Brevet FR2664048A1 — publié le 19920103

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION ANALOGIQUE MULTICANAL La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection analogique multicanal. Les détecteurs multicanaux tels que les barrettes ou matrices de photodiodes se développent très rapidement et sont maintenant d'usage courant. Les méthodes de détection fréquemment utilisées avec les détecteurs monocanaux afin d'améliorer leur rapport signal/bruit sont souvent difficiles à transposer directement aux détecteurs multicanaux C'est la raison pour laquelle, le développement d'un procédé et d'un dispositif de détection analogique multicanal revêt un grand intérêt. En particulier, la méthode de détection synchrone est couramment utilisée avec les détecteurs monocanaux. Elle donne entière satisfaction et son intérêt n'est plus à justifier. Selon cette méthode, utilisable aussi bien pour les spectromètres, les dichromètres, les polarimètres, les ellipsomètres, les microscopes optiques ou électroniques à balayage, les microscopes interférentiels, etc, une source, le plus souvent une source lumineuse, est modulée. Après détection, le signal modulé est amplifié puis multiplié par une référence dont la valeur moyenne est nulle Un filtre passe-bas suivi d'un amplificateur continu permet d'obtenir l'information avec une bonne réjection du bruit Un taux de réjection de plus de 90 décibels est ainsi fréquemment obtenu. Compte-tenu de l'intérêt de cette méthode, on a cherché à la transposer, lors de l'utilisation de détecteurs multicanaux. A cet effet, une première solution consiste à coupler autant de détecteurs synchrones qu'il existe d'éléments dans le détecteur multicanal Cette solution demande la lecture en parallèle du circuit spécialisé et devient vite impossible à mettre en oeuvre pour des détecteurs comprenant un grand nombre d'éléments. A titre indicatif, des détecteurs multicanaux actuellement répandus sont des barrettes ou des matrices de diodes comportant de 256 à plusieurs millions de canaux. Une deuxième solution est de lire en série chacun des éléments du détecteur multicanal à une fréquence plus élevée que la fréquence de modulation, de numériser l'information, de la stocker dans différentes mémoires, puis de traiter le signal ainsi moyenné par un dispositif informatique programmé. Cette solution est limitée actuellement par le temps de gestion des mémoires numériques et ne peut être mise en oeuvre qu'avec des fréquences de modulation du signal très faibles (quelques Hertz) De plus, la moyenne étant faite numériquement, il est nécessaire d'utiliser des convertisseurs analogiques/numériques de très grande résolution (supérieure ou égale à 12 bits) pour obtenir une bonne dynamique et une rapidité raisonnable de mesure De tels convertisseurs sont très coûteux. Des difficultés analogues sont rencontrées dans la mise en oeuvre des détections hétérodynes appliquées aux détecteurs multicanaux. L'objectif de l'invention est donc de proposer un procédé et un dispositif de détection analogique multicanal dont la mise en oeuvre est simple, qui améliorent le rapport signal/bruit du signal mesuré et présentent une bonne dynamique. A cet effet, il est proposé un procédé de détection analogique multicanal d'un signal à détecter dans lequel: le signal à détecter est modulé, produisant un signal modulé S(P) de fréquence f accompagné de bruit; le signal modulé est soumis à une atténuation synchrone de phase e produisant un signal modulé atténué; le signal modulé-atténué est reçu par un récepteur multipoint qui produit, pour chaque point, un signal électrique analogique primaire; chaque signal analogique primaire est intégré sur N périodes produisant, pour chaque point P, une valeur V(P,); les valeurs V(P,I), pour l'ensemble des points et pour une valeur de phase i fixée, sont lues, numérisées, mises en mémoire; on augmente successivement (n-l) fois la phase P de 2 ir/n, et pour chacune de ces valeurs on reproduit les opérations permettant de mettre en mémoire les valeurs V(Pl); on traite numériquement les N valeurs V(P,) obtenues respectivement pour chaque point P de manière à produire une donnée représentative de l'amplitude et de la phase de S(P). L'invention concerne également un dispositif de détection analogique multicanal d'un signal à détecter comprenant: un modulateur produisant un signal modulé S(P); des moyens d'atténuation synchrone de phase variable e produisant un signal modulé atténué; un récepteur multipoint recevant le signal modulé-atténué et produisant pour chaque point un signal analogique primaire; un intégrateur produisant pour chaque point une valeur V(P,i) résultant de l'intégration sur N périodes du signal analogique primaire; des moyens de lecture, de numérisation et de mise en mémoire des valeurs V(P,e) pour une valeur e donnée; un séquenceur de phase donnant successivement à e les valeurs e + i 2 v/n pour i entier variant de 1 à N; une unité de traitement numérique permettant l'obtention de données représentatives de S(P) à partir des valeurs V(P,). L'invention sera décrite plus en détail en référence aux figures annexées dans lesquelles: La figure 1 est une représentation schématique d'un récepteur multipoint utilisé selon l'invention. La figure 2 est un chronogramme du procédé de détection selon l'invention. La figure 3 est une représentation d'ensemble du dispositif de détection selon l'invention. La figure 4 représente le dispositif de détection de l'invention dans un premier exemple d'application. La figure 5 représente un deuxième exemple d'application du dispositif de détection selon l'invention. La figure 6 est une vue schématique détaillée du dispositif de détection de l'invention. La figure 7 est le schéma d'un dispositif de microscopie en lumière polarisée avec lequel le dispositif de détection de l'invention est utilisé. La figure 8 est un exemple d'image obtenue avec des dispositifs des figures 7 et 8. Le procédé et le dispositif de détection analogique multicanal de l'invention peuvent être utilisés de manière très générale pour la détection de nombreux types de signaux Toutefois, ils sont particulièrement bien adaptés à la réalisation de mesures de flux lumineux avec des photodiodes sous forme de barrettes ou de matrices. Il est en soi connu que dans un tel détecteur, chaque photodiode 1 est équivalente au montage en parallèle d'une diode 2 et d'un condensateur 3 Le courant fourni à ce circuit est fonction du flux lumineux reçu par la photodiode 1 Un interrupteur commandable Il permet la lecture de la charge du condensateur 3 au moment choisi et par là de mesurer l'énergie lumineuse reçue entre deux lectures, c'est-à-dire l'intégrale du flux. Les barrettes ou matrices de photodiodes comportent un très grand nombre d'éléments de ce type variant selon les applications recherchées de 256 à plusieurs millions d'éléments Un dispositif adapté permet la commande successive des interrupteurs Il, 12, I 3, Ii de manière à permettre l'acquisition de signaux représentatifs des énergies respectives E 1, E 2, E 3,, Ej, reçues par les photodiodes correspondantes. De manière générale, le signal à détecter est modulé de manière à obtenir un signal modulé S(P) de fréquence f et de période T Ce signal est bien entendu accompagné de bruit. Cette fréquence de modulation f peut être relativement élevée, par exemple plusieurs centaines de M Hz puisque, comme nous le verrons par la suite, la fréquence de lecture des informations fournies par le récepteur multipoint et digitalisation de ces informations est fortement réduite par rapport à la fréquence f. Dans certains cas particuliers, le phénomène physique observé produit directement un signal périodique dans la gamme de fréquence f indiquée plus haut et peut être directement exploité Le plus souvent, le signal à détecter est tout d'abord volontairement modulé comme pour l'application selon les principes connus de la détection synchrone pour un détecteur unique ou de la détection hétérodyne Cette modulation peut être obtenue par de nombreux dispositifs Lorsque le signal à détecter est un signal lumineux porté par un faisceau produit par une source lumineuse, il est possible de moduler directement l'alimentation de la source pour obtenir le signal modulé. Il est également possible d'utiliser un moyen de modulation interposé entre la source et le récepteur multipoint, par exemple une cellule de POCHELS, modulateur mécanique, modulateur élasto-optique, polariseur tournant, Le signal modulé S(P) représenté par exemple sur la figure 2 est ensuite soumis à une atténuation synchrone de phase représentée par A( ) de manière à produire un signal modulé atténué le signal d'atténuation A( ) est un signal périodique de même fréquence f que le signal modulé S(P) et il est possible de faire varier sa phase e déterminant son déphasage par rapport à S(P) Tout en respectant ces conditions, il peut revêtir des formes variables, être constitué d'une succession de créneaux, être lui-même sinusoïdal, La description qui va suivre, en référence aux figures 2 et 3, concerne le cas d'une fonction A( ) en créneaux. Cette fonction A( ) a la valeur 1 pendant une fraction 1/n de la période et une valeur nulle en dehors. le signal modulé atténué S(P) x A( ) correspond donc à un découpage d'une fraction 1/n de chaque période du signal S(P), à phase constante (sur la figure 2, N = 4). Le signal lumineux ainsi modulé et atténué est adressé sur le récepteur multipoint qui convertit, pour chacun des points, le signal lumineux reçu en un signal électrique analogique primaire de même forme. Ce signal électrique analogique primaire est intégré sur N périodes et produit une valeur V(P,e). Pour chaque point P, la valeur V(Pe) est donc produite par le flux lumineux reçu par le détecteur en ce point pendant N périodes du signal S(P). Les valeurs V(P,i) pour l'ensemble de points, pour une valeur de phase i fixée, sont alors lues, numérisées et mises en mémoires Ces opération de lecture, numérisation, mise en mémoire sont donc effectuées à la fréquence f/N. Après avoir réalisé ces opérations pour une valeur f donnée, on augmente cette phase e de l'atténuation synchrone A( ) par rapport au signal modulé S(P) de 2 ff/n. On produit alors un nouveau découpage du signal S(P) correspondant à l'intervalle de temps de 2 w/n suivant l'intervalle précédemment découpé. De manière analogue, le signal modulé atténué est reçu par le récepteur multipoint qui produit pour chaque point un signal électrique analogique primaire Ce nouveau signal analogique primaire est alors également intégré sur N périodes et produit pour chaque point une valeur V(P,e) correspondant à la nouvelle valeur de i Ces nouvelles valeurs V(P,i) sont à nouveau lues, numérisées et mises en mémoire. On augmente successivement (n-1) fois la phase e de 2 g/n mettant ainsi en mémoire N ensembles de valeurs V(P,e). Il est important de souligner que dans ces opérations, la lecture et la numérisation des valeurs V(P, f) ont été réalisées à la fréquence f/N donc à une fréquence qui peut être beaucoup plus faible que la fréquence f Il est ainsi possible, comme nous l'avons indiqué plus haut, de dissocier la fréquence de modulation du signal à détecter f de la fréquence de lecture et de numérisation des signaux fournis par le récepteur multipoint Cette caractéristique permet d'améliorer considérablement le rapport signal/bruit de la détection et permet également la mise en oeuvre d'un procédé de détection hétérodyne avec tout détecteur multipoint et en particulier avec des détecteurs de flux lumineux de type CCD. Lorsque le récepteur multipoint est composé d'éléments CCD, l'intégration du signal analogique primaire est directement obtenue au niveau de chaque photodiode La lecture des valeurs V(Pe) pour chaque valeur du déphasage i est obtenue par l'action d'un registre à décalage 41 qui commande les interrupteurs 40-1, 40-2,, 40-i, et produit un signal sur la ligne vidéo 42 Après amplification par l'amplificateur 43, le signal vidéo porteur des information v(Po) est numérisé par le convertisseur analogique/numérique 44 et mis en mémoire dans un dispositif informatique 45. Une horloge 46 assure la synchronisation de l'atténuation avec le signal modulé et commande la lecture des valeurs v(PD). Ainsi, a été mise en mémoire une valeur v(P,-) pour chacun des points P De manière en soi connue, l'unité de traitement 46 traite ces N valeurs de manière à produire des données représentatives de l'amplitude et de la phase du signal S(P). Ces valeurs sont alors disponibles pour tout usage, elles peuvent être visualisées sur un écran, représentées à l'aide d'une traçante, commander tout dispositifp. La description qui précède a été faite en référence à l'utilisation d'une atténuation représentée par une fonction créneaux, toute autre fonction périodique positive peut être utilisée à cet effet pour autant que N ensembles de valeurs v(Pe) sont produits pour des valeurs du déphasage de l'atténuation par rapport au signal modulé variant de 2 w/n. Sur la figure 2, N = 4 Des valeurs élevées de n permettent de mesurer des harmoniques du signal à une fréquence multiple de f. Les figures 4 et 5 sont deux représentations d'un dispositif de détection mettant en oeuvre l'invention Une source lumineuse 50 est utilisée pour l'observation d'un phénomène physique donnant naissance au signal à détecter. Le faisceau lumineux 51 produit par cette source est détecté par un détecteur multipoint 52, par exemple constitué par une barrette de photodiodes CCD (dispositif à transfert de charge) Entre la source 50 et le récepteur multipoint 52 sont placés les moyens de modulation 53 du faisceau lumineux. Dans l'exemple de réalisation présenté sur la figure 4, l'atténuation est produite par l'obturateur 54 alors que dans l'exemple représenté sur la figure 5, l'atténuation est produite en actionnant l'alimentation 55 de la source lumineuse 50 Dans les deux modes de réalisation, les moyens de modulation 53 et les moyens d'atténuation 54 ou 55 sont commandés par une même horloge 56 qui assure leur synchronisation Cette même horloge 56 pilote, par l'intermédiaire du module de pilotage 57, la lecture de la barrette de diodes 52 Le signal vidéo porteur des valeurs v(Po) pour chaque valeur du déphasage P est adressé à l'unité de traitement 58. On décrira maintenant l'application du procédé de détection de l'invention à la mesure de rugosité par microscopie interférentielle en référence aux figures 6, 7 et 8. La figure 7 A est le schéma optique général, les figures 7 B et 7 C sont des représentations de l'objet 70 et du détecteur multipoint dans leur plan. L'objet 70 dont la rugosité est mesurée est un réflecteur La source 71 produit, après traversée d'un prisme de WOLLASTON 72, deux faisceaux 73 et 74 polarisés perpendiculairement et focalisés par l'effet de l'oculaire , de la lentille de tube 76 et de l'objectif 77 sur l'objet 70 Une lentille cylindrique 78 déforme les faisceaux de telle sorte qu'ils focalisent le long des lignes 79 et 80. Un cube séparateur 81 dirige les faisceaux réfléchis vers le récepteur multipoint 82 constitué par une barrette de photodiodes CCD Une lentille 83 produit la focalisation des faisceaux sur le récepteur, un modulateur élasto-optique 84 module la différence de phase entre les deux faisceaux et un polariseur 85 produit leur interférence. Ainsi, pour chaque couple de points des lignes 79 et 80 de l'objet 70, la différence de phase entre les faisceaux réfléchis dépend de la différence de marche introduite aux points de mesure, c'est-à-dire de leurs positions relatives par rapport à un plan normal au faisceau. Le signal reçu au point 88 du récepteur 82 correspondant aux points 86, 87 (les points 86, 87 et 88 sont optiquement conjugués) dépend de la différence de phase entre les faisceaux et donc des positions relatives des points 86, 87 par rapport au plan normal du faisceau. L'ensemble des signaux reçus aux différents points du détecteur 82 permet de mesurer la rugosité de l'objet 70 le long des lignes 79, 80 En déplaçant l'objet 70, perpendiculairement à ces lignes, on balaye l'ensemble de sa surface. Le micro-ordinateur 100 pilote la mesure, conserve en mémoire les valeurs v(Pe) fournies par le détecteur multipoint 82 et produit les valeurs mesurées représentatives de S(P). L'horloge 101 commande et synchronise, par l'intermédiaire du bloc 102 de mise en forme et de traitement le signal de modulation, l'atténuation et la lecture du registre CCD 103 associé à la barrette de photodiodes 82. La modulation est produite par la commande du modulateur 84 à la fréquence de 50 K Hz. L'atténuation est produite par la commande de l'alimentation 104 de la source 105 par le bloc 102 le signal d'atténuation est composé de deux signaux périodiques décalés de v envoyés séquentiellement à l'entrée de l'alimentation 104 (A(e) est une fonction créneaux, N = 2). La lecture du registre CCD 103 est faite pour chaque phase du signal d'atténuation après stockage de plusieurs expositions, par exemple 1 000 (N = 1 000) La lecture est donc faite à 50 Hz. Le signal vidéo produit par la lecture du registre CCD 103 est adressé au convertisseur analogique-numérique 106 et les valeurs lues mises en mémoire dans le micro- ordinateur 100. Celui-ci, effectuant la différence entre les valeurs obtenues lors de deux lectures pour des atténuations en opposition de phase, extrait, pour chaque point du détecteur, l'amplitude du signal. La figure 8 est un exemple de visualisation de rugosité d'un échantillon obtenu avec le dispositif décrit. Le procédé et le dispositif de détection multicanal décrits peuvent être appliqué dans de nombreux domaines En particulier, ils peuvent être utilisés dans des spectromètres, des dichromètres, des polarimètres, des ellipsomètres, des microscopes optiques, électroniques à balayage, il R E V E N D I C A T I O N S 1 Procédé de détection analogique multicanal d'un signal à détecter dans lequel: le signal à détecter est modulé, produisant un signal modulé S(P) de fréquence (f) accompagné de bruit; le signal modulé est soumis à une atténuation synchrone de phase produisant un signal modulé atténué; le signal modulé-atténué est reçu par un récepteur multipoint qui produit, pour chaque point, un signal électrique analogique primaire; chaque signal analogique primaire est intégré sur N périodes produisant, pour chaque point (P), une valeur V(P,); les valeurs V(P, I), pour l'ensemble des points et pour une valeur de phase P fixée, sont lues, numérisées, mises en mémoire; on augmente successivement (n-t) fois la phase e de 27 r/n, et pour chacune de ces valeurs on reproduit les opérations permettant de mettre en mémoire les valeurs V(P,P); on traite numériquement les N valeurs V(P,4) obtenues respectivement pour chaque point (P) de manière à produire une donnée représentative de l'amplitude et de la phase de S(P). 2 Procédé de détection analogique multicanal selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on augmente successivement la phase e de v/2 (n = 4). 3 Procédé de détection analogique multicanal selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'atténuation synchrone est produite par la multiplication du signal modulé par une fonction créneaux prenant successivement les valeurs O et 1. 4 Procédé de détection analogique multicanal selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le signal à détecter est un signal lumineux. Procédé de détection analogique multicanal selon la revendication 4, caractérisé en ce que la modulation du signal à détecter est obtenue par modulation de la source lumineuse. 6 Procédé de détection analogique multicanal selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal électrique analogique primaire, pour chaque point, est obtenu par détection hétérodyne. 7 Dispositif de détection analogique multicanal d'un signal à détecter comprenant: un modulateur ( 53) produisant un signal modulé S (P); des moyens d'atténuation ( 54) synchrone de phase variable e produisant un signal modulé atténué; un récepteur multipoint ( 52) recevant le signal modulé-atténué et produisant pour chaque point un signal analogique primaire; un intégrateur produisant pour chaque point une valeur V(P,e) résultant de l'intégration sur N périodes du signal analogique primaire; des moyens de lecture, de numérisation et de mise en mémoire des valeurs V(P,' ) pour une valeur e donnée; un séquenceur de phase donnant successivement à e les valeurs e + i 27 r/n pour i entier variant de 1 à N; une unité de traitement numérique permettant l'obtention de données représentatives de S(P) à partir des valeurs V(P,e). 8 Dispositif de détection analogique multicanal selon la revendication 7, caractérisé en ce que: le signal à détecter est un signal lumineux porté par un faisceau produit par une source lumineuse; il comporte des photodiodes (CCD) constituant le récepteur multipoint et l'intégrateur. 9 Dispositif de détection analogique multicanal selon la revendication 8, caractérisé en ce que la source lumineuse est une diode laser comportant une alimentation et en ce que les moyens d'atténuation synchrone agit sur l'alimentation de la source. Dispositif de détection analogique multicanal selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens d'atténuation synchrone sont un obturateur placé entre la source lumineuse et le récepteur multipoint. 11 Dispositif de détection analogique multicanal selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection hétérodyne permettant d'améliorer le rapport signal/bruit du signal électrique analogique primaire produit pour chaque point par le récepteur multipoint. 12 Dispositif de détection analogique multicanal selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que les moyens de lecture des valeurs V(P,-) produisent un signal de type vidéo et l'adressent aux moyens de numérisation. 13 Dispositif de détection analogique multicanal selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour effectuer des mesures de différence de marche par microscopie interférentielle en lumière polarisée.