Brevet FR2778247A1 — publié le 19991105

Procédé pour l'amélioration de la visibilité d'une image microscopique de faible contraste, microscope et module pour la mise en ouvre de ce procédé, application de ce procédé. La présente invention concerne le domaine des microscopes, en particulier pour l'observation d'objets présentant un faible contraste d'absorption ou de phase. Il s'agit par exemple d'échantillons biologiques ou de la science des matériaux éclairés par transparence ou par réflexion. Pour observer de tels objets, et pour mesurer les dimensions de tels objets, on connaît dans l'état de la technique une solution consistant à utiliser un microscope à contraste de phase. Il s'agit toutefois d'équipements destinés à un usage très spécifique, dont les objectifs sont adaptés à un usage relativement exceptionnel. Dans un objectif à contraste de phase, le filtre de Zernike est définie une fois pour toutes, par un déphasage et une absorption donnée, et ceci quel que soit l'objet à l'entrée. Ce que l'on propose, c'est de le remplacer par un filtre non linéaire (ou plusieurs) dont on peut régler (commander) le déphasage et l'absorption par une commande externe de l'intensité lumineuse incidente et/ou champ électrique de façon à satisfaire un critère donné au niveau de l'image (par exemple obtenir le meilleur contraste). On connaît également dans l'art antérieur le brevet européen EP666999 qui décrit un dispositif pour la mise en ouvre d'un procédé d'amélioration du contraste pour des objets de phase et/ou d'amplitude à examiner au microscope pour l'obtention d'un contraste avec relief dans l'image du microscope, o il se produit une obturation partielle symétrique relativement à l'axe optique de la pupille d'entrée (L') d'un condenseur au moyen d'un diaphragme à secteurs (S). L'image produite dans la pupille de sortie (L") d'un objectif de ce diaphragme à secteurs 2- 2778247 est recouverte au moins partiellement par un segment de phase en forme de secteur, symétrique par rapport à l'axe optique. Le dispositif contient un agencement à microscope présentant une source de lumière (L), un collecteur, un diaphragme à ouverture (A), un condenseur, un objectif et, le cas échéant, une lentille tubulaire. L'objet d'amplitude et/ou de phase (P) se trouve entre le condenseur et l'objectif. Un diaphragme à secteurs (S) qui se compose d'un diaphragme circulaire avec une ouverture en secteur avec un angle d'ouverture est prévu dans le plan focal avant (L') du condenseur pour l'amélioration du contraste de relief de l'image de l'objet. Par ailleurs, une plaque de phase présentant un segment de phase en forme de secteur avec un angle de secteur bêta est prévue dans le plan focal arrière (L") de l'objectif. Cette plaque de phase est positionnée de façon azimutale de manière que le segment de phase recouvre au moins partiellement l'image (S') résultant en cet emplacement de l'ouverture du diaphragme en forme de secteur. Le diaphragme à secteurs est équipé d'au moins une zone de secteur (D) transparente, délimitant l'ouverture en forme de secteur, qui a pour effet un affaiblissement défini de l'intensité du faisceau de rayons d'éclairement. La ou les reproductions (D') sur la plaque de phase n'est ou ne sont pas recouvertes par le segment de phase. Un autre document de l'art antérieur, le brevet EP444450 décrit un procédé pour contrôler des paramètres de processus lithographique dans un processus lithographique. Le procédé comprend les étapes consistant à: - déplacer la plaquette sous un microscope fonctionnant par contraste interférentiel différentiel, illuminer l'image latente sur la surface de plaquette avec deux faisceaux de rayonnement distincts ayant une énergie photonique inférieure a celle requise pour sensibiliser le photoresist afin d'obtenir des données 3 2778247 de ladite surface par déphasage différentiel induit sur les dits faisceaux par réflexion de ladite surface, - convertir ledit déphasage différentiel en données d'amplitude pour produire des données d'image de l'image latente, - enregistrer les dites données d'image, - Prévoir des données d'image de référence, et - Mettre en corrélation l'image détectée avec ladite image de référence en utilisant une somme de corrélation de bords. L'objet de la présente invention est de proposer une solution simple et performante pour améliorer la visibilité d'une image à faible contraste d'absorption ou de phase. L'invention consiste dans sa généralité à utiliser le plan de Fourier de l'objectif d'un microscope pour y placer un milieu (non linéaire) pour déphaser et/ou absorber les composantes spectrales de l'objet de manière à accroître le contraste des images et notamment pour visualiser les objets de phase. Le déphasage et/ou l'absorption du milieu sont modulables par une commande extérieure (optique et/ou électrique,...). Placer un milieu non linéaire dans chaque objectif reviendrait assez rapidement très cher. Avec la les microscopes utilisant des objectifs travaillant à l'infini, il est possible de concevoir un seul module utilisable par tous les objectifs existants. A cet effet, l'invention concerne, dans son acception la plus générale, un procédé pour l'amélioration de la visibilité d'une image microscopique d'un objet à faible contraste éclairé par une source sensiblement cohérente caractérisé en ce que l'on dispose sur le chemin optique, entre l'objectif et l'oculaire, un matériau transparent ou partiellement absorbant non linéaire. 4 2778247 On entendra par "matériau non linéaire", au sens du présent brevet, un matériau dont l'indice complexe caractérisant l'absorption et le déphasage n'est pas constant, mais varie en fonction d'un paramètre tel que l'intensité lumineuse incidente, ou l'intensité du champ électrique appliqué au matériau. Ce procédé permet de faciliter la mesure des coefficients de susceptibilités non linéaires des nouveaux matériaux (déphasage et/ou absorption non linéaire). Il permet également de réaliser le traitement optique non linéaire des images d'objets microscopiques pour augmenter le contraste, visualiser des objets de phases.. De cette façon, dans le même dispositif, on pourra avoir accès à: 1) l'étalonnage du milieu non linéaire (que l'on peut changer suivant le traitement optique que l'on veut réaliser) en mettant un objet calibré (fentes d' Young). 2) connaissant les caractéristiques du milieu non linéaire et l'objet à étudier, on peut prévoir l'intensité incidente nécessaire pour améliorer le contraste des images de façon optimale (ou pour améliorer la résolution, voir un autre critère dans l'image). Selon une variante préférée, on ajuste l'éclairage de l'objet à observer afin de maximiser le contraste de l'image. L'invention concerne également un microscope comportant un objectif et un oculaire ainsi qu'un moyen d'éclairage sensiblement cohérent caractérisé en ce qu'il comporte en outre un matériau transparent non linéaire disposé sur le chemin optique, entre l'objectif et l'oculaire. Avantageusement, le matériau transparent non linéaire est disposé dans le plan focal image d'une 2778247 lentille intermédiaire placée entre un objectif formant une image à l'infini, et l'oculaire. Selon un mode de réalisation préféré, il comporte des moyens pour permettre l'ajustement de l'intensité de l'éclairage de l'objet observé. Selon une variante particulière, le microscope selon l'invention comporte un logement pour l'introduction temporaire d'un matériau non-linéaire. Selon une variante de réalisation particulière, le matériau non- linéaire est constitué par une lame de cristal photoréfractif non linéaire, voir une lame a cristaux liquides nématiques dopée non linéaire.. L'invention concerne encore un module pour l'amélioration de la visibilité d'une image microscopique d'un objet à faible contraste éclairé par une source sensiblement cohérente, destiné à être inséré entre l'objectif et l'oculaire d'un microscope caractérisé en ce qu'il comporte une lame en un matériau transparent non linéaire. Avantageusement, le module comporte une lame en un cristal photoréfractif non linéaire ou des cristaux liquides non linéaire. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, se référant aux dessins annexés o: la figure 1 représente une vue schématique d'un microscope selon l'invention; La figure 2 montre la visibilité obtenue dans le cas non linéaire (a), le gain au niveau de la visibilité V par rapport au système imageur classique (b) et les non linéarités nécessaires au niveau du filtre (c) pour le déphasage (d) pour l'absorption); La figure 3 montrent deux exemples pris au hasard correspondant à des images simulées dans les cas d'un pur objet de phase et d'un pur objet d'amplitude. La 6 2778247 figure 1 représente une vue schématique de l'invention. Le microscope comporte des composants habituels, notamment un objectif (1), un oculaire (2) et une lentille de tube (3). L'objet observé (4) est placé dans le plan focal de l'objectif (1). Il est éclairé par une source sensiblement cohérente (5), par exemple un laser. L'intensité de la source lumineuse peut être ajustée par un potentiomètre ou, par exemple par un jeu de filtres montés sur un porte- filtre permettant de faire varier l'intensité lumineuse, et donc le comportement du milieux non-linéaire. Dans le tube du microscope, on place un module optique (6). Il s'agit d'un module optique à insérer dans un microscope entre l'objectif et la lentille du tube dans le cas des objectifs travaillant à l'infini avec une lentille de tube pour former l'image devant l'oculaire. Ce module (6) placé sur le chemin optique, entre l'objectif (1) et l'oculaire (2) est destiné au traitement optique non linéaire des images. Dans sa forme la plus simple, ce module (6) est tout simplement composé du milieu non linéaire (7) déphasant et/ou absorbant le spectre spatial de l'objet. Ceci est possible lorsque le plan focal image de l'objectif (plan de Fourier o s'effectue le filtrage spatial) se trouve à l'extérieur du boîtier constituant l'objectif. Dans le cas contraire correspondant à l'exemple représenté en figure 1, ce module (6) est formé de deux lentilles (8, 9) de même focale pour ne pas modifier le grossissement final dû à l'objectif et à l'oculaire. On place le milieu dont on peut moduler le déphasage et l'absorption (milieu non linéaire) dans le plan focal image du dispositif. Le plan focal image de ce dispositif correspond au plan o s'effectue la transformée de Fourier spatiale de l'objet. Le milieu modulable, déphase ou absorbe les composantes spectrales de l'objet en 7 2778247 vue de visualiser l'objet de phase ou d'améliorer le contraste des objets en général. Le milieu non linéaire (7) est par exemple constitué par une lame d'un cristal photoréfractif tel que BSO, BGO LiNbO3 ou une lame de cristaux liquides nématiques dopée ou enocre tous matériaux considérés non linéaires.Le module comporte avantageusement des moyens pour produire un champ électrique, qui permet de provoquer les non linéarités et/ou réinitialiser le milieu non linéaire avant une nouvelle utilisation. D'autres solutions de réinitialisation sont envisageables, et notamment une réinitialisation optique et/ou thermique. On présente dans ce qui suit une méthode pour caractériser les milieux non linéaires adaptés à la mise en ouvre de l'invention. La mesure des susceptibilités non linéaires d'ordre deux, trois ou plus est réalisée par une technique de mesure très simple dite technique d'imagerie Zernike non linéaire, dans un système d'imagerie (4f). L'objet optique choisi, des fentes de Young, détermine une configuration expérimentale équivalente à un couplage de deux ondes dans un milieu non linéaire. Les interférences entre les deux faisceaux produisent un réseau de phase et/ou d'amplitude dans le milieu non linéaire. L'auto-diffraction de la lumière incidente sur ce réseau produit des ordres latéraux de diffraction dans le plan image. Le principe de mesure est basé sur la comparaison entre le profil d'intensité, recueillie dans ce plan image d'une image expérimentale et celui d'une image simulée. Afin de valider la méthode proposée, des mesures de susceptibilité ont été effectuées sur des matériaux de référence (tel que le CS2). Un bon accord est obtenu avec des précédentes mesures effectuées par différents auteurs. Par la suite, des mesures peuvent être effectuées sur des nouveaux matériaux pour mesurer leur non-linéarité 8 2778247 Cette méthode peut être appliquée à des objets microscopiques rectangulaires existant dans l'industrie micro-électronique sur des plaquettes de circuits intégrés afin de rechercher les filtres non linéaires optimaux qui permettent une amélioration des certaines caractéristiques dans l'image: visualisation d'objet de phase, augmentation du contraste, amélioration de la résolution et détection des contours.. Pour exemple une simulation numérique a été effectuée dans le cas d'un objet rectangulaire de phase et/ou d'amplitude avec un filtrage non linéaire déphasant et/ou absorbant. Quels que soient les paramètres optiques de l'objet considéré, le filtre non linéaire nécessaire pour obtenir la meilleure visibilité dans le plan image peut être caractérisé. La figure 2 montre la visibilité obtenue dans le cas non linéaire (a), le gain au niveau de la visibilité V par rapport au système imageur classique (b) et les non linéarités nécessaires au niveau du filtre (c) pour le déphasage et (d) pour l'absorption) le tout en fonction de la transmittance en intensité t et du déphasage p introduit par la structure rectangulaire de l'objet. Ces figures correspondent au cas d'un objet de phase et d'amplitude rectangulaire vue sous un microscope présentant les caractéristiques suivantes: Grossissement = 100, Ouvert. num. = 0.95, X = 530 nmn. a) La visibilité de l'image à la sortie du microscope en fonction de (t, q) les paramètres optiques définissant l'objet quand la meilleure combinaison des non linéarités est utilisée. b) Régions dans le plan (t,q) définissant l'objet o la visibilité est améliorée par le filtrage spatial non linéaire. c) Evolution dans le plan (t,p) du meilleur déphasage non linéaire à introduire pour obtenir la meilleure visibilité montrée dans Fig. 2. 9 2778247 d) même que c) pour l'absorption non linéaire. Lorsque cette non linéarité est maximale le niveau de gris est blanc. Dans le cas contraire il est noir. La figure 3 montre deux exemples pris au hasard correspondant à des images simulées dans les cas d'un pur objet de phase et d'un pur objet d'amplitude. Dans chaque figure, sont tracées les images obtenues dans le cas classique et dans le cas du meilleur filtrage non linéaire. On peut constater l'augmentation du contraste dans ces deux figures pour la première, la visibilité passe de 0.10 à 0.96 et pour la seconde la visibilité passe de 0.53 à 0,91. Il est à remarquer que dans le premier cas (objet de phase) la visibilité dans le cas linéaire est assurée par la diffraction de la lumière sur les bords de cet objet. Les fréquences spatiales les plus élevées ne peuvent pas être collectées par la pupille d'entrée du système optique considérée comme finie. On peut expliquer cette augmentation de contraste par: 1- Une absorption relativement importante du fond continu. 2- Une déflexion de la lumière non absorbée, du trait vers le fond continu. Cette déflexion est réalisée par un réseau de phase et d'amplitude induit par l'intensité incidente dans le plan de Fourier dans le milieu non linéaire. Ce réseau a l'allure d'une fonction sinc au carré correspondant aux fréquences spatiales élevées relatif au signal rectangulaire à l'entrée. Il est à remarquer que cette déflexion peut s'effectuer dans le sens contraire (du fond continu vers le trait) mais vu le critère adopté pour caractériser le filtre, le calcul numérique montre que la visibilité maximale est obtenue lorsque cette déviation s'effectue du trait vers le fond continu. '.bs En outre en adoptant le critère de Rayleigh pour définir la résolution il a été constaté une augmentation de la résulution dans le système imageur non- linéaire. En effet, il est possible de visualiser les ordres de diffractions issus du milieu non linéaire sans pour cela arriver à résoudre les deux points images correspondant aux deux points sources dans le plan objet. Les fréquences spatiales correspondant à ces ordres de diffractions et qui sont générées par les non linéarités sont toujours relativement plus faibles et ne peuvent donc pas être arrêter par la pupille du système d'imagerie. L'invention présente les avantages suivants: Elle permet de commander ou de moduler le déphasage et/ou l'absorption des composantes du spectre spatial de l'objet par voie optique (en faisant varier l'intensité lumineuse incidente, cas du LiNbO3: Fe) ou par voie électro- optique (cas du BSO, BGO, cristaux liquides), ce qui permet un meilleur contrôle du contraste suivant le type d'objet étudié sans nécessité de changer d'objectif Un seul dispositif installé suivant la figure 1 peut servir pour tous les objectifs déjà existants (travaillant à l'infini) quel que soit le grossissement. En utilisant les objectifs classiques à fond clair.cette méthode permet l'élimination du halo dans le champ de vision lors de l'observation, en contraste de phase.et permet l'utilisation du système d'éclairage (condenseur) classique. Ce dispositif peut être placé dans n'importe quel endroit entre l'objectif et la lentille de tube, les caractéristiques initiales du microscope ne sont pas modifiées (le grossissement, le champ de vision,...). Le milieu (non linéaire) peut être changer pour un autre en cas d'installation d'un dispositif à tiroir. On peut envisager la place pour deux ou plusieurs milieux il 2778247 travaillant en parallèles: l'un déphasant le spectre indépendamment de l'autre qui l'absorbe. Les applications du procédé et des dispositifs conforme à l'invention sont multiples. En microscopie dans le domaine de la biologie, l'intensité lumineuse est proportionnelle au déphasage introduit par l'objet testé, par exemple une bactérie. La mise en oeuvre de l'invention permet de sélectionner la vision de certain type d'objet de phase aux dépens d'autre : il suffit d'avoir une estimation sur le déphasage et éventuellement de la transmittance introduit par ce type de bactéries. Une simulation numérique permet éventuellement de préciser la valeur moyenne à donner à l'intensité lumineuse (donc les non linéarités à introduire) pour n'observer à la sortie que les images des bactéries voulues. Les autres objets présents dans le milieu et indésirables dans l'image sont très peu contrastés ou invisibles. Il est également possible de faire varier l'intensité de l'éclairage de l'objet, et d'observer l'effet des variations sur l'image observée. On adapte ainsi l'intensité lumineuse et le niveau de non linéarité par approximations successives. En microscopie dans le domaine de mesure de largeur de traits gravés sur circuits intégrés, il est possible d'augmenter le contraste et/ou la résolution des images correspondant à des objets de phase comme la résine déposée sur les plaquettes avant gravures pour vérifier la procédure de la photolithographie et la bonne dimension du trait à graver. Cette opération de contrôle est d'une importance certaine puisqu'elle détermine le bon fonctionnement électrique du circuit après réalisation. En plus, la mesure à effectuer par le microscope est rapide et non destructive. Elle peut être systématique. Encore faut- 12 2778247 il établir des images bien contrastées à la sortie du microscope pour améliorer la précision de la mesure. L'exemple pris ici pour la simulation d'images correspondant aux objets rectangulaires montre que, quel que soit les paramètres optiques définissant cet objet nous pouvons ramener son contraste à une valeur proche de 1. D'autre part, L'insolation de la résine demande un profil d'intensité lumineuse le plus rectangulaire possible pour éviter la formation de traits aux bords le plus souvent trapézoïdaux. Il est possible à l'aide de la simulation pour caractériser les non linéarités du filtre, de choisir les critères (i) de la pente la plus raide au niveau du profil de l'image, (ii) une intensité au niveau du trait à graver la plus faible ou la plus importante possible. Cette innovation peut être facilement considérée pour un autre système d'imagerie. Il suffit de placer le module non linaire dans le plan de Fourier du système imageur. 13 2778247 REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'amélioration de la visibilité et/ou de la résolution d'une image microscopique d'un objet à faible contraste éclairé par une source sensiblement cohérente caractérisé en ce que l'on dispose sur le chemin optique, entre l'objectif et l'oculaire y compris ces deux éléments, un matériau transparent absorbant ou réfléchissant non linéaire. 2. Procédé pour l'amélioration de la visibilité et/ou de la résolution d'une image microscopique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau transparent absorbant ou réfléchissant non linéaire est disposé dans le plan focal image d'une lentille intermédiaire placé entre un objectif formant une image à l'infini, et l'oculaire. 3. Procédé pour l'amélioration de la visibilité et/ou de la résolution d'une image microscopique selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'on ajuste l'éclairage de l'objet à observé afin de maximiser le contraste de l'image. 4. Procédé pour l'amélioration de la visibilité et/ou de la résolution d'une image microscopique selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisé en ce que l'on initialise le matériau non-linéaire avant l'observation d'une image. 5. Microscope comportant un objectif et un oculaire ainsi qu'un moyen d'éclairage sensiblement cohérent caractérisé en ce qu'il comporte en outre un matériau transparent absorbant ou réfléchissant non linéaire disposé sur le chemin optique, entre l'objectif et l'oculaire y compris ces deux éléments. 6. Microscope selon la revendication 5 caractérisé en ce que le matériau transparent absorbant ou réfléchissant non linéaire est disposé dans le plan focal image d'une lentille intermédiaire placée entre un objectif formant une image à l'infini, et l'oculaire. 7. Microscope selon la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour permettre l'ajustement de l'intensité de l'éclairage de l'objet observe. 8. Microscope selon l'une au moins des revendications 5 à 7 caractérisé en ce qu'il comporte un logement pour l'introduction temporaire d'un matériau non- linéaire. 9. Microscope selon l'une au moins des revendications 5 à 8 caractérisé en ce que le matériau non- linéaire est constitué par une lame de cristal photoréfractif et/ou de cristaux liquides non linéaire. 10. Microscope selon l'une au moins des revendications 5 à 9 caractérisé en ce que il comporte des moyens pour l'initialisation du matériau non-linéaire. 11. Module pour l'amélioration de la visibilité et/ou de la résolution d'une image microscopique d'un objet à faible contraste éclairé par une source sensiblement cohérente, destiné à être inséré entre l'objectif et l'oculaire y compris ces deux éléments d'un microscope caractérisé en ce qu'il comporte une lame en un matériau transparent non linéaire. 12. Module pour l'amélioration de la visibilité et/ou de la résolution d'une image selon la revendication 11 caractérisé en ce qu'il comporte une lame en un cristal photoréfractif et/ou de cristaux liquides non linéaire. 13. Application du procédé conforme à l'une au moins des revendications 1 à 4 pour la mesure de largeur de traits gravés sur circuit intégrés, caractérisé en ce que l'on forme une image à l'aide du microscope incorporant dans le plan de Fourier de l'objectif un matériau non linéaire. 14. Application du procédé conforme à l'une au moins des revendications 1 à 4 pour la mesure de largeur de traits gravés sur circuit intégré selon la revendication 13 caractérisé en ce que les non linéarités du filtre sont déterminées de façon à ce que les critères (i) de la pente la plus raide au niveau du profil de l'image, (ii) une intensité au niveau du trait à graver la plus faible ou la plus importante.