Brevet FR2965929A1 — publié le 20120413

MICROSCOPE OPTIQUE EN CHAMP PROCHE La présente invention concerne un microscope optique en champ proche ainsi qu'un procédé de visualisation d'éléments d'une partie de la surface d'un échantillon utilisant un microscope selon l'invention. L'utilisation de microscope optique classique présente l'inconvénient de ne pas permettre l'observation et l'étude d'objets ou d'éléments de la surface d'un objet dont l'une des dimensions est inférieure à la demi-longueur d'onde de la lumière utilisée pour éclairer ces objets ou éléments. En effet, lorsqu'un objet, ou un élément de la surface d'un objet, a une dimension inférieure à la longueur d'onde de la lumière qui l'éclaire, la lumière est diffusée sous la forme d'une tâche. On ne peut donc pas avoir une image nette dudit l'objet ou dudit l'élément. Une des manières de résoudre ce problème 20 consiste à placer le détecteur de lumière très près de la surface. En effet, cette limitation fondamentale est due au fait que la détection et la mesure du champ électromagnétique sont faites à une distance de l'ordre 25 de plusieurs longueurs d'onde dudit objet. Or, il faut distinguer deux régions dans lesquelles se trouvent deux champs électromagnétiques de nature différente. La première région, située à une distance supérieure à plusieurs fois la longueur d'onde 30 de la lumière d'éclairement est dite zone de champ lointain. La seconde région qui est confinée au voisinage de la surface de l'objet est dite la zone de champ proche. Le champ électromagnétique que l'on peut mesurer 2 dans la zone de champ proche est formé en partie d'ondes dites évanescentes. Ces ondes évanescentes apparaissent de façon générale comme solutions des équations de Maxwell dans un milieu nanostructuré, comme par exemple la surface à observer d'un échantillon. Ces ondes évanescentes sont générées par exemple par la diffraction d'une onde plane par une surface nanostructurée ou par une source lumineuse dipolaire. La collection du seul champ lointain émis par l'objet ou la source ne permet pas d'obtenir d'information sur les détails dont l'une des dimensions est inférieure à la longueur d'onde de l'onde électromagnétique d'illumination ou d'émission. Lors de la propagation de l'onde électromagnétique, l'information sur les hautes fréquences spatiales de l'objet est ainsi perdue. Un microscope optique à champ proche est un dispositif capable de détecter les composantes non radiatives du champ électromagnétique présentes au voisinage d'une surface, soit à une distance de la surface inférieure à la demi-longueur d'onde de l'onde électromagnétique incidente. A une telle distance, il est possible d'observer la présence d'ondes évanescentes et d'ondes propagatives, et non pas uniquement la présence d'ondes propagatives. On peut donc visualiser des détails plus petits que la demi-longueur d'onde de la lumière utilisée pour éclairer ledit objet. Cependant, la détection des ondes évanescentes non radiatives ne peut pas s'effectuer par un détecteur classique car elles sont confinées au proche voisinage de la surface. Pour amener l'information au détecteur, il faut transformer ces ondes évanescentes en ondes propagatives. Cette transformation peut être réalisée par un petit 3 objet dont au moins l'une des dimensions est inférieure à la demi-longueur d'onde de l'onde incidente, dans le champ proche de l'échantillon à observer. La présence de ce petit objet transforme une partie des ondes évanescentes en ondes propagatives collectées ensuite en champ lointain. Ceci peut se produire soit par la perturbation induite par diffraction par une nanosonde soit par la fluorescence d'une nanoparticule par exemple. L'idée de la détection du champ proche par une petite ouverture a été émise par E.H. Synge dès 1928. Celui-ci envisageait d'obtenir l'image d'un objet en balayant sa surface par une ouverture sub-longueur d'onde, la résolution ne dépendant alors que de la taille de la micro-ouverture et de sa distance à l'échantillon. Cependant, faute de moyens techniques, en particulier création de l'ouverture et contrôle de la distance entre la sonde et la surface, la réalisation d'un tel dispositif n'a été possible dans le domaine optique que dans les années 1980. Ce démarrage a été permis essentiellement par les progrès des microdéplacements piézo-électriques capables de contrôler des déplacements de l'ordre d'une fraction de nanomètre, mais aussi grâce aux progrès des systèmes d'asservissement et de traitement d'images afférents. La sonde des microscopes actuels est constituée généralement d'une fibre optique étirée dont l'extrémité mesure d'une dizaine à une centaine de nanomètres, fixée sur une céramique piézo-électrique qui commande ses déplacements avec une précision de l'ordre du nanomètre. La pointe en fibre optique sert de perturbateur de l'onde évanescente, qu'elle convertit en partie en onde radiative. Celle-ci est guidée ensuite par la partie non 35 étirée de la fibre jusqu'à un détecteur classique. La 4 pointe balaie la surface de l'échantillon et l'intensité captée est enregistrée point par point. L'image ainsi obtenue est appelée image optique. La taille de l'extrémité de la fibre détermine en partie 5 la résolution du microscope. Un système de régulation basé sur les forces de contact (utilisées d'une autre façon pour l'AFM) permet de maintenir la pointe à distance constante de l'échantillon. Ainsi la pointe peut suivre le relief de 10 la surface. L'enregistrement de ce signal de régulation simultanément à l'acquisition du signal optique permet d'obtenir une cartographie topographique du composant, et de décorréler l'image optique du relief du composant. Il est donc nécessaire d'approcher in fine la 15 fibre optique à quelques nanomètres de la surface de l'échantillon. Cette approche est très délicate et demande des réglages fins afin d'éviter que la fibre optique ne rentre en contact avec la surface de l'échantillon. Une première approche de la sonde est 20 faite manuellement jusqu'à quelques microns de la surface. Il est également nécessaire de positionner latéralement et avec précision la sonde de champ proche par rapport à la structure de l'échantillon à observer. 25 Les inventeurs ont déjà mis au moins un microscope optique en champ proche permettant de réaliser cette approche et ce positionnement de la fibre optique de façon précise. Un schéma de principe de ce microscope est 30 représenté sur la figure 1. Le microscope représenté schématiquement à la figure 1 comprend un porte-échantillon 10 sur lequel est disposé un échantillon 12 dont au moins une partie de la surface 14 est à observer. 35 La surface 14 de l'échantillon 12 est éclairée par un faisceau laser 16 à une longueur d'onde A. Une sonde formée par une fibre optique 19 fixée sur un support ayant des propriétés spécifiques lui-même monté sur un dispositif piézoélectrique 21 permet de 5 capter les ondes évanescentes issues de l'échantillon 12 lorsqu'il est éclairé par le faisceau laser 16. Comme indiqué précédemment, afin de capter les ondes évanescentes, il est nécessaire d'approcher le bout de la fibre optique à une distance bien inférieure à A/2 de la surface à observée 14 de l'échantillon 12. Afin de permettre l'approche et le positionnement de la sonde 19 au voisinage de l'échantillon 12, un dispositif de visualisation 20 est utilisé. Le dispositif de visualisation 20 comprend une caméra CCD et un montage optique déporté. Le dispositif optique est positionné à environ 45° par rapport à l'échantillon de façon à visualiser en temps réel l'échantillon 12, la fibre optique et le reflet de la sonde 19 sur la surface 14 de l'échantillon. Le dispositif schématiquement représenté à la figure 1, permet de réaliser l'approche de la sonde 19 de façon très précise mais présente l'inconvénient d'être délicat à utiliser et d'avoir un encombrement important. Un but de la présente invention est de proposer un nouveau microscope optique en champ proche ne présentant pas les inconvénients des microscopes optiques en champ proche de l'état de la technique. L'invention propose ainsi un microscope optique en champ proche comprenant : - un porte-échantillon destiné à recevoir un échantillon dont au moins une partie d'une surface est à observer, - un dispositif d'éclairage configuré de sorte à éclairer la partie de la surface à observer de 35 l'échantillon, 6 - une sonde montée sur un premier dispositif de déplacement configuré de sorte à pouvoir positionner ladite sonde à une distance inférieure ou égale à la longueur d'onde de la lumière utilisée pour éclairer la partie de la surface à observer de l'échantillon, - un dispositif de visualisation permettant de visualiser la partie de la surface à observer de l'échantillon, ledit dispositif de visualisation comprenant un objectif optique composé d'un miroir concave et d'un miroir convexe dont les axes optiques coïncident sensiblement, ledit objectif étant monté sur un deuxième dispositif de déplacement permettant de déplacer ledit objectif par rapport à la surface à observer de l'échantillon, le microscope optique étant remarquable en ce que les miroirs concave et convexe sont percés en leurs centres respectifs, les axes optiques desdits miroirs coïncident sensiblement avec l'axe longitudinal de la sonde et le miroir convexe est monté sur un troisième dispositif de déplacement permettant de déplacer ledit miroir convexe par rapport au miroir concave. Dans un microscope selon l'invention, la sonde est directement intégrée dans le dispositif de visualisation. De plus, les axes optiques des miroirs étant sensiblement alignés avec l'axe longitudinal de la sonde, l'encombrement du microscope optique selon l'invention est réduit par rapport au microscope de l'art antérieur. En outre, le troisième dispositif de déplacement permettant de déplacer le miroir convexe par rapport au miroir concave l'utilisation du microscope selon l'invention est plus facile et l'encombrement dudit microscope est réduit. Un microscope optique en champ proche selon 7 l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques optionnelles suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons possibles : - le troisième dispositif de déplacement est commandé par un dispositif piézoélectrique, - la sonde est transparente, par exemple formée d'une fibre optique ou opaque, « aperturless probe » en anglais ou encore fluorescente, - la sonde est formée d'une fibre optique apte à capter les ondes évanescentes émises par la partie de la surface à observer de l'échantillon lorsque ladite partie est éclairée, - les miroirs concave et convexe sont asphériques, par 15 exemple le miroir concave est parabolique et le miroir convexe hyperbolique, la sonde est disposée sur un dispositif piézoélectrique, - le premier dispositif de déplacement est commandé par 20 un dispositif piézoélectrique, - le deuxième dispositif de déplacement est commandé par un dispositif piézoélectrique, et/ou - les dispositifs de visualisation et d'éclairage sont confondus. 25 L'invention se rapporte également à procédé de visualisation d'éléments dont au moins une dimension est plus petite qu'une des longueurs d'onde de la lumière utilisée pour éclairer la partie de la surface à observer de l'échantillon au moyen d'un microscope selon 30 l'invention. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : 35 - la figure 1 est une représentation schématique d'un 8 microscope optique en champ proche de l'art antérieur; et - la figure 2 est une représentation schématique d'un microscope optique en champ proche selon un mode de réalisation de l'invention. Pour des raisons de clarté, les différents éléments représentés sur les figures ne sont pas nécessairement à l'échelle. Le microscope optique en champ proche selon l'invention représenté sur la figure 2 comprend un porte-échantillon 10, une sonde 19 avec son support et un dispositif de visualisation 30. Le porte-échantillon 10 est destiné à recevoir un échantillon 12 dont au moins une partie d'une surface 14 est à observer. La sonde 19 est montée sur un premier dispositif de déplacement 40 configuré de sorte à pouvoir positionner ladite sonde à une distance inférieure ou égale à la demi-longueur d'onde de la lumière utilisée pour éclairer la partie de la surface à observer de l'échantillon. Selon un mode de réalisation, le premier dispositif de déplacement 40 est commandé par un dispositif piézoélectrique 42. Le dispositif piézoélectrique 42 permet un déplacement nanométrique de la sonde 18. Selon un mode de réalisation de l'invention, la sonde 19 est formée d'une fibre optique apte à capter les ondes évanescentes émises pas la partie de la surface à observer de l'échantillon lorsque ladite partie est éclairée. L'homme du métier sait dimensionner la pointe de la fibre optique 19 en fonction de l'objet à mesurer. Selon le mode de réalisation représenté sur la 35 figure 2, la sonde 19 est disposée sur un dispositif 9 piézoélectrique spécifique 21. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif piézoélectrique 21 peut-être un Dither tube. Avantageusement le dispositif piézoélectrique 21, permet de maintenir la pointe de la fibre optique 19 à une distance constante de la surface à observer de l'échantillon 14. Selon le mode de réalisation de la figure 2, le dispositif piézoélectrique 21 est déporté par rapport au dispositif de déplacement 40. Des moyens de fixation 44, par exemple des tiges de fixation, permettent de solidariser le dispositif de déplacement 40 et le dispositif piézoélectrique 21 supportant la fibre optique 19. Comme représenté sur la figure 2, le dispositif de visualisation 30 permet de visualiser la partie de la surface à observer de l'échantillon 12. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de visualisation comprend un objectif optique composé d'un miroir concave 32 et d'un miroir convexe 34. Les deux miroirs 32 et 34 sont disposés de sorte que leurs axes optiques coïncident sensiblement et coïncident sensiblement avec l'axe longitudinal de la sonde. De plus, les miroirs concave 32 et convexe 34 sont percés en leurs centres respectifs. Permettant ainsi d'intégrer la sonde dans le dispositif de visualisation, réduisant ainsi l'encombrement du microscope selon l'invention. L'objectif optique 30 est monté sur un deuxième dispositif de déplacement 36 permettant de déplacer ledit objectif par rapport à la surface à observer de l'échantillon. Avantageusement, l'objectif optique 30 peut-être déplacé indépendamment de la sonde 18. Selon un mode de réalisation, le deuxième 35 dispositif de déplacement 36 est contrôlé par un 10 dispositif piézoélectrique permettant des amplitudes de déplacement de l'ordre du nanomètre. En outre, le miroir convexe 34 est monté sur un troisième dispositif de déplacement 38 permettant de déplacer ledit miroir convexe 34 par rapport au miroir concave 32. Avantageusement, le troisième dispositif de déplacement 38 permet de faire une mise au point avec l'objectif optique sur la surface du l'échantillon 14. Selon un mode de réalisation, le troisième dispositif de déplacement 38 est commandé par un dispositif piézoélectrique. Selon un mode de réalisation de l'invention, le miroirs concave et convexe peuvent avoir des formes sensiblement asphériques. Selon un mode de réalisation de l'invention, le miroir concave présente une forme sensiblement parabolique et le miroir convexe présente une forme sensiblement hyperbolique. En particulier, selon le mode de réalisation représenté à la figure 2, le dispositif de visualisation est un objectif Cassegrain dont les miroirs sont percés en leur centre. Avantageusement, l'utilisation d'un objectif Cassegrain permet de diminuer l'encombrement du microscope selon l'invention et d'être achromatique. En outre, selon un mode de réalisation de l'invention, comme représenté sur la figure 2, le dispositif de visualisation et le dispositif d'éclairage peuvent être confondus. Par exemple, dans le mode de réalisation de la figure 2, l'objectif Cassegrain peut être utilisé dans un mode dit d'approche pour visualiser les positions respective de l'échantillon 12 et de la fibre optique 19. L'objectif Cassegrain peut également être utilisé dans un mode éclairage dans lequel l'objectif est utilisé pour illuminer l'échantillon 12. Finalement, l'objectif 11 Cassegrain peut également être utilisé dans un mode dit de collection dans lequel l'objectif collecte le flux lumineux issu de l'échantillon 12. Ces deux dernières utilisations, bénéficient de l'achromaticité de l'objectif Cassegrain. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisations décrits et ne sera pas interprétée de façon limitative, et englobe tout mode de réalisation équivalent. REVENDICATIONS1. Microscope optique en champ proche comprenant : un porte-échantillon (10) destiné à recevoir un échantillon (12) dont au moins une partie d'une surface (14) est à observer, un dispositif d'éclairage configuré de sorte à éclairer la partie de la surface à observer de l'échantillon, une sonde (19) montée sur un premier dispositif de déplacement (40) configuré de sorte à pouvoir positionner ladite sonde par rapport à la surface à observer à une distance inférieure ou égale à une demi-longueur d'onde de la lumière utilisée, un dispositif de visualisation (30) permettant de visualiser la partie de la surface à observer de l'échantillon, ledit dispositif de visualisation comprenant un objectif optique composé d'un miroir concave (32) et d'un miroir convexe (34) dont les axes optiques coïncident sensiblement, ledit objectif étant monté sur un deuxième dispositif de déplacement (36) permettant de déplacer ledit objectif par rapport à la surface à observer de l'échantillon, un dispositif de visualisation de la sonde et de la surface de l'objet permettant de positionner latéralement la sonde au dessus de l'objet, le microscope optique étant caractérisé en ce que les miroirs concave et convexe sont percés en leurs centres respectifs, les axes optiques desdits miroirs coïncident sensiblement avec l'axe longitudinal de la sonde et le miroir convexe est monté sur un troisième dispositif de déplacement permettant de déplacer ledit miroir convexe par rapport au miroir concave. 2. Microscope selon la revendication précédente, dans lequel le troisième dispositif (38) de déplacement est commandé par un dispositif piézoélectrique. 3. Microscope selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la sonde comprend une fibre optique apte à capter les ondes évanescentes émises par la partie de la surface à observer de l'échantillon lorsque ladite partie est éclairée. 4. Microscope selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le miroir concave est asphérique. 5. Microscope selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le miroir convexe est asphérique. 20 6. Microscope selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la sonde est disposée sur un dispositif piézoélectrique. 7. Microscope selon l'une quelconque des revendications 25 précédentes, dans lequel le premier dispositif de déplacement est commandé par un dispositif piézoélectrique. 8. Microscope selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, dans lequel le deuxième dispositif de déplacement est commandé par un dispositif piézoélectrique. 9. Microscope selon l'une quelconque des revendications 35 précédentes, dans lequel les dispositifs de visualisation15 14 et d'éclairage sont confondus. 10. Procédé de visualisation d'éléments dont au moins une dimension est plus petite qu'une des longueurs d'onde de la lumière utilisée pour éclairer la partie de la surface à observer de l'échantillon au moyen d'un microscope selon l'une quelconque des revendications précédentes.