Brevet FR2685789A1 — publié le 19930702

invention concerne la microscopie en champ proche. I1 a longtemps été considéré que la résolution des systèmes d'imageries optiques était limitée par la diffraction. Cette limite est exprimée par le critère de Rayleigh. I1 est maintenant admis que cette limite ne concerne que l'observation en champ "éloigné" et qu'elle peut être dépassée par l'observation en champ proche. A l'origine, l'analyse du champ proche a été fondée sur le balayage de l'objet par une ouverture de dimension très inférieure à la longueur d'onde du faisceau d'illumination. Les différentes méthodes d'observation en champ proche ont ensuite été développées. L'invention concerne plus particulièrement la microscopie à ondes évanescentes, souvent appelée STOM (Scanning Tunnelling Optical Microscopy) ou PSTM (Photon Scanning Tunnelling Microscopy). Dans cette technique, un champ évanescent est produit par réflexion totale d'un faisceau lumineux dit "faisceau de sonde" sur un dioptre plan. L'objet étudié, transparent ou constitué d'une couche mince diélectrique, est déposé sur ce dioptre. Le champ évanescent est ainsi perturbé par l'objet et l'observation de ces perturbations permet d'obtenir une information sur la topographie de l'objet. A cet effet, la face inférieure de l'objet étant au contact du faisceau de sonde, sa face supérieure est explorée par une pointe dite "pointe de sonde optique" qui collecte l'énergie lumineuse en champ proche. La pointe de forme approximativement conique a un diamètre au sommet compris entre 100 et 10 nanomètres environ. Le déplacement de l'objet par rapport à la pointe permet la réalisation de sa cartographie. Lors de la mise en oeuvre d'un tel microscope en champ proche, on cherche généralement à observer une zone donnée de l'objet qui impose le positionnement initial, au moins approximatif, de la pointe. Ce positionnement s'avère souvent délicat. En effet, le positionnement à l'oeil nu n' assure pas une précision suffisante, et l'on recourt alors à l'observation par une lunette binoculaire. La mise en place de cette lunette présente des difficultés en raison de l'encombrement physique des différents éléments entourant l'objet. La face supérieure de l'objet est obstruée par la pointe de la sonde optique, et sa face inférieure par les moyens optiques produisant la réflexion totale du faisceau de sonde. Pour ces raisons, la lunette binoculaire est généralement placée selon un axe incliné par rapport à la normale au plan de l'échantillon. On comprend qu'ainsi l'échantillon n'est pas perpendiculaire à l'axe optique du binoculaire, et qu'il est nécessaire d'effectuer des réglages variables selon le point de l'échantillon que l'on souhaite observer. Le maniement du binoculaire, dans ces conditions, est donc malaisé. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et de proposer un microscope en champ proche qui permette un positionnement contrôlé, et aisé, de la pointe de la sonde optique. Un autre but de l'invention est de proposer un microscope en champ proche permettant d'obtenir une observation optique classique de l'objet à fort grossissement. C'est encore un objectif de la présente invention de fournir un microscope en champ proche, dans lequel le déplacement de l'objet par rapport à la pointe de la sonde optique est réalisé par des moyens simples et contrôlés. A cet effet, l'invention concerne un microscope en champ proche fonctionnant par détection tunnel optique permettant la formation de l'image d'un objet mince comportant - une source de sonde émettant un faisceau de sonde - des moyens optiques dirigeant le faisceau de sonde en un point de l'objet, de manière à produire un champ évanescent par réflexion totale - une pointe de sonde optique placée à proximité de l'objet, du côté opposé au point de contact du faisceau de sonde sur l'objet - des moyens de mesure de l'énergie lumineuse collectée par la pointe de sonde - des moyens de balayage et de contrôle de la position de l'objet par rapport au microscope - des moyens de formation de l'image à partir de la mesure de l'énergie lumineuse collectée, et de la mesure de la position de l'objet pendant le balayage lesdits moyens optiques comportant une lentille hémisphérique ayant une face en forme de demi-sphère et une face plane. Selon l'invention, il comporte un microscope optique classique ayant un objectif, dont l'axe est perpendiculaire au plan de l'objet, permettant l'observation de l'objet et de la pointe de sonde au travers de la lentille hémisphérique. Selon un mode de réalisation préféré, le microscope en champ proche comporte une lame à faces parallèles, de même indice que la lentille hémisphérique, placée sur la face plane de celle-ci et portant l'objet. De préférence, la lentille hémisphérique et la lame à faces parallèles sont séparées par un liquide adaptateur d'indice. L'objectif du microscope optique classique est avantageusement constitué d'une lentille de champ, de la lentille hémisphérique et de la lame à faces parallèles. De préférence, l'épaisseur de la lame à faces parallèles est telle que l'ensemble constitué par la lentille hémisphérique et la lame à faces parallèles forme une lentille de Stanhope. Le balayage de l'objet par rapport au microscope est avantageusement produit par le déplacement de la lame à faces parallèles par rapport à la lentille hémisphérique. La lentille hémisphérique repose avantageusement sur un support comportant une ouverture centrale destinée à recevoir ladite lentille et deux ouvertures latérales inclinées permettant le passage du faisceau de sonde. Un mode de réalisation particulier de l'invention est décrit ci-après, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la Figure 1 est une représentation schématique et globale d' un microscope en champ proche fonctionnant par détection tunnel optique selon l'art antérieur - la Figure 2 est une représentation schématique du microscope en champ proche selon l'invention - la Figure 3 est une représentation détaillée du microscope optique classique selon l'invention et de son positionnement par rapport à l'objet - la Figure 4 est une représentation de détail de la lentille hémisphérique, de la lame à faces parallèles et des moyens d'actionnement de la lame à faces parallèles selon l'invention, vus en coupe verticale - la Figure 5 est une vue de dessus correspondant à la Figure 4. - la Figure 6 est une représentation schématique du plan de l'objet et des différents champs optiques considérés. Le microscope en champ proche fonctionnant par détection tunnel optique est destiné à la formation de l'image d'un objet mince 1. I1 comporte une source de sonde 3 émettant un faisceau lumineux parallèle 5, qui subit une réflexion totale sur un dioptre 7 de moyens optiques 9. La réflexion totale du faisceau lumineux 5 sur le dioptre 7 produit un champ évanescent. L'objet 1, placé au contact du dioptre 7 dans la zone de réflexion du faisceau de sonde 5, produit des perturbations du champ évanescent. Une pointe de sonde optique, placée à proximité de l'objet 1, du côté opposé au point de contact du faisceau de sonde 5 sur l'objet 1, collecte l'énergie lumineuse produite par les perturbations de l'onde évanescente due à la présence de l'objet 1. Cette énergie est mesurée par un détecteur 13 relié à la pointe de sonde optique 11 par une fibre optique 15. Des moyens de déplacement 17a ou 17b, agissant par exemple sur la pointe de sonde optique 11, produisent le balayage de l'objet 1 par la pointe 11. Une unité électronique 19 pilote et contrôle les mouvements de la pointe 11. Une unité électronique 21 reçoit, pour chaque point de mesure, les coordonnées x et y du point de mesure de l'objet 1, fournies par l'unité de mesure 19, et la mesure de l'énergie collectée par la pointe 11 transmise par le récepteur 13.Cette unité de calcul est reliée à une unité de visualisation 23 qui produit l'image de l'objet 1. Les moyens optiques dirigeant le faisceau de sonde 5 en un point de l'objet 1, comportent une lentille hémisphérique 25, aussi appelée lentille demi-boule. Un microscope optique classique 27, placé sous la lentille hémisphérique 25, c'est-à-dire du côté opposé à sa face plane 25a qui porte l'objet 1, permet l'observation de l'objet 1 avec le grossissement traditionnel d'un microscope optique de l'ordre de 20 ou plus. I1 est ainsi possible d'observer l'objet 1, la pointe 11 et donc leur position relative au travers de la lentille hémisphérique 25, avec un microscope optique classique. On appelle ici "microscope optique classique" un microscope comportant un objectif et un oculaire, travaillant en champ éloigné, à la différence du microscope en champ proche. La lentille hémisphérique 25 fait partie de l'objectif du microscope 27. Celui-ci comporte également une lentille de champ 29, un objectif 31 et un oculaire 33. Ainsi, le microscope 27 fonctionne dans des conditions optimales, le plan de l'objet 1 est perpendiculaire à l'axe optique de l'objectif du microscope ; il peut donc être observé au travers du microscope 27, quelle que soit sa position par rapport à la pointe de la sonde 11, sans modification de son réglage. De préférence, une lame à faces parallèles 35, de même indice que la lentille hémisphérique 25, est placée sur celle-ci. L'une de ses faces 35b est au contact de la face plane 25a de la lentille hémisphérique 25, et l'autre face 35a porte l'objet 1. La lame à faces parallèles 35 et la lentille hémisphérique 25 sont séparées par un liquide adaptateur d'indice 37. I1 est donc possible de choisir l'épaisseur de la lame à faces parallèles 35, de telle sorte que l'objet 1 se trouve au point de Weierstrass de la lentille hémisphérique 25. Ainsi, la lentille hémisphérique 25 fonctionne vis-à-vis de l'objet 1 en lentille de Stanhope et fournit une image non aberrante de cet objet. De plus, il est ainsi possible de produire le balayage de l'objet 1 par la pointe de sonde 11 en déplaçant la lame 35 sur la lentille hémisphérique 25. Les moyens de balayage 17 agissant alors sur la lame à faces parallèles 35 sont décrits plus loin. I1 est souhaitable que le microscope 27 soit pourvu d'un moyen d'éclairage spécifique complémentaire de la source 3. Le microscope 27 comporte alors un cube séparateur 39, placé entre la lentille de champ 29 et l'objectif 31. Ce cube séparateur 39 reçoit le faisceau d'éclairage produit par la lampe à filaments 41 et le condenseur 43, et envoie le faisceau d'éclairage 45 produit par cet ensemble vers l'objet 1. De préférence, un filtre interférentiel 47 est interposé de manière à éclairer l'objet 1 à partir d'une source lumineuse, dont le spectre ne recouvre pas le spectre du faisceau de sonde 5. Par ailleurs, le cube séparateur 39 reçoit le faisceauimage en retour et le dirige vers l'objectif 31 et l'oculaire 32. Le confort d'observation au travers du microscope optique 27 peut être amélioré en interposant un prisme à réflexion totale 49 qui permet de choisir l'orientation de l'oculaire 32. Selon une configuration particulièrement avantageuse, la lentille hémisphérique 25 est portée par un support mécanique 51, dans lequel est ménagée une ouverture centrale 53, sur les bords de laquelle repose la lentille hémisphérique 25. Le support 51 qui peut présenter la forme d'une plaque plane, comporte des ouvertures latérales inclinées, respectivement 55 et 57, permettant la propagation du faisceau de sonde 5. La lame à faces parallèles 35, dont les bords ont une forme cylindrique droite à section circulaire, a une position déterminée par l'action de deux actuateurs, respectivement 59 et 61, qui s'opposent à l'effet du ressort 63 relié au support fixe 65. Les points d'application respectifs des actuateurs 59, 61 et du ressort 63 sont disposés à 1200 les uns des autres sur la périphérie de la lame à faces parallèles 35. Les actuateurs 59 et 61 sont, soit des butées micrométriques manipulées manuellement, soit des systèmes piézo-électriques ou des micromoteurs pilotés par les moyens 19b. Ceux-ci fournissent simultanément à l'unité de calcul 21 les informations x et y déterminant la position du point de l'objet 1 analysé par la sonde 11, et peuvent éventuellement être pilotés par l'unité 21. Les actuateurs 59 et 61 sont de préférence des actuateurs piézo-électriques. Sur la Figure 6, ont été représentés l'objet et le champ des différents moyens mis en oeuvre pour son observation. Par rapport à l'objet 1, le point élémentaire, désigné par la référence 67, est le point résolu par la sonde 11 à un instant donné, ou encore lorsqu'elle est fixe. Par l'effet des moyens de déplacement 17a ou 17b, le champ 69 est balayé. Après une séquence d'acquisition de données, c'est-à-dire de balayage de l'objet produit par les actuateurs 61 et 59, les moyens de formation de l'image 21 ont acquis les données représentatives de l'ensemble des points 67 contenus dans le champ 69. l'image du champ 69 est ainsi produite sur l'écran de visualisation 23. Le microscope optique classique 27 a un champ d'observation 71. On comprend qu'ainsi par l'observation visuelle du champ 71, la position du point élémentaire 73, centré dans le champ 69 du microscope en champ proche, peut être précisée et permet de choisir le champ 69 qui sera observé lors d'une séquence de balayage. Le dispositif de l'invention permet donc d'associer harmonieusement des moyens d'observation microscopiques optiques classiques à un microscope en champ proche, alors qu'il était considéré auparavant que la présence de la sonde optique d'une part, et des moyens nécessaires à la production du champ évanescent d'autre part, ne permettait pas la mise en oeuvre d'un tel dispositif. Différentes modalités de réalisation de l'invention sont envisageables, dès lors qu'une lentille hémisphérique est mise en oeuvre et qu'elle permet à la fois la production du champ évanescent dans de bonnes conditions, et la production d'une image optique classique à travers elle. REVENDICATIONS 1. Microscope en champ proche fonctionnant par détection tunnel optique permettant la formation de l'image d'un objet mince (1) comportant - une source de sonde (3) émettant un faisceau de sonde (5) - des moyens optiques (9) dirigeant le faisceau de sonde (5) en un point de l'objet (1), de manière à produire un champ évanescent par réflexion totale - une pointe de sonde optique (11) placée à proximité de l'objet (1), du côté opposé au point de contact du faisceau de sonde (5) sur l'objet (1) - des moyens de mesure (13) de l'énergie lumineuse collectée par la pointe de sonde (11) - des moyens de balayage (17a ou 17b) et de contrôle (19a ou 19b) de la position de l'objet (1) par rapport au microscope - des moyens de formation de l'image (21, 23) à partir de la mesure de l'énergie lumineuse collectée, et de la mesure de la position de l'objet (1) pendant le balayage lesdits moyens optiques comportant une lentille hémisphérique (25) ayant une face en forme de demi-sphère et une face plane, caractérisé en ce qu'il comporte un microscope optique (27) ayant un objectif (31), dont l'axe est perpendiculaire au plan de l'objet (1), permettant l'observation de l'objet (1) et de la pointe de sonde (11) au travers de la lentille hémisphérique (25). 2. Microscope en champ proche selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une lame à faces parallèles (35), de même indice que la lentille hémisphérique (25), placée sur la face plane de celle-ci et portant l'objet (1). 3. Microscope en champ proche selon la revendication 2, caractérisé en ce que la lentille hémisphérique (25) et la lame à faces parallèles (35) sont séparées par un liquide adaptateur d'indice (37). 4. Microscope en champ proche selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le microscope optique (27) comporte un objectif (31) constitué par une lentille de champ (29), la lentille hémisphérique (25) et la lame à faces parallèles (35). 5. Microscope en champ proche selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de la lame à faces parallèles (35) est telle que l'ensemble constitué par la lentille hémisphérique (25) et la lame à faces parallèles (35) forme une lentille de Stanhope. 6. Microscope en champ proche selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les moyens de balayage de l'objet (1) par rapport au microscope (27) produisent le déplacement de la lame à faces parallèles (35) par rapport à la lentille hémisphérique (25). 7. Microscope en champ proche selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la lentille hémisphérique (25) repose sur un support comportant une ouverture centrale destinée à recevoir ladite lentille (25) et deux ouvertures latérales inclinées permettant le passage du faisceau de sonde (5). 8. Microscope en champ proche selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la position de la lame à faces parallèles (35) est commandée par un ressort (63) et deux actuateurs piézo-électriques (59, 61), ce ressort (63) et ces deux actuateurs (59, 61) étant coplanaires, les deux actuateurs (59, 61) appliquant la lame (35) contre le ressort (63). 9. Microscope en champ proche selon la revendication 8, caractérisé en ce que la lame à faces parallèles (35) a des faces parallèles en forme de disque ayant un centre, la droite joignant le centre du disque avec le point d'application du ressort (63) sur la lame (35) formant un angle de 120 avec chacune des droites joignant ce centre avec le point d'application de chacun des actuateurs (59, 61).