Brevet FR3124265A1 — publié le 20221223

TITRE DE L’INVENTION : DISPOSITIF ET PROCÉDÉ D’IMAGERIE TÉRAHERTZ Le procédé d’imagerie Térahertz d’un échantillon comportant une couche à analyser d’épaisseur et/ou d’indice de réfraction variable, caractérisé en ce qu’il comporte : - une étape de sélection de N fréquences dans le domaine Térahertz, - une étape (55) de capture d’images de l’échantillon à chacune des N fréquences sélectionnées, - une étape (56) d’estimation d’une valeur la plus cohérente de l’épaisseur e de la couche à analyser, en chaque pixel d’une image d’épaisseur, en fonction des valeurs du pixel correspondant dans les N images captées et - une étape (57) de régularisation des épaisseurs des différents pixels de l’image d’épaisseur prenant en compte la continuité de l’évolution de l’épaisseur entre un pixel et ses pixels voisins. Figure pour l'abrégé : figure 6 DISPOSITIF ET PROCÉDÉ D’IMAGERIE TÉRAHERTZ Domaine technique de l’invention La présente invention vise un dispositif et un procédé d’imagerie Térahertz. Elle s’applique, en particulier, au contrôle de cordons de colle ou de soudure, à la détection d’hétérogénéités (fissures, porosités) dans un assemblage multicouche et à la détection de délaminations. État de la technique Un système d’imagerie THz d’amplitude comporte, au minimum, une source THz et un capteur THz. Le capteur peut être ponctuel (monopixel) ou bien composé de plusieurs détecteurs ponctuels disposés sous forme de matrice (multipixel). Des composants optiques sont utilisés entre la source et le détecteur pour manipuler le faisceau THz (par exemple pour la répartition spatiale du champ, pour l’état de polarisation). Ces composants peuvent être des lentilles réfractives, des lentilles diffractives, des miroirs, des polariseurs, des lames à retards, par exemple. L’image est préférentiellement formée par le déplacement relatif de l’échantillon par rapport au détecteur. On parle alors d’imagerie balayée avec un détecteur monopixel ou multipixel. Les sources THz continues utilisées pour l’imagerie THz présentent une grande longueur de cohérence. De ce fait, dès que leur nombre est supérieur ou égale à deux, les interfaces successives présentes dans un matériau créent des cavités qui entrent en résonnance avec l’onde THz incidente. Cela entraine des variations du signal transmis et du signal réfléchi connues sous la dénomination de « phénomènes interférentiels ». Le signal transmis ou réfléchi par une succession de cavités dépend de la fréquence de l’onde THz, de l’angle d’incidence, de l’épaisseur de chacune des cavités et de l’indice de réfraction complexe des matériaux composant chacune d’elles. Ils évoluent de façon sinusoïdale avec chacun des paramètres cités. Ce phénomène interférentiel entraîne l’apparition de figures caractéristiques dans les images THz, lorsque l’épaisseur ou l’indice de réfraction d’un matériau varie dans la zone imagée. Cette figure caractéristique est composée d’une alternance de franges noires (signal faible) et blanches (signal intense). Cela perturbe significativement l’interprétation des images THz. Cette perturbation des images THz est particulièrement importante dans le cas où l’objet dont une image THz doit être prise et analysée est composé de multiples couches de matériaux différents. Cela concerne en particulier le contrôle de cordon de collage ou de cordon de soudure. Une image THz d’un cordon de collage 11 est fournie en . On observe l’alternance de franges noires 12 et blanches 13 liée à la variation de l’épaisseur de la couche de colle. L’apparition de ces franges complique significativement la détection des contours du cordon ainsi que la segmentation automatique de l’image. Pour obtenir une image THz nettoyée des franges noires et blanches, il est connu de mettre à profit le fait que la position des franges noires et blanches évolue avec la fréquence et les changements des matériaux. Les systèmes d’imagerie utilisant cette caractéristique des franges nécessitent l’acquisition d’un grand nombre d’images, typiquement supérieur à cinq. Cependant, ce grand nombre d’images augmente considérablement la durée d’acquisition des images nécessaires. La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un procédé d’imagerie Térahertz d’un échantillon comportant une couche à analyser d’épaisseur et/ou d’indice de réfraction variable, qui comporte : - une étape de sélection de N fréquences dans le domaine Térahertz, - une étape de capture d’images de l’échantillon à chacune des N fréquences sélectionnées, - une étape d’estimation d’une valeur la plus cohérente de l’épaisseur de la couche à analyser, en chaque pixel d’une image d’épaisseur, en fonction des valeurs du pixel correspondant dans les N images captées et - une étape de régularisation des épaisseurs des différents pixels de l’image d’épaisseur prenant en compte la continuité de l’évolution de l’épaisseur entre un pixel et ses pixels voisins. Dans des modes de réalisation, l’étape de sélection de N fréquences dans le domaine Térahertz comporte : - une étape d’estimation de la valeur de l’épaisseur de chaque couche de l’échantillon et de valeurs possibles de son indice de réfraction, - une étape de définition d’un intervalle entre une valeur minimum et une valeur maximum de l’épaisseur de la couche à analyser de l’échantillon, - une étape d’évaluation d’un multiplet de N fréquences (f 1 , f 2 ,…f N ) par : - discrétisation de l'intervalle de valeurs de l’épaisseur (e min , e max ), suivant un pas proportionnel au quart d'onde effectif le plus petit, - calcul, pour toutes les valeurs de l’épaisseur obtenues par cette discrétisation, d’un score intermédiaire dont la valeur est max(I(f 1 ,e), I(f 2 ,e), … I(f N ,e)) - min(I(f 1 ,e), I(f 2 ,e), … I(f N ,e)) avec I la fonction de calcul de l’intensité captée de l’échantillon (15), pour ladite épaisseur, à une fréquence donnée et à un indice de réfraction possible, - calcul, pour chaque multiplet de N fréquences, d’une moyenne des scores intermédiaires sur l’intervalle de valeurs de l'épaisseur et pour la totalité des indices de réfractions possibles et - sélection du multiplet de N fréquences qui maximise ladite moyenne. Dans des modes de réalisation, l’étape d’estimation d’une valeur la plus cohérente de l’épaisseur de la couche à analyser, en chaque pixel d’une image d’épaisseur, en fonction des valeurs du pixel correspondant dans les N images captées, comporte, dans un intervalle de valeurs de l’épaisseur de la couche à analyser de l’échantillon, un calcul d’une erreur quadratique moyenne à partir des écarts entre l’intensité captée et celle issue d’une modélisation à chaque fréquence. Dans des modes de réalisation, dans le calcul de l’erreur quadratique moyenne, les N images obtenues aux N fréquences de l’onde THz incidente sont combinées en une unique fonction d'erreur tri-dimensionnelle, dont deux dimensions sont celles du plan image et la troisième est la projection de l'erreur quadratique sur un axe dont les valeurs varient dans l’intervalle, la valeur la plus cohérente pour un unique pixel à un indice de réfraction donné étant celle dont l’erreur quadratique est la moins élevée. Dans des modes de réalisation, l’étape de régularisation des épaisseurs des différents pixels de l’image d’épaisseur prenant en compte la continuité de l’évolution de l’épaisseur entre un pixel et ses pixels voisins, comporte, à partir des N images acquises, une estimation de l’évolution de l’épaisseur e est estimée dans un intervalle de valeurs de l’épaisseur de la couche à analyser de l’échantillon, pour chaque pixel et pour chaque indice de réfraction possible fournissant une cartographie en trois dimensions de la cohérence, dont deux dimensions sont celles du plan image et la troisième est la valeur testée de l’épaisseur sur sa plage de recherche pour chaque indice de réfraction, une étape d’optimisation d’une surface continue caractérisant l'épaisseur de la couche à analyser de sorte à minimiser les erreurs minimales par lesquelles elle passe, une erreur minimale pour un pixel de coordonnées (x,y) dans l’image, à une épaisseur e donnée, correspondant à la plus faible erreur quadratique moyenne parmi tous les indices de réfractions possibles. Dans des modes de réalisation, on réalise une convolution de la cartographie en trois dimensions de la cohérence avec un noyau de convolution fondé sur un tronc de cylindre de dimension ajustable représentant une zone d’intérêt, convolution dont le résultat est la moyenne des valeurs comprises dans cette zone d’intérêt. Dans des modes de réalisation, la zone d’intérêt est délimitée par deux plans parallèles perpendiculaires à la génératrice du tronc de cylindre, et l’orientation optimale définie par des angles d’orientation du tronc de cylindre est déterminée de sorte à minimiser l'erreur moyenne à l’intérieur de la zone d’intérêt. Dans des modes de réalisation, le procédé comporte, de plus, une étape de reconstruction de l'indice de réfraction en chaque point de l’image, cet indice de réfraction reconstruit étant celui-ci étant à l'origine de l'erreur quadratique moyenne la plus basse pour l’épaisseur (e) en ce point. Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un dispositif d’imagerie Térahertz d’un échantillon comportant une couche à analyser d’épaisseur et/ou d’indice de réfraction variable, qui comporte : - un moyen de sélection de N fréquences dans le domaine Térahertz, - un moyen de capture d’images de l’échantillon à chacune des N fréquences sélectionnées, - un moyen d’estimation d’une valeur la plus cohérente de l’épaisseur de la couche à analyser, en chaque pixel d’une image d’épaisseur, en fonction des valeurs du pixel correspondant dans les N images captées et - un moyen de régularisation des épaisseurs des différents pixels de l’image d’épaisseur prenant en compte la continuité de l’évolution de l’épaisseur entre un pixel et ses pixels voisins. Les avantages, buts et caractéristiques particulières de ce dispositif étant similaires à ceux du procédé objet de l’invention, ils ne sont pas rappelés ici. Brève description des figures D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif, du procédé et du kit objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : est une image THz d’un cordon de colle entre deux plaques de polymères acquise en réflexion, image dans laquelle on observe la signature caractéristique du phénomène interférentiel lié à la variation de l’épaisseur de l’assemblage. représente, schématiquement, un multicouche. représente, sous forme d’un logigramme, des étapes d’un procédé de détermination de fréquences à utiliser pendant une analyse d’échantillon. représente, sous forme de courbes, une fonction d'erreur dépendant du nombre de fréquences utilisées. représente un schéma de principe du noyau de convolution. représente, sous forme d’un logigramme, des étapes d’un mode de réalisation particulier du procédé objet de l’invention. est une photographie d’un échantillon simulant un cordon de collage. est une image THz brute obtenue à 150 GHz pour l’échantillon illustré en , image dans laquelle on observe la perturbation liée aux phénomènes interférentiels. est une cartographie des matériaux présents dans l’image de la , cartographie obtenue en mettant en œuvre la présente invention. est une cartographie de l’estimation de l’épaisseur des matériaux présents dans l’image de la , cartographie obtenue en mettant en œuvre la présente invention. représente, schématiquement, un dispositif objet de la présente invention. Procédé d’imagerie Térahertz d’un échantillon (15) comportant une couche (17) à analyser d’épaisseur et/ou d’indice de réfraction variable, caractérisé en ce qu’il comporte : - une étape (21 à 26) de sélection de N fréquences dans le domaine Térahertz, - une étape (55) de capture d’images de l’échantillon à chacune des N fréquences sélectionnées, - une étape (56) d’estimation d’une valeur la plus cohérente de l’épaisseur (e) de la couche à analyser, en chaque pixel d’une image d’épaisseur, en fonction des valeurs du pixel correspondant dans les N images captées et - une étape (57) de régularisation des épaisseurs des différents pixels de l’image d’épaisseur prenant en compte la continuité de l’évolution de l’épaisseur entre un pixel et ses pixels voisins. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, l’étape (21 à 26) de sélection de N fréquences dans le domaine Térahertz comporte : - une étape (22) d’estimation de la valeur de l’épaisseur (e) de chaque couche de l’échantillon et de valeurs possibles de son indice de réfraction, - une étape (23) de définition d’un intervalle entre une valeur minimum (e min ) et une valeur maximum (e max ) de l’épaisseur (e) de la couche (17) à analyser de l’échantillon (15), - une étape d’évaluation d’un multiplet de N fréquences (f 1 , f 2 ,…f N ) par : - discrétisation (24) de l'intervalle de valeurs de l’épaisseur (e min , e max ), suivant un pas proportionnel au quart d'onde effectif le plus petit, - calcul (25), pour toutes les valeurs de l’épaisseur obtenues par cette discrétisation, d’un score intermédiaire dont la valeur est max(I(f 1 ,e), I(f 2 ,e), … , I(f N ,e)) - min(I(f 1 ,e), I(f 2 ,e), … I(f N ,e)) avec I la fonction de calcul de l’intensité captée de l’échantillon (15), pour ladite épaisseur, à une fréquence donnée et à un indice de réfraction possible, - calcul (26), pour chaque multiplet de N fréquences, d’une moyenne des scores intermédiaires sur l’intervalle de valeurs de l'épaisseur et pour la totalité des indices de réfractions possibles et - sélection (26) du multiplet de N fréquences qui maximise ladite moyenne. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel l’étape (56) d’estimation d’une valeur la plus cohérente de l’épaisseur (e) de la couche à analyser, en chaque pixel d’une image d’épaisseur, en fonction des valeurs du pixel correspondant dans les N images captées, comporte, dans un intervalle (e min , e max ) de valeurs de l’épaisseur (e) de la couche (17) à analyser de l’échantillon (15), un calcul d’une erreur quadratique moyenne à partir des écarts entre l’intensité captée et celle issue d’un modélisation à chaque fréquence. Procédé selon la revendication 3, dans lequel, dans le calcul de l’erreur quadratique moyenne, les N images obtenues aux N fréquences de l’onde THz incidente sont combinées en une unique fonction d'erreur tri-dimensionnelle, dont deux dimensions sont celles du plan image et la troisième est la projection de l'erreur quadratique sur un axe dont les valeurs varient dans l’intervalle (e min , e max ), la valeur la plus cohérente pour un unique pixel à un indice de réfraction donné étant celle dont l’erreur quadratique est la moins élevée. Procédé selon l’une des revendications 3 ou 4, dans lequel l’étape (57) de régularisation des épaisseurs des différents pixels de l’image d’épaisseur prenant en compte la continuité de l’évolution de l’épaisseur entre un pixel et ses pixels voisins, comporte, à partir des N images acquises, une estimation de l’évolution de l’épaisseur (e) est estimée dans un intervalle (e min , e max ) de valeurs de l’épaisseur (e) de la couche (17) à analyser de l’échantillon (15), pour chaque pixel et pour chaque indice de réfraction possible fournissant une cartographie en trois dimensions de la cohérence, dont deux dimensions sont celles du plan image et la troisième est la valeur testée (e) de l’épaisseur sur sa plage de recherche (e min , e max ) pour chaque indice de réfraction, une étape (58) d’optimisation d’une surface continue caractérisant l'épaisseur de la couche à analyser de sorte à minimiser les erreurs minimales par lesquelles elle passe, une erreur minimale pour un pixel de coordonnées (x,y) dans l’image, à une épaisseur (e) donnée, correspondant à la plus faible erreur quadratique moyenne parmi tous les indices de réfractions possibles. Procédé selon la revendication 5, dans lequel on réalise une convolution de la cartographie en trois dimensions de la cohérence avec un noyau de convolution fondé sur un tronc de cylindre de dimension ajustable représentant une zone d’intérêt (40), convolution dont le résultat est la moyenne des valeurs comprises dans cette zone d’intérêt. Procédé selon la revendication 6, dans lequel la zone d’intérêt (40) est délimitée par deux plans parallèles perpendiculaires à la génératrice du tronc de cylindre, et l’orientation optimale définie par des angles (42, 43) d’orientation du tronc de cylindre est déterminée de sorte à minimiser l'erreur moyenne à l’intérieur de la zone d’intérêt. Procédé selon l’une des revendications 3 à 7, qui comporte, de plus, une étape (59) de reconstruction de l'indice de réfraction en chaque point de l’image, cet indice de réfraction reconstruit étant celui-ci étant à l'origine de l'erreur quadratique moyenne la plus basse pour l’épaisseur (e) en ce point. Dispositif (110) d’imagerie Térahertz d’un échantillon (15) comportant une couche (17) à analyser d’épaisseur et/ou d’indice de réfraction variable, caractérisé en ce qu’il comporte : - un moyen (112) de sélection de N fréquences dans le domaine Térahertz, - un moyen (111) de capture d’images de l’échantillon à chacune des N fréquences sélectionnées, - un moyen (112) d’estimation d’une valeur la plus cohérente de l’épaisseur (e) de la couche à analyser, en chaque pixel d’une image d’épaisseur, en fonction des valeurs du pixel correspondant dans les N images captées et - un moyen (112) de régularisation des épaisseurs des différents pixels de l’image d’épaisseur prenant en compte la continuité de l’évolution de l’épaisseur entre un pixel et ses pixels voisins.