selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que l'étape (716) de traitement des signaux d'interférence comprend une analyse par profilométrie d'une pluralité d'interférogrammes acquis pour une même interface à mesurer (103).
17. Procédé (7000) selon la revendication 16, caractérisé en ce que la pluralité d'interférogrammes est acquise selon une méthode interférométrique par décalage de phase, ou selon une méthode interférométrique par balayage vertical.
18. Procédé (7000) selon l'une des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que l'étape (716) de traitement des signaux d'interférence met en œuvre un procédé de calcul par holographie numérique.
19. Procédé (7000) selon l'une quelconque des revendications 11 à 18, caractérisé en ce que l'étape (716) de traitement des signaux d'interférence comprend en outre une étape de correction prenant en compte une information de forme des interfaces traversées par le ou les faisceaux de mesure, pour obtenir une information de forme optique et/ou de forme géométrique des interfaces à mesurer (103).
20. Procédé (7000) selon l'une quelconque des revendications 11 à 19, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre pour mesurer les formes et/ou les positions des interfaces d'un élément optique (1000) sous la forme d'un assemblage optique avec des lentilles (102), tel qu'un objectif de smartphone, les interfaces (103) comprenant les surfaces des lentilles (102).
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