Topographie de surface reconstruite par mesure d’intensité diffuse en champ lointain – FIRST
Mesure « flash » de la rugosité des surfaces optiques
Analyse instantanée et sans mouvement de la rugosité des surfaces optiques
Analyse instantanée et sans mouvement de la rugosité des surfaces optiques
En optique de précision, les pertes par diffusion lumineuse sont devenues un frein limitant les performances des systèmes optiques. Des exemples phare en témoignent, notamment dans le domaine du spatial (taux de diaphonie dans les détecteurs lignes ou matriciels) et des ondes gravitationnelles (limite de détection imposée par les miroirs multi-diélectriques aux extrémités des interféromètres géants).<br />Ces pertes par diffusion sont majoritairement liées aux multiples interfaces des composants qui assurent le fonctionnement des systèmes, et qui répliquent a minima la rugosité des substrats polis. Il est donc essentiel d’opérer une caractérisation soignée de ces rugosités, ce que proposent aujourd’hui les techniques de diffusométrie.<br /><br />Bien que très performantes, ces dernières techniques souffrent cependant de 2 difficultés liées au temps de mesure (caractérisation en ligne) et aux échantillons non positionnables (grandes pièces optiques). Pour pallier ce constat, le projet FIRST propose un système original fonctionnant de façon instantanée et sans mouvement.
La technique classique de caractérisation par diffusométrie monochromatique consiste à mesurer, pour chaque fréquence spatiale, le spectre de rugosité de la surface. Pour cela, il est nécessaire de déplacer le détecteur afin de balayer les angles de diffusion, c’est-à-dire les fréquences spatiales.
Afin d’éliminer ce déplacement, l’éclairage monochromatique est remplacé par un éclairage en lumière blanche, ce qui permet d’exciter simultanément toutes les fréquences spatiales. Cette information large-bande est alors recueillie dans une seule direction de l’espace où est positionné le détecteur. La dernière étape consiste à extraire, de ce signal large-bande, la valeur du spectre de rugosité à chaque fréquence.
La solution consiste à façonner spectralement la lumière à l’entrée du système, via un système analogique (filtre interférentiel) ou numérique (matrice de micro-miroirs). Cette technique, couplée à la modélisation électromagnétique, permet de répondre au problème posé. En particulier chaque filtre FN donne accès au moment d’ordre N de la topographie, dont le spectre peut ainsi être reconstruit à partir de l’ensemble des moments.
Ce nouveau système permet de réaliser des opérations non accessibles aux diffusomètres actuels :
* Compte tenu de l’absence de mouvement, la mesure est quasi-instantanée, ce qui permet de réaliser des caractérisations en ligne
* La mesure étant effectuée dans une seule direction de l’espace, cela permet de caractériser la rugosité des grandes pièces optiques (qui ne peuvent pas être positionnées dans un diffusomètre), grâce au déport d’une fibre optique
* La mesure peut être effectuée sur des pièces qui ne peuvent pas être séparées du système dont elles font partie
Ce nouvel outil permettra de mesurer des pièces optiques de grands dimensions, ou des pièces optiques ne pouvant pas être séparées du système au sein duquel elles sont insérées. De façon plus générale, l’instrument peut également concurrencer directement les diffusomètres actuels. Ces résultats ont été publiés et présentés à plusieurs conférences.
Ce travail a donné lieu à 4 publications de rang A, 7 conférences internationales et 1 manuscrit de thèse.
Nous proposons de lever 2 verrous du domaine de la diffusion lumineuse, pour des applications liées à l’analyse en champ lointain des états de surface optique. Les solutions que nous apportons sont couvertes par un brevet déposé en France en 2016 et actuellement en cours d'extension aux Etats Unis.
Le premier verrou consiste à extraire de façon instantanée (sans mouvement) la rugosité de surface, à partir d’une unique mesure de diffusion réalisée en champ lointain dans une seule direction de l’espace ; ce résultat est obtenu en l’absence de mouvement mécanique ou de balayage en longueur d’onde, grâce à l’utilisation d’une lumière incidente large-bande façonnée de façon spécifique. Cette technique de « diffusion blanche » est ensuite étendue pour accéder au recouvrement du spectre de puissance de la rugosité, grâce à l’introduction de filtres reconfigurables élaborés avec des matrices de micro-miroirs. Cette innovation confère une richesse nouvelle aux techniques de diffusion lumineuse, notamment pour la caractérisation en ligne d’échantillons, et pour les échantillons non déplaçables/manipulables (grandes pièces, pièces solidaires d’un système). Des systèmes à bas coût peuvent être déclinés pour des applications spécifiques.
Le deuxième verrou consiste à recouvrer la topographie de la surface proprement dite, en lieu et place des moments statistiques (rugosité et spectre) utilisés jusqu’ici pour la caractérisation. La technique tire profit d’une exploitation originale des effets de mémoire et d’hermiticité spécifiques aux objets faiblement perturbés, appliquée à une interférence sur flux diffusé dans une direction donnée. On extrait ainsi la dispersion fréquentielle de la phase de la transformée de Fourier de la topographie de surface, cette dernière étant reconstruite directement par transformée de Fourier inverse. Ceci requiert de développer des algorithmes de reconstruction de phase indispensables à la levée des indéterminations. A noter que cette technique ne fait appel à aucun système imageur ou détecteur matriciel, de façon analogue à une imagerie à un pixel.
De façon plus générale et dans la continuité de ces 2 innovations, le projet FIRST tire également parti des propriétés des surfaces optiques (faiblement rugueuses) pour élaborer des méthodes de reconstruction sans phase de la topographie. Nous proposons de résoudre ce problème en répondant à 3 enjeux :
* Concevoir des a priori de faible complexité pour régulariser suffisamment le problème à partir d’un nombre limité de mesures, du moins en dessous de la dimension ambiante ;
* Concevoir des algorithmes efficaces, rapides et convergents pour résoudre le problème de reconstruction ainsi régularisé ;
* Conduire une analyse théorique des performances et des garanties de reconstruction.
Coordination du projet
Myriam ZERRAD (Institut Fresnel Marseille)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenariat
GREYC Groupe de recherche en Informatique, Image, Automatique et Instrumentation de Caen
Fresnel Institut Fresnel Marseille
Aide de l'ANR 454 680 euros
Début et durée du projet scientifique :
février 2020
- 48 Mois
