Brevet FR2832795A1 — publié le 20030530

La présente invention concerne un appareil et un procédé de caractérisation optique d'un objet. Il existe un grand nombre de techniques optiques permettant de mesurer l'état de surface d'un objet. La connaissance précise de l'état d'une surface est primordiale dans des domaines techniques tels que les nanotechnologies, la chimie catalytique, les biotechnologies,... Dans les nanotechnologies, par exemple, dont le champ d'application porte sur des objets de l'ordre de quelques nanomètres à quelques micromètres, il est nécessaire de pouvoir caractériser une surface (défauts, rugosité,...) avec une résolution spatiale supérieure au nanomètre (1 nm = 10-9 m). Typiquement dans ces méthodes de caractérisation optique, un faisceau lumineux est envoyé sur un échantillon que l'on cherche à caractériser et sa réponse est mesurée. Cette réponse peut être la lumière réfléchie, diffusée ou transmise. Certaines de ces techniques permettent de mesurer non seulement la lumière produite par un objet suite à son éclairement par un faisceau lumineux mais aussi la distribution de la lumière rayonnée par un objet, luimême étant une source. On connaît des dispositifs permettant l'acquisition des valeurs d'intensité diffusée en fonction de la direction de diffusion dans l'espace. Certains de ces dispositifs [Domashev G. E. et al. ; Appl. Opt. 34 (1995) 2367, White D. R. et al. ; Appl. Opt 37 (1998) 3450] acquièrent ces valeurs par un mouvement pas à pas du photodétecteur dans un demi-espace. Le temps de mesure est alors très long, en particulier lorsqu'une grande résolution angulaire est recherchée. Des durées d'acquisition proches de 24 heures ont ainsi été rapportées pour la mesure d'un demi-espace [Shiff T. F. et al. ; Proceedings of SPIE 1753"Stray radiation in optical systems Il" (1992) 262, Editor : BREAULT R. P.]. De plus, ces dispositifs nécessitent des pièces mécaniques assurant le déplacement du photodétecteur ce qui implique des coûts de réalisation importants. D'autres dispositifs utilisent comme moyens de détection une caméra CCD ce qui réduit le temps d'acquisition, ladite acquisition étant réalisée dans des petits angles de diffusion [Alexander M. et al. ; App. Opt. 38 (1999) 4158]. Cependant, la part du demi-espace mesuré est alors déterminée par la distance focale de l'objectif de la caméra CCD. Il en résulte que l'acquisition d'un demi-espace complet est impossible. L'objectif de la présente invention est donc de proposer un appareil et un procédé de caractérisation optique d'un objet, simple dans leur conception et dans leur mode opératoire, très rapide et économique permettant de mesurer en une seule fois l'intensité lumineuse diffusée ou rayonnée par un objet dans un demi-espace. A cet effet, l'invention concerne un appareil de caractérisation optique d'un objet comportant : - un système optique réfléchissant, - une source lumineuse, - des moyens de collection, - un détecteur photosensible multipoints, - une unité de traitement. Selon l'invention, - le système optique est un miroir de révolution à section elliptique présentant un premier et un deuxième foyers, et - l'objet est placé à l'un des foyers et les moyens de collection à l'autre foyer. Dans différents modes de réalisation, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles : - l'ouverture angulaire du miroir de révolution à symétrie elliptique est supérieure ou égale à 2n stéradians, - les moyens de collection comprennent un objectif, - la source lumineuse émet un flux lumineux envoyé sur l'objet, - le miroir ellipsoïdal comprend un évidement par lequel passe le flux lumineux émis par la source lumineuse, - le flux lumineux est envoyé sur l'objet par des moyens de réflexion, - la source lumineuse est l'objet lui-même, placée en un des foyers. L'invention concerne également un procédé de caractérisation optique de l'état de surface d'un objet dans lequel ladite surface est soumise à au moins une onde lumineuse centrée sur une longueur d'onde AI, Selon l'invention, - on collecte l'ensemble de la lumière diffusée dans au moins le demiespace crée par la surface de l'objet grâce à un miroir ellipsoïdal, - on mesure l'intensité lumineuse co) ! ectée) s (,) pour chacune des longueurs d'onde sur un détecteur photosensible multipoints, la position de chaque point étant affectée d'un couple de coordonnées (x, y). Dans différents modes de réalisation, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles : - on extrait de l'intensité ls S(#1) mesurée pour une longueur d'onde X, la rugosité de la surface, - on extrait de l'intensité Is (#1) mesurée pour une longueur d'onde #i la densité spectrale de puissance, - l'intensité lumineuse Is (#1) est mesurée successivement pour deux ondes lumineuses centrées sur des longueurs d'onde distinctes #1 et 2, on produit à partir du rapport des intensités lumineuses mesurées pour deux longueurs d'onde #1 et k2, un paramètre G (x, y, ?. i, 2) tel que G (x, y, #1,#2)=Is(x,y,#1)/ Is(x,y,#2) on réalise une cartographie du paramètre G (x, y, #1, #2) en fonction de (x, y), e on extrait de la variation spatiale dudit paramètre G (x, y, 1, 2) la caractérisation optique de l'homogénéité de l'objet (1), - les ondes lumineuses sont des ondes de surface, - les ondes lumineuses sont des ondes planes, Dans différents modes de réalisation possibles, l'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique de l'appareil de caractérisation optique, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention pour l'obtention d'une carte de rugosité d'une surface de GaAs propre ; - la figure 3 est un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention pour l'obtention de figures montrant la distribution normalisée d'une onde lumineuse plane à la surface d'un échantillon de GaAs propre (Fig. 3a) et d'un échantillon de GaAs contaminé (Fig. 3b) ; - la figure 4 est un exemple de mise en oeuvre différente de l'invention, qui permet de réaliser une image de la source de diffusion en positionnant le détecteur photosensible multipoints au second foyer. L'exemple concerne une surface d'un échantillon de GaAs propre illuminé par une onde plane (Fig. 4a) et un échantillon de GaAs contaminé (Fig. 4b). L'appareil de caractérisation optique d'un objet 1, selon l'invention, comporte un système optique 2 ayant un premier foyer 3. En ce premier foyer 3 est placée une première face 4 dudit objet 1. Dans un premier mode de réalisation, l'objet 1 est passif et il est alors soumis à une onde lumineuse 5. Cette onde lumineuse 5 est soit plane, soit de surface. On entend par objet 1 passif, tout objet 1 dont le rayonnement émis provient d'une source lumineuse 6 externe à celui-ci. Le faisceau émis par la source 6 passe par l'évidement 7 réalisé au sein du dispositif optique 2. L'objet 1 est alors directement soumis à la lumière 5 émise par la source lumineuse 6. La source lumineuse 6 peut aussi être externe au dispositif optique 2 et des moyens de réflexion assurent l'envoi de la lumière 5 de la source lumineuse 6 vers l'objet 1. Cette dernière disposition est avantageusement utilisée pour illuminer l'objet 1 de derrière. La source lumineuse 6 est une source soit mono-chromatique, soit polychromatique qui émet un faisceau lumineux parallèle. Dans un deuxième mode de réalisation, l'objet 1 est actif. Il s'agit alors, par exemple, d'une source lumineuse 6 dont on cherche à déterminer le diagramme de rayonnement. La lumière 5'produite par l'objet 1 est alors collectée à un deuxième foyer 8 dudit système optique 2 par des moyens de collection 9. Ces moyens de collection 9 comportent dans un mode de réalisation particulier un objectif. La lumière 5'ainsi collectée est adressée sur un détecteur photosensible multipoints 10. Ce détecteur 10 est choisi parmi la liste d'éléments suivants donnée à titre non limitatif : capteur à transfert de charges (CCD), tube Vidicon, tube Réticon, plaque photographique. Selon l'invention, le système optique 2 est un miroir de révolution à section elliptique. Dans un mode de réalisation préféré, l'ouverture angulaire du miroir de révolution à section elliptique est supérieure ou égale à 27t stéradians. Ce mode de réalisation permet de collecter soit l'ensemble de la lumière diffusée 5'soit l'ensemble de la lumière rayonnée 5'par la surface de l'objet 1 dans le demi-espace en vis à vis du miroir ellipsoïdal 2 en une seule fois. Dans un mode de réalisation particulier, le demi-diamètre du miroir ellipsoïdal 2 est 100 mm, son épaisseur e est d'au moins 50 mm. L'aire de la surface de l'objet analysé peut dépasser 20x20 mm2 et résulte d'un compromis entre la taille de l'objet et son ombre. L'objectif est par exemple un oculaire d'astronomie de type Plossl dont la distance focale est 9.7 mm et le demi-diamètre est de l'ordre de 3 mm. Les signaux d'intensité Is détectés par le détecteur photosensible multipoints 10 sont ensuite envoyés vers une unité de traitement 11. Les signaux d'intensité mesurés sont soit traités en temps réel, soit sauvegardés dans des moyens de stockage 12 de données et traitées ultérieurement. Des moyens de visualisation 13 permettent de visualiser la distribution dans le demi-espace soit de la lumière diffusée par un objet passif soumis à une onde lumineuse 5 de longueur d'onde X, soit de la lumière rayonnée par un objet actif. Un logiciel permet un traitement numérique de ces données pour extraire les caractéristiques de l'objet 1. L'invention ne saurait être limitée à la description qui précède et est susceptible de modifications avec l'évolution des technologies. Des substitutions et/ou des modifications dans la structure générale et dans les détails du présent appareil de caractérisation optique peuvent être réalisés par un homme du métier sans s'écarter de l'esprit de la présente invention. Ainsi, dans un mode de réalisation, le détecteur photosensible multipoints 10 et les moyens de collection 9 sont remplacés par un capteur photosensible placé à l'un des foyers 3,8. Ce capteur permet alors d'obtenir directement la totalité de l'énergie diffusée dans au moins le demi-espace crée par l'objet 1. Dans un autre mode de réalisation, lorsque la source lumineuse 6 est une source polychromatique, le détecteur photosensible multipoints 10 peut être remplacé par des moyens de détection comprenant un système dispersif dont l'ouverture est adaptée à celle du miroir elliptique et un photodétecteur pour la mesure de l'énergie totale diffusée. L'invention concerne également un procédé de caractérisation optique par lequel on définit de manière très rapide et sans contact l'état de surface 4 d'un objet 1. Les caractéristiques principales obtenues par ce procédé sont ce qui est appelé en langage spécialisé la densité spectrale de puissance ('Power Spectral Density'-PSD), ainsi que la rugosité. L'utilisation d'une source monochromatique est suffisante pour obtenir ces paramètres bien définis par la littérature spécialisée [J. C. Stover, SPIE Optical Engineering Press,"Optical scattering : measurement and analysis", (1995), Bellingham, Washington]. Si l'on emploie une source polychromatique, on peut obtenir en supplément l'homogénéité de la surface de l'objet 1. On appelle ici "homogénéité", tout paramètre physique lié à l'objet 1 étudié dont la détermination découle d'une variation de l'état du faisceau lumineux-sonde 5 connu initialement, après interaction avec la surface 4 dudit objet 1. En d'autres termes, tout paramètre physique ayant une influence sur l'état de diffusion dudit faisceau lumineux 5. Ces paramètres sont, à titre d'exemples, la modulation de l'indice optique, la composition chimique ou cristallographique de l'objet étudié. Dans ce procédé, on soumet successivement la surface 4 d'un objet 1 à caractériser à au moins deux ondes lumineuses 5 de longueurs d'onde différentes li et 12. Ces ondes lumineuses 5 sont dans un premier mode de réalisation des ondes planes. Dans un deuxième mode de réalisation, ce sont des ondes de surface. Pour chacune de ces ondes lumineuses 5, on collecte l'ensemble de la lumière diffusée 5'dans le demi-espace crée par la surface 4 de l'objet 1 grâce à un miroir ellipsoïdal 2. La surface 4 de l'objet 1 est placée au premier foyer 3 dudit miroir ellipsoïdal 2. Préférentiellement, l'ouverture angulaire du miroir ellipsoïdal 2 est de 2n stéradians permettant ainsi de collecter simultanément l'ensemble de la lumière diffusée 5'par la surface 4 de l'objet 1. Avantageusement, dans un mode de mise en oeuvre, des phénomènes dépendant du temps peuvent alors être étudiés. La résolution temporelle est uniquement limitée par le temps d'acquisition T du dispositif de détection. La réponse temporelle de diffusion, par exemple, d'un objet soumis à une excitation continue, périodique ou pulsée est alors obtenue en adaptant la fréquence de réponse du capteur à celle de l'excitation. L'intensité IS (À,) collectée pour chacune des longueurs d'onde est alors mesurée sur un détecteur photosensible multipoints 10. Ce détecteur photosensible 10 est avantageusement un capteur à transfert de charges (CCD) comportant une matrice de pixels. Chacun des points du détecteur photosensible multipoints 10 est repéré par un couple de coordonnées (x, y). Les signaux d'intensité ls (x, y, X,) mesurés en chaque point pour une longueur d'onde À, donnée sont envoyés sur un ordinateur 11. Ces signaux sont ensuite traités numériquement par un logiciel. Ce traitement comporte une étape de normalisation des données, i. e. on associe une fausse couleur à chacune des données. L'influence des éléments optiques de l'appareil (aberrations propres du miroir, aberrations dues aux moyens de collection,...) sur la lumière diffusée 5'est également corrigée. On effectue également un traitement numérique des ensembles de données obtenus pour deux longueurs d'onde #1 et 12. Ce traitement vise à mettre en évidence une modulation du relief de la surface 4 de l'objet 1 étudié (i. e. la rugosité de la surface) ou une modulation d'une propriété optique (par exemple, l'indice optique de matériau étudié). On produit pour cela un paramètre G (x, y, #1 #2) défini par la relation : L'ensemble de données obtenues permet de réaliser une cartographie du paramètre G (x, y, À1, À2). De la variation spatiale, i. e. de la dépendance du paramètre G (x, y, À1, À2) en fonction de (x, y), on extrait la caractérisation de l'objet 1. Une approche théorique a été développée pour l'étude de la rugosité de la surface 4 d'un objet 1, i. e. un système présentant uniquement une modulation sinusoïdale du relief de profondeur h lorsque h À. Le rapport G (h, À1) des intensités de diffusion Is (h, À1) avec i=1, 2 s'écrit alors : G ) = () ) p. (2cos) 'S (h, À-J R () J1 (2JrhcosB/) où J1 est la fonction de Bessel de premier ordre et 0 l'angle d'incidence de l'onde lumineuse de longueur d'onde . Une estimation de G (h, kl, 1, #2) lorsque h # À montre qu'il ne dépend pas de h et reste presque constant. Alors, si G diffère de cette constante, cela indique qu'existe pour le système étudié une composante non topographique responsable d'une partie de la diffusion. L'analyse de la dépendance spatiale de G (x, y, kl, 12) donnera une information plus précise telle que l'orientation azimutale ou la décomposition spatiale des paramètres statistiques des défauts non-topographiques. Ce procédé et appareil de caractérisation optique d'objet peuvent avantageusement être utilisés dans les industries de l'optique, des semiconducteurs (détermination de l'état de surface de pièces après polissage, mesure de rugosité, application au super-poli,..), les industries mécaniques (rugosité de surface avant traitement, collage,..) et la caractérisation sans contact d'objets d'Art (peintures, céramiques, sculptures,..). Le procédé de l'invention a fait l'objet de plusieurs mises en oeuvre présentées dans les exemples suivants faisant ressortir la qualité des résultats obtenus : Exemple 1 Le procédé a été mis en oeuvre pour obtenir une carte de rugosité d'une surface 4 de GaAs propre (Figure 2). Cette figure montre que la rugosité de la surface 4 de l'échantillon est très faible, environ 14 A sur une aire de 2x2 mm2. La modulation est inférieure à 1 A. Des analyses complémentaires effectuées par microscopie à force atomique (AFM) sur la même surface donnent une rugosité de 11,4 A. Cette rugosité est en bon accord avec la rugosité optique mesurée d'après le procédé selon l'invention. L'analyse détaillée de la carte de rugosité obtenue montre également que la sensibilité de l'appareil est grande puisque le bruit reste bien inférieur au signal utile (par un ordre de grandeur). Enfin la reproductibilité des mesures est excellente puisque les valeurs de rugosité de points contigus se correspondent. Exemple 2 La figure 3 montre un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention pour l'obtention de figures montrant la distribution normalisée d'une onde lumineuse 5 à la surface plane et propre 4 d'un échantillon de GaAs propre (Fig. 3a) et d'un échantillon de GaAs contaminé (Fig. 3b). L'échantillon de GaAs est de type n (dopé Si). La figure 3 montre l'intensité de l'onde plane diffusée en fonction des directions polaires 0 (axe des abscisses 14) et azimutale (p (axe des ordonnées 15) dans l'espace. Ces angles sont repérés par rapport à la normale au centre 16 de la figure. L'intensité est codée en fausses couleurs avec une échelle de variation de l'intensité linéaire 17a (Fig. 3a) et logarithmique 17b (Fig. 3b). L'ombre de l'échantillon 1 et du porte- échantillon 18 apparaissent clairement au centre de la figure. Sur la Figure 3 a), des traces de polissages sont clairement visibles et apparaissent sous la forme de traces circulaires 19 pour de grands angles de diffusion. Ces traces sont aussi visibles sur la cartographie AFM. Aux petits angles de diffusion apparaît une structure plus élaborée et mieux définie. Des maximums locaux 20 témoins d'une structure périodique de la surface sont également visibles. Sur la Figure 3 b), la structure de diffusion est plus compliquée et présente une très forte modulation interférentielle aux angles grands et moyens de diffusion. Aux petits angles de diffusion, la structure n'est pas typique mais varie brutalement lorsque l'échantillon 1 est déplacé. Exemple 3 On cherche dans ce mode de mise en oeuvre non plus à obtenir l'intensité diffusée par une onde lumineuse plane incidente 5 à une surface 4 mais à visualiser une source de diffusion, i. e. l'image du domaine de l'échantillon soumise à l'onde lumineuse incidente 5. Pour cela, on utilise le procédé selon l'invention décrit en page 3. L'image de diffusion de la source soumise à une onde lumineuse 5 correspond à son diagramme de rayonnement. La figure 4 montre une source de diffusion pour une surface 4 d'un échantillon de GaAs propre soumise à une onde plane (Fig. 4a) et pour un échantillon de GaAs contaminé (Fig. 4b). Ces échantillons sont ceux utilisés pour obtenir la Figure 3. Les axes des abscisses 21 et des ordonnées 22 donnent la position de la lumière incidente 5 à la surface 4 de l'échantillon 1 (en m). Les résultats obtenus donnent une résolution spatiale supérieure à 10 micromètres. La figure 4 a) montre une distribution très homogène correspondant à une surface plane et propre. La figure 4 b) montre un ensemble hétérogène de centres diffuseurs très localisés et associés à des impuretés à la surface de l'échantillon. Ce sont les interférences entre ces centres diffuseurs qui créent la structure compliquée obtenue sur la Fig. 3 b). REVENDICATIONS 1. Appareil de caractérisation optique d'un objet (1) comportant : - un système optique (2) réfléchissant, - une source lumineuse (6), - des moyens de collection (9), - un détecteur photosensible multipoints (10), - une unité de traitement (11), caractérisé en ce que, - le système optique (2) est un miroir de révolution à section elliptique présentant un premier (3) et un deuxième (8) foyers, et en ce que, - l'objet (1) est placé à l'un des foyers (3,8) et les moyens de collection (9) à l'autre foyer. 2. Appareil de caractérisation optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ouverture angulaire du miroir (2) de révolution à section elliptique est supérieure ou égale à 2n stéradians. 3. Appareil de caractérisation optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de collection (9) comprennent un objectif. 4. Appareil de caractérisation optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la source lumineuse (6) émet un flux lumineux (5) envoyé sur l'objet (1). 5. Appareil de caractérisation optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le miroir ellipsoïdal (2) comprend un évidement (7) par lequel passe le flux lumineux émis par la source lumineuse (6). 6. Appareil de caractérisation optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit flux lumineux (5) est envoyé sur l'objet (1) par des moyens de réflexion. 7. Appareil de caractérisation optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la source lumineuse (6) est l'objet (1) lui-même, placée en un des foyers. 8. Procédé de caractérisation optique de l'état de surface (4) d'un objet (1) dans lequel ladite surface (4) est soumise à au moins une onde lumineuse centrée sur une longueur d'onde kl, caractérisé en ce que, - on collecte l'ensemble de la lumière diffusée (5') dans au moins le demi-espace crée par la surface (4) de l'objet (1) grâce à un miroir ellipsoïdal (2), - on mesure l'intensité lumineuse collectée ls (kl) pour chacune des longueurs d'onde sur un détecteur photosensible multipoints (10), la position de chaque point étant affectée d'un couple de coordonnées (x, y). 9. Procédé de caractérisation optique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on extrait de l'intensité Is(#1) mesurée pour une longueur d'onde #1 la rugosité de la surface. 10. Procédé de caractérisation optique selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on extrait de l'intensité Is(#1) mesurée pour une longueur d'onde kl la densité spectrale de puissance. 11. Procédé de caractérisation optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'intensité lumineuse Is(#1) est mesurée successivement pour deux ondes lumineuses centrées sur des longueurs d'onde distinctes Il et #2. 12. Procédé de caractérisation optique selon la revendication 11, caractérisé en ce que, - on produit à partir du rapport des intensités lumineuses mesurées pour deux longueurs d'onde Il et 2. un paramètre G (x, y, À1, À2) tel que - on réalise une cartographie du paramètre G (x, y, Â, 1, Â, 2) en fonction de (x, y), - on extrait de la variation spatiale dudit paramètre G (x, y, #1, #2) la caractérisation optique de l'homogénéité de l'objet (1). 13. Procédé de caractérisation optique selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que les ondes lumineuses (5) sont des ondes de surface. 14. Procédé de caractérisation optique selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisé en ce que les ondes lumineuses (5) sont des ondes planes.