Brevet FR2775779A1 — publié le 19990910

La présente invention concerne un analyseur de surface d'onde reposant sur la méthode de SHACK-HARTMANN, qui permet d'etTffectuer des mesures sur des faisceaux de grand diametre, sur des faisceaux de diamètres variables sans perte de précision pour les faibles diamètres, et sur un large domaine spectral (dans l'ultra-violet, dans le visible et dans l'infra-rouge). Actuellement, des analyseurs de surface d'onde par la méthode de SHACK-HARTMANN existent. Leur principe est le suivant: L'analyseur de surface d'onde est composé d'une matrice de lentilles, d'une caméra CCD placée dans le plan foyer des lentilles, et d'un logiciel permettant de traiter les images acquises par la caméra pour accéder à l'information " surface d'onde ". Le principe de la mesure est le suivant: La mesure débute par une prise d'image: Chaque lentille image une portion de la surface d'onde. L'image de cette portion de surface d'onde est une tache lumineuse. Cette portion de surface d'onde peut être assimilée à sa pente locale sur cette lentille. L'image constituée par la matrice de lentilles complète est une matrice, ou grille, de taches lumineuses. Cette prise d'image est effectuée pour une surface d'onde de référence, puis pour une surface d'onde de mesure. La mesure se poursuit par le calcul des positions des barycentres Ce calcul se fait pour les deux images: de référence, et de mesure. Le résultat de cette étape se compose de deux fichiers de positionnement de barycentres: de référence, et de mesure. Or, le déplacement de positionnement du barycentre d'une tache est proportionnel à la pente locale de la surface d'onde sur la lentille. Un algorithme permet, en étudiant les déplacements des barycentres de la surface d'onde de référence et de la surface d'onde de mesure, de calculer la surface d'onde qui les sépare l'une de l'autre. En prenant comme hypothèse que la surface d'onde de référence est plane, cette différence de surfaces d'onde est égale à la surface d'onde de mesure. Il apparaît les limitations importantes suivantes à cette méthode: -2 Dans l'état actuel de la technique, la dimension maximale du faisceau à étudier est égale à la dimension de la camera CCD. Or les capteurs CCD sont, couramment, des rectangles d'environ 10x12 mm2.Cette taille de faisceaux est- très faible pour les applications courantes en optique, o les diamètres de faisceaux sont couramment compris entre 20 mm et 100 mm, peuvent aller jusqu'à 300 mm, et plus dans certains cas. De plus, la précision de mesure des analyseurs actuels dépend de deux facteurs: - la précision de positionnement de chaque tache sur la caméra; - le nombre de taches lumineuses. Pour des diamètres de faisceaux à étudier plus faibles que la dimension du capteur CCD, le nombre de lentilles qui imageront le faisceau va être plus faible, et la précision de positionnement de chaque tache sur la caméra n'aura pas varié. Donc, avec les méthodes d'analyse actuelles, la précision de la mesure diminue lorsque le diamètre du faisceau incident diminue. Un troisième effet limitatif s'additionne: le domaine spectral du faisceau à analyser est défini par le domaine de sensibilité de la caméra. Ceci implique que les analyseurs actuels ne peuvent travailler que dans la lumière visible, et le très proche infra-rouge (jusqu'à 1000 nm pour des capteurs CCD silicium classiques). La présente invention permet de résoudre ces trois limitations. L'invention est composée d'une matrice de lentilles de grande dimension, d'un écran (optionnel) positionné dans le plan foyer de la matrice de lentilles, d'un objectif de reprise et d'une caméra. Dans la suite de cet exposé, nous appellerons option A l'invention avec écran, et option B l'invention sans écran. Le principe est le suivant Le faisceau à étudier est imagé par la matrice de lentilles. Dans l'option A, la grille de -3 - taches lumineuses images apparaît sur l'écran positionné au foyer de la matrice de lentilles. Dans l'option B, la grille de taches lumineuses existe, mais sa position n'est pas matérialisée par la présence d'un écran. Dans les deux cas, cette grille de taches lumineuses- est réimagée par l'objectif sur la caméra. Les avantages de cette invention par rapport aux méthodes classiques sont les suivants: Le diamètre du faisceau à analyser est égal, au maximum, au diamètre du réseau de lentilles, qui peut être beaucoup plus grand que la dimension de la caméra CCD. L'objectif peut travailler à un grandissement égal à, par exemple, 1/10, c'est-à-dire imager une surface de diamètre 100 mm sur une surface de diamètre 10 mm. On peut donc voir que la dimension de la caméra n'est plus limitative pour cette mesure, sachant que le grandissement auquel travaille l'objectif est variable. On peut donc analyser des faisceaux de diamètre bien plus importants qu'avec les analyseurs SHACK-HARTMANN classiques. D'autre part, le comportement du système pour un faisceau de diamètre moins important est le suivant: Le faisceau est imagé par un nombre de lentilles moindre, mais, en augmentant le grandissement auquel travaille l'objectif, l'image occupe encore la totalité de la caméra. L'intérêt est le suivant: La précision de la mesure de positionnement des barycentres des taches augmente, mais le nombre de points participant à la mesure diminue. Ces deux effets se compensent, et la précision globale de la mesure s'en trouve quasiment inchangée. L'invention permet donc d'analyser des faisceaux de taille variable, sans perte de précision. Ce système a un troisième avantage: Dans l'option A (système avec écran), si l'écran est constitué d'un convertisseur de fréquence, qui absorbe la lumière dans l'ultra- violet ou dans l'infra-rouge, et réémet cette lumière dans le visible, la caméra étant sensible aux longueurs d'onde visibles, la mesure pourra être effectuer. L'avantage du système est donc le suivant: la mesure peut être effectuée dans l'ultra 4 - violet, dans le visible, ou dans l'infra-rouge, uniquement en changeant l'écran. L'intérêt de l'invention avec écran (option A) réside principalement dans le fait que cet écran peut être un convertisseur de fréquences, et que l'analyse peut donc être faite dans un large domaine spectral (de l'ultra-violet jusqu'à l'infra-rouge). Les figures 1.1 et 1.2 représentent le fonctionnement des analyseurs de surface d'onde classiques, qui existent dans l'état de l'art actuel. Les analyseurs travaillent en deux dimensions; les figures 1.1 et 1.2 représentent, schématiquement, le fonctionnement en une dimension); La figure 1.1 représente le fonctionnement du système classique pour une surface d'onde parfaitement plane; la figure 1.2 représente le fonctionnement du système classique pour une surface d'onde non parfaitement plane. La figure 2 représente le fonctionnement du système en option A; La figure 3 représente le fonctionnement du système en option B; La figure 4 représente le fonctionnement du système en option A pour un faisceau de diamètre plus faible que le diamètre de la matrice de lentilles; La figure 5 représente le fonctionnement du système en option B pour un faisceau de diamètre plus faible que le diamètre de la matrice de lentilles. Décrivons les figures: Les figures 1.1 et 1.2 représentent le principe de fonctionnement des analyseurs de surface d'onde actuels. La figure 1.1 représente le système de mesure d'un front d'onde plan: les taches lumineuses obtenues sont placées exactement sur les axes des lentilles. La figure 1.2 représente le système de mesure d'un front d'onde aberrant: les taches lumineuses obtenues sont décalées par rapport aux axes des lentilles. -5- La figure 2 représente le système avec l'option A. La matrice de lentilles (1) image le front d'onde en une grille de taches lumineuses, sur un écran (2), placé dans le plan foyer des lentilles L'objectif de reprise (3) réimage cet ecran sur la caméra (6). Comme nous le voyons sur ce schéma, la caméra est beaucoup plus petite que l'écran. Par conséquent, ce système nous permet de visualiser sur la caméra une image beaucoup plus grande que la caméra elle-même. Soit G2 le grandissement auquel travaille l'objectif de reprise dans cette configuration. La figure 3 représente le système avec l'option B. La matrice de lentilles (1) transforme le front d'onde à étudier, en un front d'onde qui rentre entièrement dans la pupille d'entrée (4) de l'objectif de reprise (3). La pupille de sortie (5) de cet objectif de reprise est de même taille que la caméra (6). L'objectif de reprise (3) image le front d'onde sur la caméra (6). Comme nous le voyons sur le schéma, la pupille de sortie peut être beaucoup plus petite que la pupille d'entrée. Ceci permet d'imager un front d'onde de grande dimension sur la caméra. Soit G3 le grandissement auquel travaille l'objectif de reprise dans cette configuration. La figure 4 représente le fonctionnement du système option A pour un faisceau de petit diamètre: La matrice de lentilles (1) image le front d'onde sur l'écran (2). Le diamètre du front d'onde étant beaucoup plus petit que le diamètre de la matrice de lentilles, l'image sur l'écran (2) est plus petite, et est formé d'un moins grand nombre de points lumineux. Pour réimager cette image sur la caméra (6) avec l'objectif de reprise (3), celui-ci peut travailler à un grandissement G4 plus proche de 1 que G2. La figure 5 représente le système avec l'option B pour un faisceau de petit diamètre. La matrice de lentilles (1) transforme le front d'onde à étudier, en un front d'onde qui rentre entièrement dans la pupille d'entrée (4) de l'objectif de reprise (3). La pupille de sortie (5) de cet objectif de reprise est de même taille que la caméra (6). L'objectif de reprise (3) image le front d'onde sur la caméra (6). Dans cette configuration, l'objectif de reprise travaille à un grandissement G4 plus proche -6- de I que G3. Ci-dessous, voici un mode de réalisation de l'invention - la matrice de lentilles peut être fabriquée selon différents procédés: par exemple, elle peut être un assemblage de lentilles, collées les unes aux autres précisément; elle peut être fabriquée par croisement de deux matrices de lentilles cylindriques, ou encore par moulage; pour le système option A: l'écran peut être, soit un écran de papier transparent, soit un convertisseur de fréquences (de l'ultra-violet ou de l'infra-rouge vers le visible), dans le but, soit de pouvoir traiter une image de très grandes dimensions, soit de traiter des images dans des domaines de longueurs d'onde o le capteur ne serait pas sensible; pour le système option B, il n'y a pas d'écran: la lumière à traiter entre entièrement dans la pupille d'entrée de l'objectif de reprise; - l'objectif de reprise, qui sert à imager, pour le système option A l'écran; pour le système option B, l'objectif de reprise collecte la lumière à traiter sur la caméra; - le capteur, qui peut être, par exemple, une caméra CCD. Le dispositif selon l'invention est très bien adapté pour contrôler des faisceaux de diamètres importants (diamètres supérieurs à 10 mm), ou, sans perte de précision, des faisceaux de diamètres variables, ou, avec un écran convertisseur de fréquence, des faisceaux émettant dans des domaines de longueurs d'onde pouvant aller de l'ultra-violet à l'infra- rouge. -7 - - REVENDICATIONS - 1- Dispositif d'analyse de surtface d'onde par la méthode de SHACKHARTMANN permettant d'analyser des tfaisceaux de diamètres importants, variables, dans les domaines spectraux de l'ultra-violet, du visible ou de l'infra-rouge, caractérisé en ce qu'il comporte une matrice de lentilles, un écran (optionnel), qui peut être un convertisseur de fréquences, un objectif et une caméra. 2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la position de l'écran est parfaitement déterminé et matérialisé, et en ce que l'écran peut être enlevé ou rajouté dans le montage facilement. 3- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'objectif peut travailler à différents grandissements.