Brevet FR2756919A1 — publié le 19980612

La présente invention concerne des perfectionnements aux ellipsomètres à lame biréfringente tournante. On sait que, sur le plan industriel, on utilise différentes applications de la lumière polarisée, notamment en polarimétrie, pour mesurer la rotation des plans de polarisation de la lumière, en ellipsométrie pour mesurer la variation des paramètres d'une forme de lumière polarisée elliptiquement, et en photomécanique pour mesurer le déviateur du tenseur des contraintes dans des pièces transparentes qui représentent des modèles des pièces mécaniques à étudier. On sait en effet qu'à partir des paramètres caractéristiques de polarisation de la lumière il est possible de remonter aux paramètres photoélastiques du modèle transparent étudié traversé par la lumière. On a ainsi utilisé, dans le domaine de la photoélasticimétrie, des procédés de traitement de données à base de calcul matriciel, qui ont pour base mathématique une utilisation judicieuse de théories basées sur la sphère de Poincaré. On a proposé, en utilisant une lame biréfringente tournante, de trouver, dans l'espace de Poincaré, les trois composantes d'une forme de lumière polarisée elliptiquement et représentée par un point sur une sphère de Poincaré de rayon unité. Sur le plan pratique, on a fait appel à une lame biréfringente tournante placée au centre d'un tube entraîné en rotation par un moteur, par l'intermédiaire d'une courroie crantée, et l'on a recueilli en sortie un signal fourni par un phototransducteur. On a réalisé un échantillonnage de ce signal tout au long de la période de révolution à des intervalles de temps successifs, et les mesures effectuées au cours de cet échantillonnage ont été stockées dans un fichier d'ordinateur. On comprend que, dans un tel type de dispositif, il est nécessaire de faire tourner le modulateur, à savoir la lame biréfringente, à une vitesse de rotation constante, ce qui impose dès lors de faire appel à des moteurs d'entraînement dont on est en mesure de régler et de maintenir la vitesse à des valeurs rigoureusement constantes. On a ainsi proposé de réaliser l'entraînement du modulateur à l'aide d'un moteur synchrone piloté par une horloge à quartz, ce qui rend le prix de revient de ce type de dispositif relativement élevé. Malgré la précision des éléments mis en oeuvre pour réaliser les mesures, il était cependant nécessaire de réaliser celles-ci sur un certain nombre de révolutions du modulateur et de faire par la suite la moyenne des valeurs mesurées. La présente invention a pour but de proposer des perfectionnements aux appareils précités en vue à la fois de simplifier leur construction, et donc leur prix de revient et le coût de leur maintenance, mais également d'améliorer leurs performances, de façon telle que les mesures puissent se faire de façon directe, sans qu'il soit nécessaire d'effectuer une moyenne. La présente invention a ainsi pour objet un ellipsomètre à lame biréfringente tournante du type dans lequel on mesure, au moyen d'un phototransducteur, un signal échantillonné, caractérisé en ce que l'échantillonnage est effectué à partir de signaux émis à partir d'une mire animée d'un même mouvement de rotation que la lame biréfringente, cette dernière étant disposée au centre de la mire et ces signaux étant émis à certains intervalles de temps qui sont liés à des angles de rotation successifs constants de la mire. Dans un mode de mise en oeuvre de l'invention la mire comporte un certain nombre de repères successifs, disposés à intervalles angulaires constants les uns des autres, et des moyens aptes à détecter ces repères et à émettre lesdits signaux au passage de ces repères, à partir desquels l'échantillonnage est effectué. Dans une variante de ce mode de mise en oeuvre de l'invention, la mire est constituée d'un codeur optique. La présente invention a également pour objet un photoélasticimètre ou un polarimètre utilisant un ellipsomètre du type décrit ci-dessus mettant en oeuvre une lame biréfringente. On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est une vue schématique d'un ellipsomètre biréfringent suivant l'invention. La figure 2 est une vue de face d'un codeur optique constitué d'un disque tournant et d'un capteur servant à l'échantillonnage des mesures. La figure 3 est une vue en perspective d'une variante de codeur optique. La figure 4 est une courbe représentant les valeurs échantillonnées du signal fournies par un dispositif de l'état antérieur de la technique. La figure 5 est une courbe représentant les valeurs échantillonnées du signal fournies par un dispositif suivant l'invention. On décrira ci-après un exemple de mise en oeuvre de la présente invention dans une application de photoélasticimétre. On déterminera ainsi la variation de la biréfringence d'une éprouvette transparente de polyméthacrylate (matériau commercialisé sous les marques "ALTUGLAS" ou "PLEXIGLAS") en fonction de la charge à laquelle est soumise cette éprouvette. L'appareil, ainsi que représenté sur les figures 1 et 2 comprend une source lumineuse monochromatique, constituée par exemple par un laser 1, et notamment un laser hélium-néon. Elle est suivie d'un filtre polarisant linéaire 3, puis d'une mire tournante, constituée en l'espèce par l'association d'un disque 5 pourvu, sur toute sa périphérie, d'une série de repères radiaux 7, qui sont distribués régulièrement sur la périphérie de celui-ci et qui sont écartés les uns des autres d'un angle avec des moyens permettant de détecter le passage des différents repères 7, qui sont notamment constitués d'une photodiode 9 qui est reliée à un circuit d'acquisition de données l0, lui-même en communication avec un ordinateur 12. Au centre du disque 5 on a disposé une lame biréfringente 6, en l'espèce une lame quart d'onde différentielle en quartz, qui est maintenue dans un tube 8. Le disque 5 est entraîné en rotation par un simple moteur électrique 11. On a disposé ensuite l'éprouvette, ou modèle à tester 13, qui est constituée de "plexiglas" de la forme de l'objet à étudier et qui est associée à un filtre polarisant circulaire 14 qui constitue avec le modèle 13 l'équivalent d'un filtre elliptique. On a disposé enfin une photodiode réceptrice 15 qui est reliée au circuit d'acquisition de données 10 et qui est susceptible de se déplacer suivant deux axes orthogonaux ox et oy. Une lentille 2 concentre le faisceau lumineux produit par le laser 1 pour le focaliser sur le modèle 13, à travers la lame 6. Le signal S fourni par la photodiode réceptrice 15 est échantillonné. Suivant l'invention, cet échantillonnage est commandé par le passage des repères 7 devant la photodiode 9. C'est-à-dire qu'à chaque fois que cette dernière détecte le passage d'un repère 7, elle commande au circuit d'acquisition de données 10, d'effectuer une mesure de la valeur S du signal donné par la photodiode 15. Chacune de ces valeurs échantillons Sl, S2, S3,...Sn est stockée dans un fichier tenu en mémoire de l'ordinateur 12. Ainsi qu'illustré de façon schématique sur la figure 5, l'échantillonnage ainsi réalisé du signal S fait abstraction du temps puisqu'il ne dépend que de l'angle AO parcouru par le disque rotatif 5 entre chaque repère 7, contrairement aux dispositifs de l'état antérieur de la technique dans lesquels l'échantillonnage est effectué tous les intervalles de temps égaux à At, ainsi que représenté sur la figure 4. Dans un cas particulier, les intervalles At entre chacune des mesures ne seront égaux que lorsque la vitesse de rotation du moteur 11 entraînant en rotation la lame biréfringente 6 sera rigoureusement constante. La présente invention permet ainsi, dans la mesure où seul l'angle AO intervient dans la réalisation de l'échantillonnage, de mettre en oeuvre des ellipsomètres à lame biréfringente tournante avec des moteurs ordinaires ne nécessitant pas des moyens de régulation sophistiqués et qui, en conséquence, sont d'un coût très inférieur à ceux nécessités par l'état antérieur de la technique. De plus, on a constaté que la précision fournie par les dispositifs suivant l'invention était telle qu'il n'était plus nécessaire de faire une moyenne des valeurs mesurées et que des mesures instantanées étaient suffisamment précises. La mire tournante pourra avantageusement être constituée par des dispositifs incluant, de construction, les moyens de détection constitués par la diode 9 sur la figure 1. On trouve ainsi de tels dispositifs 17, qui sont habituellement désignés "codeurs optiques" (figure 3). On pourrait bien entendu faire appel pour mettre en oeuvre la présente invention à tout autre dispositif de codage équivalent. La présente invention pourra être notamment utilisée en tant que photoélasticimètre, et la lame tournante sera alors une lame biréfringente, notamment une lame quart d'onde. Elle pourra également être notamment utilisée en tant que polarimètre, et la lame tournante sera alors une lame biréfringente demi-onde. REVENDICATIONS 1.- Ellipsomètre à lame biréfringente tournante (6) du type dans lequel on mesure, au moyen d'un phototransducteur (15) un signal (S) qui est ensuite échantillonné, caractérisé en ce que l'échantillonnage est effectué à partir de signaux successifs émis à partir d'une mire (5,17) animée d'un même mouvement de rotation que la lame biréfringente (6), cette dernière étant disposée au centre de la mire (5,17) et ces signaux étant émis à certains intervalles de temps qui sont liés à des angles de rotation successifs (e) constants de la mire (5,17). 2.- Ellipsomètre suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la mire (5,17) comporte un certain nombre de repères successifs (7) disposés à intervalles angulaires (dB) constants les uns des autres et des moyens (9) aptes à détecter ces repères (7) et à émettre les dits signaux au passage de ces repères (7), à partir desquels l'échantillonnage est effectué. 3.- Ellipsomètre suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la mire est constituée d'un codeur optique (17). 4.- Ellipsomètre suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le phototransducteur (15) est en liaison avec une carte d'acquisition des données (10) qui est pilotée par les signaux successifs (5) émis à partir de la mire (5,17) et qui est en liaison avec un microordinateur (12). 5.- Photoélasticimètre du type utilisant un ellipsomètre suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la lame tournante est une lame biréfringente. 6.- Polarimètre suivant la revendication 5 caractérisé en ce que la lame tournante est une lame biréfringente quart d'onde. 7.- Polarimétre du type utilisant un ellipsomètre suivant l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la lame tournante est une lame biréfringente. 8.- Polarimètre suivant la revendication 7 caractérisé en ce que la lame tournante est une lame biréfringente demi-onde.