Brevet FR2879288A1 — publié le 20060616

La présente invention se rapporte à un dispositif compact de large dynamique et de sensibilité ajustable pour l'analyse et la mesure de la phase d'une onde lumineuse. La déformation de la phase d'une onde a permis aux opticiens et concepteurs de composants optiques d'évaluer qualitativement et quantitativement les défauts de leurs instruments. La méthode dite de Hartmann utilisée depuis plus d'un siècle, consistait à analyser la marche de rayons lumineux à travers un diaphragme percé de trous convenablement disposés de façon à laisser passer des couples de rayons symétriques correspondant à des ouvertures croissantes. Deux photographies prises dans deux plans différents, situés généralement de part et d'autre du plan de la meilleure image permettaient d'évaluer par exemple le défaut de phase d'une lentille convergente associé à l'aberration sphérique. D'autres méthodes furent imaginées, notamment les méthodes d'ombres telles que celle du couteau de Foucault. Nous mentionnerons plus particulièrement la méthode proposée simultanément par Ronchi et Lenouvel qui consiste à placer un peu en avant de l'image d'un objet uniforme formée par un instrument optique, un réseau à traits parallèles et équidistants. L'observation de l'ombre du réseau se fait dans un plan situé derrière l'image. Si l'instrument est stigmatique, cette ombre est constituée de traits rectilignes, parallèles et équidistants. Les aberrations de l'instrument peuvent déformer cette ombre et l'étude de ces déformations permet d'atteindre les composantes latérales de ces aberrations. Cependant, l'interprétation correcte des résultats doit prendre en compte les phénomènes d'interférence et de diffraction, notamment lorsque le pas du réseau est assez petit. D'autres méthodes utilisant les interférences ont été mises au point par Cotton et consistaient à pointer par l'interfrange des franges créées par deux trous mobiles dans la pupille, la trace de la normale à la surface d'onde. Des interféromètres plus sophistiqués tels l'interféromètre de Fizeau ou l'interféromètre de Michelson (ou sa variante dite de Twymann-Green) permettent encore aujourd'hui de déterminer en une seule observation, la forme complète d'une surface d'onde avec une excellente précision. D'autres méthodes utilisant la diffraction donnent accès à des observations qualitatives de petits défauts de phase dans l'extension transverse d'une onde. Ainsi, le montage pour la strioscopie consiste à masquer par un écran opaque dans le plan image d'analyse, le disque d'Airy étroit dû à l'ouverture principale et à observer qualitativement le défaut de phase par un éclairement diffractif proportionnel au carré du défaut. Le montage pour le contraste de phase est plus complexe et s'utilise surtout en microscopie pour la vérification de l'homogénéité et du poli de lentilles ou de miroirs. La plupart des appareils commerciaux actuels dédiés à la mesure qualitative et quantitative d'un défaut de phase, utilisent soit un interféromètre avec ou sans onde de référence (de type Michelson ou Fizeau), soit un réseau composé de micro-lentilles juxtaposées. L'interféromètre de Fizeau utilise des franges d'égale épaisseur alors que l'interféromètre de Michelson utilise à la fois les franges d'égale épaisseur et d'égale inclinaison. Ces interféromètres fournissent une déformation des franges qui permet de reconstituer immédiatement la surface d'onde. Les défauts de phase mesurés correspondent généralement à des fractions de longueur d'onde et la dynamique de mesure est assez limitée. Ces instruments ne se limitent pas à l'observation de la phase; ils mesurent également la largeur de raie de sources lumineuses. L'analyseur de phase constitué à partir d'un réseau de micro- lentilles prend le nom de Shack-Hartmann (Wyant et al. AGARD Conf. Proc., n 300 1981). II associe par exemple un réseau de 400 micro-lentilles carrées de 130 microns de coté dont la distance focale est de 5 millimètres et une caméra CCD dont la surface sensible est placée dans le plan focal des micro-lentilles. Chaque micro-lentille observe une portion spatiale de l'onde incidente sous une faible ouverture numérique (F:38 dans l'exemple). Le barycentre de l'énergie observé par la caméra dans la zone du plan focal réservée à une micro-lentille, pointe la direction du vecteur d'onde local incident. Si l'angle d'inclinaison de ce vecteur d'onde est supérieur au demi angle d'ouverture (13 mrd dans l'exemple), l'énergie est diffractée dans les zones des lentilles périphériques. Par ailleurs, la diffraction entache la mesure et crée une forte incertitude. Le relevé des traces des vecteurs d'onde par la caméra fournit les données nécessaires à l'obtention de la dérivée première de la surface d'onde. La reconstruction de la surface d'onde est une opération mathématique abordable par la plupart des ordinateurs actuels. On notera que l'analyseur de Shack-Hartmann n'atteint pas les précisions des interféromètres, que sa dynamique de mesure est fixe et faible et reste liée principalement à la focale des micro-lentilles. L'incertitude des mesures dépend principalement de la présence de défauts de phase induisant des fréquences spatiales supérieures à l'inverse de la périodicité des micro-lentilles. Notamment, l'analyseur de Shack-Hartmann reste mal adapté à l'observation des trous de phase à bords francs. L'invention a pour objet un dispositif compact de large dynamique et de sensibilité ajustable pour l'analyse et la mesure de la phase d'une onde lumineuse constitué d'un réseau de phase et d'amplitude mobile en translation placé à proximité immédiate d'un détecteur quadratique matriciel. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre faite à titre d'exemple non limitatif et dans la figure 1 annexée et qui représente un schéma du dispositif. Selon la figure 1, le dispositif est représenté schématiquement en coupe selon son axe principal. Le support mécanique principal 1 du dispositif est fixe et maintient mécaniquement le détecteur quadratique matriciel 2. L'élément mécanique mobile 4 entraîne le réseau de phase et d'amplitude 3 en translation de façon que la distance d'observation d entre la surface sensible 5 du détecteur et la face de sortie 6 du réseau varie à volonté d'une position minimum dm à une position maximum dM. Le mouvement de translation est précis, reproductible, à jeu compensé et n'induit aucune rotation du réseau dans son plan. La bague mécanique 7 est mobile en rotation autour de l'axe principal du dispositif et assure ainsi la translation de l'élément mécanique 4. Cette la bague mécanique 7 est constituée d'une ou de plusieurs pièces mécaniques en rotation permettant l'usage de vis à pas différentiel pour augmenter la précision relative de la rotation. L'invention utilise un réseau de phase et d'amplitude 3 par transmission dont les motifs répétitifs de phase et d'amplitude permettent de reconstituer, immédiatement après la face de sortie 6, l'onde incidente en N répliques. Ces ondes dupliquées sont strictement identiques en phase et en amplitude et leurs vecteurs d'onde sont répartis sur un cône dont l'axe est dans la direction de propagation de l'onde incidente et dont l'angle au sommet dépend de la longueur d'onde et de la géométrie des motifs de phase et d'amplitude inscrits sur le réseau. Ce type de réseau a fait l'objet d'études et de brevets; notamment les brevets français pris par l'Office National d'Études et de Recherches Aérospatiales et dont les numéros d'enregistrement national sont: 91 12912, 93 14063 & 99 07804 et qui décrivent le procédé d'analyse de phase pour des réseaux à 3 répliques (interféromètre à décalage tri-latéral) et à 4 répliques (interféromètre à décalage quadri- latéral). L'invention utilise un détecteur quadratique matriciel 2 solidaire du support mécanique principal 1 fixe qui contrairement aux brevets cités précédemment, est placé de façon à ce que sa surface sensible 5 soit à proximité immédiate de la face de sortie du réseau 6. L'homme de l'art comprendra que des ondes de forte courbure pourront être observées en même temps que de faibles défauts de phase. Le dispositif de l'invention est ainsi particulièrement compact et offre l'avantage singulier de mesurer simultanément des défauts de quelques fractions de longueur d'onde jusqu'à des défauts de plusieurs centaines de longueurs d'onde. L'invention peut avantageusement utiliser une caméra CCD comme détecteur quadratique matriciel 2. L'invention utilise un élément mécanique mobile 4 qui déplace en translation le réseau avec une excellente précision. En effet, la valeur absolue de la distance variable d entre la face de sortie 6 du réseau et la surface sensible 5 du détecteur doit être contrôlée avec une valeur relative voisine d'un pour cent pour ne pas limiter la précision de la sensibilité sur la mesure de phase. Une graduation est placée sur l'élément mécanique mobile 4 et un vernier est placé sur la bague mécanique 7 ou sur les pièces mécaniques de constitution pour fournir la valeur absolue de la mesure de d. Pour des applications spécifiques qui engagent des contrôles ou des mesures répétitives, la distance d'observation d est fixe et le mouvement de translation est inutile. Le dispositif selon l'invention exploite le champ d'interférences complexes constitué par les répliques de l'onde incidente. Pour une distance d fixe, une section transversale du champ d'interférences est enregistrée par le détecteur quadratique matriciel. Le signal du détecteur qui constitue l'image enregistrée sous forme de pixels plus ou moins intenses, est analysé par un logiciel qui restitue la cartographie de la phase de l'onde incidente en exploitant la fonction du gradient spatial de la phase et la transformation de Fourier et qui évalue les paramètres de l'onde (tilt, courbure, aberrations de tout ordre). L'erreur de reconstruction est d'autant plus faible que le nombre de répliques est élevé et que la mesure des composantes du gradient local est redondante. La largeur de raie de la lumière observée n'est pas un paramètre critique d'influence. Le dispositif est quasi-achromatique et ses performances varient très peu avec la longueur d'onde. Ainsi, le spectre de la lumière incidente peut être large sans que cela n'affecte les performances du dispositif, notamment pour l'analyse d'impulsions brèves (régime femtoseconde). Les performances du dispositif selon l'invention nécessitent quelques définitions pour bien comprendre l'originalité de l'invention liée à la proximité du réseau et du détecteur, mais aussi aux gammes de sensibilité fournies par le contrôle précis de la distance d'observation variable d. La sensibilité S de la mesure du dispositif est définie par la valeur du plus petit défaut de phase mesurable. La dynamique D de la mesure du dispositif est définie par le rapport entre le plus grand défaut de phase mesurable et la sensibilité. L'invention utilisera dans cet exemple, sans que cela constitue une limitation au dispositif, un réseau à 4 répliques. Les motifs de phase sont des carrés juxtaposés dont le coté est la moitié du pas p du réseau. La différence de phase intrinsèque entre un carré et ses plus proches voisins est égale ou voisine de 7r. Le masque d'amplitude se superpose aux motifs de phase et est constitué de carrés de coté c inférieur à p qui transmettent la totalité de la lumière. La lumière est occultée dans les domaines qui jouxtent chacun des carrés du masque d'amplitude. Ces derniers interviennent comme des micro-pupilles qui diffractent la lumière. La sensibilité du dispositif est donnée par la relation; S (en micron) = 0,2.(p/d) où d est la distance variable entre la face de sortie du réseau et la surface sensible du détecteur. Ainsi, pour un motif de 30 microns de pas, la sensibilité est de 2. nanomètres pour une distance d'observation de 3 millimètres. Plus la distance d diminue et plus la sensibilité augmente. Pour d nulle, les quatre répliques ne sont pas encore spatialement décalées et malgré une physique du champ électromagnétique complexe, la mesure de phase est sans objet. La distance d'observation minimum dm est celle pour laquelle les phénomènes de diffraction et d'interférences répondent à des critères conventionnels de l'optique physique. La distance d'observation maximum dM est celle pour laquelle les quatre répliques n'interfèrent plus entre elle. Dans notre exemple numérique et pour une longueur d'onde de 800 nanomètres, la valeur de dm est submicronique et la valeur de dM est voisine de 57 millimètres. Pour les applications courantes, la distance d'observation d varie de 0,5 millimètre à 10 millimètres. La précision relative de la sensibilité est égale à la précision relative de la mesure de d, soit pour une structure mécanique donnée de un pour cent. Pour la valeur de d de 0,5 millimètre, la sensibilité est 12 0,1 nanomètres et correspond dans le dispositif à repérer d à plus ou moins un vingtième de tour de la bague 7 ou des pièces mécaniques qui la compose. Pour la valeur de d de 10 millimètres, la sensibilité est de 6 0,06 Angstrom et correspond dans le dispositif à repérer cette valeur à plus ou moins 1 tour complet de la bague 7 ou des pièces mécaniques qui la compose. La dynamique D de la mesure est indépendante de la distance d'observation d; sa valeur (sans unité) ne dépend que de l'ouverture h du dispositif et du pas p du réseau. La valeur de la dynamique est donnée par la relation D = 2,5.h2/p où h et p s'expriment en microns. Pour une ouverture h d'un millimètre et un réseau de 30 microns de pas, la valeur de la dynamique D est voisine de 80000. Les caractéristiques d'un dispositif selon l'invention sont résumées pour une longueur d'onde incidente 1 = 800 manomètres, un réseau à 4 répliques avec saut de phase de n, d'un pas de 30 microns et pour une excursion de la distance d'observation d de 0,5 millimètre à 10 millimètres: - le plus petit défaut de phase observable est compris dans la gamme [12 nm; 0,6 nm] soit la gamme [1/1000; 1/70] le plus grand défaut de phase observable est compris dans la gamme [48 pm; 960 pm] soit la gamme [601; 12001] pour une distance d fixe et choisie par exemple à 5 mm, la gamme de mesure 15 des défauts de phase observables s'étend de 1,2 nm à 96 pm soit de 1/600 à 1201. L'invention utilise des réseaux à 3 ou 4 répliques pour les applications courantes en instrumentation scientifique (optique adaptative et mesure de phase sur faisceaux lasers), en ophtalmologie (imagerie de l'ceil) et en contrôle optique (caractérisation de composants en cours de fabrication et mesure de rugosité). Pour les applications spécifiques, le nombre de répliques peut augmenter ou diminuer. REVENDICATIONS 1. Dispositif compact de large dynamique et de sensibilité ajustable pour l'analyse et la mesure de la phase d'une onde lumineuse caractérisé en ce qu'il est constitué : d'un support mécanique principal 1 fixe; d'un détecteur quadratique matriciel 2; d'un réseau de phase et d'amplitude 3 placé à proximité immédiate du détecteur; d'un élément mécanique mobile 4 entraînant le réseau en translation de façon à ce que la distance d'observation d entre la surface sensible 5 du détecteur et la face de sortie 6 du réseau varie d'une position minimum à une position maximum. 2. Dispositif compact de large dynamique et de sensibilité ajustable pour l'analyse et la mesure de la phase d'une onde lumineuse selon la revendication 1 caractérisé en ce que le mouvement de translation soit précis, reproductible, à jeu compensé et n'engendre aucune rotation du réseau dans son plan. 3. Dispositif compact de large dynamique et de sensibilité ajustable pour l'analyse et la mesure de la phase d'une onde lumineuse selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la bague mécanique 7 mobile en rotation autour de l'axe principal assure la translation de l'élément mécanique mobile 4 et soit constituée d'une ou plusieurs pièces mécaniques en rotation permettant l'usage de vis à pas différentiel pour augmenter la précision relative de la rotation. 4. Dispositif compact de large dynamique et de sensibilité ajustable pour l'analyse et la mesure de la phase d'une onde lumineuse selon la revendication 1 caractérisé en ce que pour des applications spécifiques de contrôle et de mesures répétitives la distance d'observation d soit fixe. 5. Dispositif compact de large dynamique et de sensibilité ajustable pour l'analyse et la mesure de la phase d'une onde lumineuse selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il utilise un réseau de phase et d'amplitude par transmission dont les motifs répétitifs de phase et d'amplitude permettent de reconstituer l'onde incidente en N répliques. 6. Dispositif compact de large dynamique et de sensibilité ajustable pour l'analyse et la mesure de la phase d'une onde lumineuse selon les revendications 1 et 5 caractérisé en ce qu'il soit quasi- achromatique et permette l'analyse d'impulsions brèves à large spectre. 7. Dispositif compact de large dynamique et de sensibilité ajustable pour l'analyse et la mesure de la phase d'une onde lumineuse selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il utilise une caméra CCD en tant que détecteur quadratique matriciel 2. 8. Dispositif compact de large dynamique et de sensibilité ajustable pour l'analyse et la mesure de la phase d'une onde lumineuse selon les revendications 1, 2, 3, 5 et 7 caractérisé en ce qu'il utilise un réseau à quatre ondes (N=4) avec un saut de phase de n, d'un pas de 30 microns apte à mesurer pour une excursion de 0,5 millimètre à 10 millimètres de la distance d'observation d: - le plus petit défaut de phase observable compris dans la gamme [12 nanomètres; 0,6 nanomètre] ; le plus grand défaut de phase observable compris dans la gamme [48 microns; 960 microns] ; et pour une distance fixe de 5 millimètres, la gamme de mesures des défauts de phase observables s'étendant de 1,2 nanomètres à 96 microns. 9. Dispositif compact de large dynamique et de sensibilité ajustable pour l'analyse et la mesure de la phase d'une onde lumineuse selon les revendications 1, 2, 3, 4, 5 et 7 caractérisé en ce qu'il utilise un réseau à 3 ou 4 répliques pour les applications courantes en instrumentation scientifique, en ophtalmologie et en contrôle optique.