Brevet FR2846417A1 — publié le 20040430

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ANALYSE POLARIMETRIQUE DE LA DIFFUSION INFRAROUGE TRIDIMENSIONNELLE D'UN OBJET AU MOYEN D 'UN MONTAGE A MIROIR PARABOLIQUE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'analyse optique de la diffusion (" scattering ") infrarouge tridimensionnelle d'un 10 objet au moyen d'un montage comportant un miroir parabolique. Elle s'applique notamment à l'équipement des spectromètres infrarouges pour la caractérisation infrarouge des matériaux. On peut aussi fabriquer un dispositif conforme à l'invention, de faible taille, en vue d'étudier des revêtements d'objets, en particulier de grandes pièces, se trouvant dans un environnement opérationnel donné. L'invention trouve également des applications dans les domaines aéronautique et spatial o l'on a besoin de données thermo-optiques pour résoudre, en particulier, des problèmes de télédétection. L'invention s'applique aussi à tous les secteurs industriels o l'on pratique le contrôle nondestructif de matériaux par voie infrarouge, par exemple en ce qui concerne la géométrie, les défauts et la nature plus ou moins réflectrice de ces matériaux. 30 B 14160.3 PV ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE Il est connu d'analyser la diffusion infrarouge d'objets à l'aide de montages permettant seulement des mesures dans un plan d'incidence o l'on 5 fait simplement varier l'angle zénithal d'un rayonnement incident. Ces montages autorisent seulement des mesures bidimensionnelles à angle azimutal constant. On connaît aussi un dispositif d'analyse 10 optique de la diffusion infrarouge d'un objet au moyen d'un montage à miroir parabolique, par les documents suivants auxquels on se reportera: [1i S. Mainguy et al., " Description and calibration of a fully automated infrared scatterometer ", SPIE Proceedings, vol. 1530, Ed. J.C. Stover, 1991, pages 269 à 282. [2] S. Mainguy, Thèse de doctorat, "Mesure et modélisation de la diffusion du rayonnement optique par des surfaces rugueuses, application aux 20 propriétés infrarouges de céramique de bore", 1994. Dans ces documents, on examine les problèmes de parallélisme d'un faisceau infrarouge incident sur le miroir parabolique et les problèmes de collection du faisceau réfléchi. Il résulte de ces documents que le miroir parabolique permet - d'explorer très largement le demi-espace de réflexion, l'exploration se faisant de façon continue suivant les angles zénithaux et les angles 30 azimutaux, et B 14160.3 PV - de ramener les balayages angulaires tridimensionnels à des balayages dans un plan, c'est-àdire à des balayages bidimensionnels,ce qui limite les déplacements du bras de collection-détection que comporte le dispositif décrit dans ce document. Il convient cependant de noter que la technique divulguée par ces documents utilise, pour l'étude de l'objet, un rayonnement dont la polarisation est fixe. EXPOS DE L'INVENTION La présente invention a pour but d'améliorer la technique divulguée par ces documents en proposant un procédé et un dispositif permettant une 15 analyse bien plus complète que celle qui est permise par cette technique connue. Pour ce faire, l'invention combine les bonnes propriétés géométriques du miroir parabolique à une technique de mesure polarisée: dans l'invention, 20 on commande les polarisations du faisceau lumineux utilisé pour l'étude de l'objet (de préférence un faisceau laser), respectivement en amont et en aval du miroir parabolique. Dans la présente invention, on utilise 25 aussi le fait qu'un miroir parabolique polarise peu une lumière qu'il réfléchit et a donc, en lumière polarisée, des propriétés optiques qui sont bien adaptées à l'invention, c'est-à-dire aux mesures polarisées de diffusion infrarouge tridimensionnelle. B 14160.3 PV De façon précise, la présente invention concerne un procédé d'analyse de la diffusion infrarouge tridimensionnelle d'un objet, procédé dans lequel - on éclaire cet objet par un rayonnement infrarouge incident, par l'intermédiaire d'un miroir parabolique, suivant un angle d'incidence déterminé, ce miroir parabolique étant prévu pour réfléchir le rayonnement infrarouge incident vers l'objet, cet objet 10 fournissant alors un rayonnement diffusé, le miroir parabolique étant en outre prévu pour réfléchir ce rayonnement diffusé, - on détecte le rayonnement diffusé suivant un angle de diffusion déterminé et - on fait varier l'angle d'incidence et l'angle de diffusion, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on polarise en outre le rayonnement incident et le rayonnement diffusé et l'on fait varier la polarisation de ce rayonnement incident et la polarisation de ce rayonnement diffusé. La présente invention concerne aussi un dispositif d'analyse de la diffusion infrarouge tridimensionnelle d'un objet, ce dispositif comprenant 25 - une source de rayonnement infrarouge, - un miroir parabolique, la source étant prévue pour éclairer l'objet par un rayonnement infrarouge incident, par l'intermédiaire du miroir parabolique, suivant un angle d'incidence déterminé, ce 30 miroir parabolique étant prévu pour réfléchir le rayonnement infrarouge incident vers l'objet, cet objet B 14160.3 PV fournissant alors un rayonnement diffusé, le miroir parabolique étant en outre prévu pour réfléchir ce rayonnement diffusé, - des moyens de détection du rayonnement diffusé suivant un angle de diffusion déterminé et - des moyens de variation de l'angle d'incidence et de l'angle de diffusion, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre des premiers moyens de polarisation, prévus pour polariser le rayonnement incident, - des deuxièmes moyens de polarisation, prévus pour polariser le rayonnement diffusé, et - des moyens de commande des premiers et 15 deuxièmes moyens de polarisation, prévus pour faire varier la polarisation de ce rayonnement incident et la polarisation de ce rayonnement diffusé. Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les 20 premiers moyens de polarisation comprennent un premier polariseur et une première lame quart d'onde, les deuxièmes moyens de polarisation comprennent un deuxième polariseur et une deuxième lame quart d'onde et les moyens de commande comprennent des moyens de 25 rotation de ces première et deuxième lames quart d'onde. Dans ce cas, les premier et deuxième polariseurs peuvent être choisis parmi les polariseurs rectilignes, les polariseurs circulaires et les 30 polariseurs elliptiques. B 14160.3 PV Selon un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les premiers moyens de polarisation comprennent au moins une cellule de Pockels, les deuxièmes moyens de 5 polarisation comprennent aussi au moins une cellule de Pockels et les moyens de commande sont prévus pour commander chaque cellule de Pockels. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, les premiers moyens de 10 polarisation comprennent au moins deux cellules de Pockels, les deuxièmes moyens de polarisation comprennent aussi au moins deux cellules de Pockels et les moyens de commande sont prévus pour commander chaque cellule de Pockels. De préférence, la source de rayonnement infrarouge comprend au moins un laser à émission infrarouge. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique d'un exemple de moyens de polarisation que l'on peut 30 utiliser dans le dispositif de la figure 1, et B 14160.3 PV - la figure 3 est une vue schématique d'un autre exemple de moyens de polarisation que l'on peut aussi utiliser dans le dispositif de la figure 1. EXPOS D TAILL DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS L'exemple du dispositif objet de l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 1, est une installation de mesure polarisée de diffusion infrarouge tridimensionnelle. Cette installation permet d'étudier des échantillons de divers matériaux, tels que l'échantillon 2. Cet échantillon 2 est placé sur un support 4. Ce dernier est pourvu de moyens de rotation qui sont symbolisés par la flèche 6 et permettent de 15 faire tourner le support 4, et donc l'échantillon 2, autour d'un axe Z. Le support 4 est en outre pourvu de moyens de translation qui sont symbolisés par la flèche 7 et permettent de déplacer le support 4, et donc 20 l'échantillon 2, suivant l'axe Z. Le dispositif de la figure 1 comprend aussi une source 8 de rayonnement infrarouge. Cette source comporte un laser à C02 10 qui permet de faire des mesures à une longueur d'onde de 10,6 pm. Dans l'exemple représenté, la source comporte en outre un laser à CO 12 qui permet de faire des mesures à une longueur d'onde de 5,4 1m. Une lame semi-transparente 14 permet d'obtenir un faisceau infrarouge 16 contenant le rayonnement de celui des 30 deux lasers qui est en fonctionnement. B 14160.3 PV Les lasers 10, 12 et la lame semitransparente 14 sont agencés de façon que le faisceau 16 se propage dans un plan P qui est orthogonal à l'axe Z. Une partie de ce faisceau 16 est transmise par une autre lame semitransparente 18 et captée par un détecteur 20, tel qu'un détecteur pyrométrique, destiné à mesurer la puissance du faisceau infrarouge 16. L'autre partie de ce faisceau 16 est réfléchie par la lame semitransparente 18. Elle est ensuite réfléchie par un miroir 22, suivant un axe X du plan P. puis traverse successivement un diaphragme réglable 24 et une lentille de focalisation 26 avant 15 d'être réfléchie parallèlement à l'axe Z par un autre miroir 28. Le dispositif de la figure 1 comprend aussi un miroir parabolique 30. L'axe de ce miroir parabolique est l'axe Z et rencontre l'axe X en un 20 point O. Ce miroir parabolique est placé au-dessus de l'échantillon 2 et la surface de cet échantillon est placée en son foyer (à l'aide des moyens de translation 7). Ce miroir 30 est prévu pour réfléchir vers 25 l'échantillon 2 la lumière issue du miroir 28. Cet échantillon 2 reçoit ainsi, du miroir 30, un faisceau infrarouge 32 dont l'angle d'incidence, compté par rapport à l'axe Z, est noté Oi. Sous l'effet de son éclairement, l'échantillon 2 diffuse une lumière infrarouge. Cette B 14160.3 PV dernière est réfléchie par le miroir 30 parallèlement à l'axe Z. Un autre miroir 34 est prévu pour capter un faisceau infrarouge 36, constituant une partie de la 5 lumière diffusée, après réflexion de ce faisceau par le miroir 30, et pour réfléchir le faisceau qu'il capte suivant un axe Y du plan P. L'axe Y rencontre l'axe X au point O et fait un angle ç avec cet axe X. Le faisceau 36, qui est diffusé par 10 l'échantillon 2, fait un angle de diffusion Or avec l'axe Z. De plus,le plan Pl, contenant l'axe Z et l'axe du faisceau 32, fait l'angle p avec le plan P2, contenant l'axe Z et l'axe du faisceau 36. Le faisceau infrarouge 38, réfléchi par le 15 miroir 34 suivant l'axe Y, est focalisé par une lentille 40 sur un détecteur de rayonnement infrarouge 42, par exemple un détecteur à base de HgCdTe. La lentille 26 et le miroir 28 sont fixés sur un bâti 44. Un moteur pas-àpas, symbolisé par la 20 flèche 46, permet le déplacement de ce bâti en translation suivant l'axe X pour faire varier l'angle Gi. On précise que la lentille 26 est une lentille de pré-focalisation, permettant l'arrivée, sur 25 l'échantillon 2, d'un faisceau à rayons parallèles au lieu d'un faisceau focalisé. Le miroir 34, la lentille 40, et le détecteur 42 sont fixés sur un bâti 48. Un moteur pasà-pas, symbolisé par la flèche 50, permet le 30 déplacement de ce bâti en translation suivant l'axe Y B 14160.3 PV pour sélectionner un autre faisceau diffusé par l'échantillon. Un autre moteur pas-à-pas, symbolisé par la flèche 52, permet de faire tourner le bâti 48, et 5 donc l'axe Y, autour de l'axe Z, et par conséquent de faire varier l'angle (p. On peut donc faire varier l'angle Or par translation du bâti 48 suivant l'axe Y et/ou rotation de ce bâti autour de l'axe Z. Le dispositif de la figure 1 comprend aussi - des moyens 54 de commande des moteurs pas-à-pas, des moyens 56 d'amplification du signal fourni par le détecteur 42, - un hacheur (" chopper ") 58, qui est 15 placé sur la trajectoire du faisceau réfléchi par la lame semi-transparente 18, et - un modulateur 60, par exemple dans la gamme de fréquences [10 Hz;1000 Hz], qui commande ce hacheur. Sur la figure 1, on voit aussi des moyens électroniques et informatiques 62 prévus pour - commander le dispositif (en particulier les moyens 54 de commande des moteurs pas-à-pas), - acquérir les mesures faites avec ce 25 dispositif, - stocker les résultats de ces mesures et - exploiter ces résultats. Ces moyens 62 reçoivent en particulier les signaux fournis par le détecteur 20 et par 30 l'amplificateur 56 et coopèrent avec le modulateur et le hacheur pour permettre la détection synchrone des B 14160.3 PV signaux fournis par le détecteur 42, afin d'en éliminer des bruits parasites, dus en particulier à l'émission infrarouge de l'échantillon 2. Conformément à la présente invention, le dispositif comprend en outre des moyens 64 de commande de la polarisation du faisceau incident 32 que l'on envoie sur l'échantillon 2 et - des moyens 66 de commande de la 10 polarisation du faisceau diffusé 36 que reçoit le détecteur 42. Les moyens 64 sont par exemple placés sur le trajet du faisceau 16, avant la lame semitransparente 18, tandis que les moyens 66 sont placés 15 sur le trajet du faisceau 38, sur le bâti 48, entre la lentille 40 et le détecteur 42. On précise que les réglages de ces moyens 64 et 66 ne sont pas nécessairement identiques: la polarisation du faisceau incident 32 et la polarisation 20 du faisceau diffusé 36 (après passage dans les moyens 66) peuvent être différentes l'une de l'autre. Le dispositif de la figure 1 permet d'envisager un grand nombre d'états de polarisation du faisceau incident et, indépendamment de ceux-ci, un 25 grand nombre d'états de polarisation du faisceau diffusé. Sur la figure 2, on a représenté un premier exemple des moyens de commande de polarisation 64 et 66. Dans cet exemple, les moyens 64 ou 66 comprennent un polariseur linéaire 68 ou 70 et une lame B 14160.3 PV quart d'onde 72 ou 74 qui est mobile en rotation autour de l'axe du faisceau que le polariseur polarise. Ce polariseur 68 ou 70, qui est associé à la lame quart d'onde 72 ou 74, peut précéder cette dernière. On voit aussi sur la figure 2 des moyens 76 ou 78 de commande de la rotation de la lame quart d'onde 72 ou 74, ces moyens 76 et 78 étant eux-mêmes commandés par les moyens électroniques 62. Sur la figure 3, on a représenté un deuxième exemple des moyens de commande de polarisation 64 et 66. Dans ce deuxième exemple, les moyens 64 et les moyens 66 comprennent au moins une cellule de 15 Pockels commandée par des moyens permettant d'en faire varier la fréquence. De préférence, comme on le voit sur la figure 3, ces moyens comprennent plusieurs cellules de Pockels. Par exemple, les moyens 64 comprennent deux 20 cellules de Pockels 80,82 et les moyens 66 comprennent deux autres cellules de Pockels 84,86. Des moyens 88 de commande de toutes ces cellules de Pockels, destinés à faire varier la fréquence temporelle de chaque cellule de Pockels, sont également prévus. En effet, le traitement des signaux fournis par l'amplificateur 56 nécessite généralement plus d'une fréquence pour être satisfaisant, notamment dans le cas o il s'agit d'un traitement par transformée de Fourier inverse. Ce dernier nécessite au moins quatre fréquences pour être satisfaisant et l'on dispose bien B 14160.3 PV de quatre fréquences si l'on utilise quatre cellules de Pockels. Pour analyser l'échantillon 2 avec le dispositif de la figure 1, on dispose donc des paramètres suivants: X1=pl: polarisation du faisceau incident X2=p2: polarisation du faisceau diffusé X3=Oi: angle d'incidence du faisceau incident X4=p: angle entre les axes X et Y X5=Or: angle de diffusion du faisceau diffusé. On souhaite faire varier ces paramètres respectivement dans des intervalles prédéfinis, chaque 15 paramètre prenant Ni valeurs dans l'intervalle qui lui correspond, pour i allant de 1 à 5. On mesure alors le signal S fourni par le détecteur 42 pour chacune des N=NlxN2xN3xN4xN5 combinaisons possibles des valeurs des paramètres et 20 l'on obtient ainsi N valeurs de S que l'on stocke dans les moyens électroniques 62 et que l'on traite ensuite pour déterminer les propriétés recherchées de l'échantillon 2. Cependant, il convient de noter qu'en 25 pratique on préfère travailler à X3=Oi donné. Le dispositif conforme à l'invention, que l'on vient de décrire, permet d'effectuer une analyse optique très poussée des propriétés de diffusion d'un échantillon de matériau donné. Cette analyse, de type 30 polarimétrique, permet de caractériser de façon exhaustive les capacités de réponse optique d'un B 14160.3 PV revêtement donné que l'on éclaire par une lumière infrarouge. Cette réponse optique est une donnée essentielle pour évaluer la signature infrarouge d'un objet ayant un tel revêtement. Elle permet également d'accéder à des informations sur la composition de la surface de ce revêtement, notamment en ce qui concerne les propriétés diélectriques du matériau, à la longueur d'onde de la 10 source d'éclairement infrarouge, et des données microgéométriques telles que des paramètres représentatifs des défauts du matériau. Ce dispositif conforme à l'invention permet d'acquérir les propriétés optiques polarimétriques 15 grâce à 1) une détection "déplaçable" dans le demiespace qui surplombe la surface de l'échantillon étudié, de façon à effectuer des mesures en trois dimensions selon des directions issues de l'échantillon, chaque direction étant définie par un couple (angle azimutal; angle zénithal) et 2) la maîtrise des propriétés de polarisation des faisceaux incident et diffusé par l'échantillon. L'utilisation d'un miroir parabolique métallique, faiblement polarisant dans l'infrarouge, permet de combiner ces deux points. B 14160.3 PV REVENDICATIONS 1. Procédé d'analyse de la diffusion infrarouge tridimensionnelle d'un objet (2), procédé dans lequel - on éclaire cet objet par un rayonnement infrarouge incident (32), par l'intermédiaire d'un miroir parabolique (30) , suivant un angle d'incidence déterminé (0i), ce miroir parabolique étant prévu pour réfléchir le rayonnement infrarouge incident vers 10 l'objet, cet objet fournissant alors un rayonnement diffusé, le miroir parabolique étant en outre prévu pour réfléchir ce rayonnement diffusé, - on détecte le rayonnement diffusé (36) suivant un angle de diffusion déterminé (Or) et - on fait varier l'angle d'incidence et l'angle de diffusion, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on polarise en outre le rayonnement incident et le rayonnement diffusé et l'on fait varier la polarisation de ce rayonnement incident et la polarisation de ce rayonnement diffusé. 2. Dispositif d'analyse de la diffusion infrarouge tridimensionnelle d'un objet (2), ce 25 dispositif comprenant - une source (8) de rayonnement infrarouge, - un miroir parabolique (30), la source étant prévue pour éclairer l'objet par un rayonnement infrarouge incident (32), par l'intermédiaire du miroir 30 parabolique, suivant un angle d'incidence déterminé (Oi), ce miroir parabolique étant prévu pour réfléchir B 14160.3 PV le rayonnement infrarouge incident vers l'objet, cet objet fournissant alors un rayonnement diffusé, le miroir parabolique étant en outre prévu pour réfléchir ce rayonnement diffusé, - des moyens (42) de détection du rayonnement diffusé (36) suivant un angle de diffusion déterminé (Or) et des moyens (46, 50, 52) de variation de l'angle d'incidence et de l'angle de diffusion, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre - des premiers moyens de polarisation (6872, 80-82), prévus pour polariser le rayonnement incident, - des deuxièmes moyens de polarisation (7074, 84-86), prévus pour polariser le rayonnement diffusé, et - des moyens (76-78, 88) de commande des premiers et deuxièmes moyens de polarisation, prévus 20 pour faire varier la polarisation de ce rayonnement incident et la polarisation de ce rayonnement diffusé. 3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les premiers moyens de polarisation 25 comprennent un premier polariseur (68) et une première lame quart d'onde (72), les deuxièmes moyens de polarisation comprennent un deuxième polariseur (70) et une deuxième lame quart d'onde (74) et les moyens de commande (76, 78) comprennent des moyens de rotation de 30 ces première et deuxième lames quart d'onde. B 14160.3 PV 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les premier et deuxième polariseurs (68, 70) sont choisis parmi les polariseurs rectilignes, les polariseurs circulaires et les polariseurs elliptiques. 5. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les premiers moyens de polarisation comprennent au moins une cellule de Pockels (80-82), les deuxièmes moyens de polarisation comprennent aussi 10 au moins une cellule de Pockels (84-86) et les moyens de commande (88) sont prévus pour commander chaque cellule de Pockels. 6. Dispositif selon la revendication 5, 15 dans lequel les premiers moyens de polarisation comprennent au moins deux cellules de Pockels (80-82), les deuxièmes moyens de polarisation comprennent aussi au moins deux cellules de Pockels (84-86) et les moyens de commande (88) sont prévus pour commander chaque 20 cellule de Pockels. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel la source de rayonnement infrarouge (8) comprend au moins un laser à émission infrarouge (10, 12). 25 B 14160.3 PV