WATTELLIER, Benoît (5 rue Claude Decaen, Paris, Paris, F-75012, FR)
MONNERET, Serge (Lotissement Les Prats n° 9, 44 boulevard Bara, Marseille, F-13013, FR)
GIOVANINI, Hugues (8 place des Michels, Allauch, Allauch, F-13190, FR)
MAIRE, Guillaume (17 rue d'Isoard, Marseille, Marseille, F-13001, FR)
UNIVERSITE PAUL CEZANNE AIX-MARSEILLE III (3 avenue Robert Schuman, Aix en Provence Cedex I, Aix en Provence Cedex I, F-13628, FR)
CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE (3 rue Michel-Ange, Paris Cedex 16, Paris Cedex 16, F-75794, FR)
BON, Pierre (9 rue Armand Bédarrides, Marseille, Marseille, F-13006, FR)
WATTELLIER, Benoît (5 rue Claude Decaen, Paris, Paris, F-75012, FR)
MONNERET, Serge (Lotissement Les Prats n° 9, 44 boulevard Bara, Marseille, F-13013, FR)
GIOVANINI, Hugues (8 place des Michels, Allauch, Allauch, F-13190, FR)
MAIRE, Guillaume (17 rue d'Isoard, Marseille, Marseille, F-13001, FR)
| REVENDICATIONS 1 - Système d'analyse structurelle d'un objet (1) en vue de réaliser une reconstruction en trois dimensions de la structure de la partie de l'objet (1 ) analysé selon au moins une méthode de reconstruction tridimensionnelle, comprenant des moyens (2) de génération d'un faisceau lumineux d'entrée (3) agencés pour faire interagir le faisceau d'entrée (3) généré avec au moins une partie de l'objet (1), et des moyens (4) de réception du faisceau lumineux de sortie (5) issu de l'interaction entre le faisceau d'entrée (3) et l'objet (1), les moyens (4) de réception comprenant un analyseur (4) de front d'onde agencé de sorte à mesurer le champ électromagnétique de l'onde du faisceau de sortie (5) reçu, et les moyens (2) de génération présentant une cohérence spatiale et/ou temporelle adaptée à celle des moyens (4) de réception par des moyens de filtrage spatial (15), caractérisé en ce que les moyens de génération (2), l'objet (1 ) et les moyens de réception (4) sont agencés pour réaliser plusieurs mesures successives du faisceau lumineux de sortie (5) issu de l'interaction entre le faisceau d'entrée (3) et l'objet (1), les moyens (2) de génération présentant une cohérence spatiale et/ou temporelle adaptée en outre à la méthode de reconstruction tridimensionnelle utilisée. 2 - Système d'analyse structurelle selon la revendication 1 , muni de moyens (6,7) d'orientation de l'interaction, vue par les moyens (4) de réception, entre le faisceau lumineux d'entrée (3) et la partie de l'objet (1). 3 - Système d'analyse structurelle selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel les moyens (2) de génération sont structurés de sorte à générer une pluralité de faisceaux lumineux d'entrée (3) aptes à interagir avec au moins une partie de l'objet (1) selon des inclinaisons différentes. 4 - Système d'analyse structurelle selon l'une des revendications précédentes, comprenant des moyens (8) de conjugaison optique entre l'objet (1) et les moyens (4) de réception. 5 - Système d'analyse structurelle selon l'une des revendications précédentes, comportant une pluralité de moyens (2) de génération agencés de sorte à faire interagir avec au moins une partie de l'objet (1 ) plusieurs faisceaux lumineux d'entrée (3) de longueurs d'onde différentes. 6 - Système d'analyse structurelle selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'analyseur de front d'onde (4) est un analyseur de front d'onde numérique. 7 - Système d'analyse structurelle selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'analyseur de front d'onde (4) est un analyseur de front d'onde à matrice de microlentilles. 8 - Système d'analyse structurelle selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'analyseur de front d'onde (4) est un analyseur de front d'onde par interférométrie à décalage multilatéral. 9 - Système d'analyse structurelle selon l'une des revendications précédentes, pour lequel l'objet est au moins en partie transparent, comportant une lame semi- réfléchissante (10) disposée entre les moyens (2) de génération et les moyens (3) de réception, ainsi que des moyens (11) de réflexion agencés de sorte à réfléchir la lumière traversant l'objet (1). 10 - Système d'analyse structurelle selon l'une des revendications précédentes, pour lequel l'objet (1) est au moins en partie transparent, dans lequel des moyens (2) de génération et les moyens (4) de réception sont disposés de part et d'autre de l'objet (1). 11 - Système d'analyse structurelle selon l'une des revendications précédentes, pour lequel l'objet (1) est réfléchissant, dans lequel les moyens (2) de génération et les moyens (4) de réception sont disposés du même côté de l'objet (1). 12 - Procédé d'analyse structurelle d'un objet (1 ) en vue de réaliser une reconstruction en trois dimensions de la structure de la partie de l'objet (1) analysé selon au moins une méthode de reconstruction tridimensionnelle, comprenant une étape de génération d'un faisceau lumineux d'entrée (3) apte à interagir avec au moins une partie de l'objet (1 ), et une étape de réception du faisceau lumineux de sortie (5) issu de i'interaction entre ie faisceau d'entrée (3) et l'objet (1), le procédé étant tel que iors de la réception du faisceaux lumineux de sortie (5), le champ électromagnétique de son onde est mesuré par un analyseur (4) de front d'onde, la cohérence spatiale et/ou temporelle du faisceau lumineux d'entrée (3) étant adaptée à celle des moyens de réception (4) par des moyens de filtrage spatial (15), caractérisé en ce que les moyens de génération (2), l'objet (1 ) et les moyens de réception (4) sont agencés pour réaliser plusieurs mesures successives du faisceau lumineux de sortie (5) issu de l'interaction entre le faisceau d'entrée (3) et l'objet (1), les moyens (2) de génération présentant une cohérence spatiale et/ou temporelle adaptée en outre à la méthode de reconstruction tridimensionnelle utilisée. |
MESURE DE FRONT D'ONDE
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine de l'analyse structurelle d'objets. Ce type d'analyse métrologique consiste en une tomographie optique permettant de déterminer la topologie de surface d'objets opaques ou de reconstruire le volume d'objets transparents. Il est alors susceptible d'être appliqué notamment dans les domaines biologiques et médicaux (tomographie des cellules, de la peau) et des matériaux (tomographie de matériaux structurés, lecture de structures 3D invisibles telles que des impuretés, des mémoires, des contrefaçons). Elle se rapporte plus particulièrement à un système d'analyse structurelle d'un objet, comprenant des moyens de génération d'un faisceau lumineux d'entrée agencés pour faire interagir le faisceau d'entrée généré avec au moins une partie de l'objet, et des moyens de réception du faisceau lumineux de sortie issu de l'interaction entre le faisceau d'entrée et l'objet.
Elie se rapporte également à un procédé d'analyse structurelle d'un objet, comprenant une étape de génération d'un faisceau lumineux d'entrée apte à interagir avec au moins une partie de l'objet, et une étape de réception du faisceau lumineux de sortie issu de l'interaction entre le faisceau d'entrée et l'objet.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
La solution de tomographie la plus connue consiste en une tomographie par rayons X, comme décrit par exemple dans le document de brevet US 2005/01 17696 A1. Dans un tel système de tomographie, un générateur de rayons X est imagé sur un capteur bidimensionnel de rayons X de sorte à mesurer l'absorbance de ces rayons au travers de l'objet à analyser. Pour cela, le faisceau de rayons X généré illumine l'objet et le capteur est disposé de sorte à ce que l'objet soit interposé entre le générateur et le capteur. Ces derniers sont tournés par rapport à l'objet de sorte à disposer d'orientations différentes par rapport à l'objet, l'objet restant toujours interposé entre eux. La mise en commun des mesures d'absorbance selon les différents angles d'orientations permet alors une reconstruction 3D de l'objet. Néanmoins, du fait justement de l'utilisation de rayons X qui nécessite de placer les échantillons sous vide, cette solution n'est pas compatible avec des observations in vivo de tissus biologiques. Par ailleurs pour certaines applications liées aux nanotechnologies, il est utile non seulement de déterminer les dimensions et la forme des échantillons, mais aussi de connaître leur distribution de permittivité. Cette information renseigne en effet sur les matériaux qui composent les échantillons. Le nombre d'applications potentielles de l'imagerie X est donc limité. Une transposition et une adaptation des techniques utilisées dans le domaine des rayons X, au domaine optique, ouvrent de nombreux champs d'applications. El existe des systèmes de microscopie qui réalisent un balayage vertical (« z-scan » en langue anglo-saxonne) au travers de l'objet et fournissent ainsi une image de l'intensité diffractée par plan à l'intérieur de l'objet et issue du balayage, ce qui permet de reconstruire l'intensité réfléchie (la réflectance) de l'objet en 3 dimensions. Cependant, ce principe, basé sur des mesures d'intensité, ne permet pas d'extraire l'information de phase du champ diffracté par l'objet.
Or, le problème général qui se pose dans le domaine de la tomographie optique concerne la reconstruction tridimensionnelle de l'indice de réfraction complexe d'un échantillon. Cette information qui dépend à la fois des paramètres géométriques (les dimensions) de l'objet et de ses propriétés optiques (distribution tridimensionnelle de l'indice de réfraction complexe) ne peut pas être déterminée, dans le cas général, à partir uniquement de mesures d'intensité lumineuse du champ diffracté par l'échantillon obtenues avec un détecteur classique. Il est nécessaire de connaître la valeur complexe du champ diffracté. Or l'intensité mesurée par les capteurs classiques n'est que le carré de l'amplitude de ce champ. Il faut, en plus de cette mesure d'intensité, réaliser une mesure de la phase du champ diffracté par l'échantillon.
Les systèmes de microscopie à balayage vertical ne permettent pas, dans le cas général, de reconstruction tridimensionnelle de l'indice de réfraction complexe d'un objet à analyser.
Une solution envisagée pour résoudre ce problème consiste à réaliser un système de tomographie diffractive par holographie. Dans un tel système, un laser et une voie de référence sont utilisés pour acquérir plusieurs hologrammes d'un objet par interférométrie, ce qui permet d'accéder en même temps à la phase et à l'amplitude de l'onde diffractée par l'objet. La structure tridimensionnelle de l'objet est ensuite recouvrée par des méthodes numériques telles que celle proposée par Emil Wotf en 1969, dans son article « Three-dimensionaî structure détermination of semitransparent objects from holographie data » (Opt. Commun., 1. IS3-156, 1969).
Plus précisément, la publication « Tomographie Phase microscopy » (Wonshik Choi et al., Nature Methods, septembre 2007, Vol.4, No.9, p.707-717) divulgue un système de tomographie permettant des mesures tridimensionnelles de l'indice de réfraction d'organismes cellulaires ou multicellulaires qui ne nécessite ni perturbation de l'échantillon ni immersion dans un milieu spécifique. Pour cela, le système comprend un interféromètre hétérodyne de type Mach-Zender, qui fournit des images de phase à partir de figures d'interférence espacées dans le temps, du fait de la modification de fréquence d'un faisceau de référence par rapport à celui qui traverse l'échantillon. Une lame séparatrice divise un faisceau laser (issu d'un laser hélium- néon) en deux parties afin de les faire traverser respectivement le bras de l'échantillon et le bras de référence. Un miroir orientable monté avec un galvanomètre permet de faire varier l'angle d'incidence de l'illumination. Dans le bras de référence, deux modulateurs acousto-optiques modifient la fréquence du faisceau de référence. Les faisceaux sont ensuite recombinés afin de produire une figure d'interférence dans le plan image. Pour chaque angle d'illumination, une caméra enregistre plusieurs images de sorte que le décalage de phase entre échantillon et référence soit égal à π/2. Les images de phase sont enfin calculées par interférométrie à décalage de phase.
Des systèmes analogues, à tomographie diffractive par holographie, sont décrits dans les publications « Living spécimen tomography by digital holographie microscopy: morphometry of testate amoeba » (Florian Charrière et al., Optics Express, 7 août 2006, Vol.14, No.16, pp. 7005-7013) et « High-resolution three- dimensionai tomographic diffractive microscopy of transparent inorganïc and biological sampies » (M. Debailleul et al., Optics Letters, 1 er janvier 2009, Vol.34, No.1 , pp. 79-81). Plusieurs variantes de ces systèmes sont réalisables, par exemple en faisant tourner l'échantillon plutôt que l'illumination, ou en utilisant un interféromètre de Michelson plutôt qu'un interféromètre de Mach-Zender (V. Lauer. Journal of Microscopy, Vol. 205, Février 2002, pp. 165-176).
S'ils permettent bien de reconstituer l'amplitude et la phase de l'indice de réfraction de l'échantillon (ou bien ses parties réelle et imaginaire) en vue de reconstruire son indice de réfraction complexe local, ces systèmes tomographiques présentent néanmoins plusieurs inconvénients. D'une part, ils impliquent l'utilisation de sources à forte cohérence temporelle, telles que des lasers. Se posent alors des problèmes de réflexions parasites et de tavelures (« speckle » en langue anglo-saxonne), qui ont pour effet de dégrader les mesures 2D ou 3D. D'autre part, ils nécessitent l'utilisation d'une voie de référence, qui induit des complications structurelles significatives. fl a été proposé des solutions de tomographie basées sur l'analyse de la surface d'onde de faisceaux lasers transmis par des objets, principalement grâce à l'utilisation d'analyseurs de type Shack-Hartmann.
Les besoins de correction des images en astronomie dans des champs de vision les plus larges possibles ont conduit à devoir estimer les turbulences de l'atmosphère à diverses altitudes (voir M. Talion and R. Foy, "Adaptive télescope with laser probe— Isoplanatism and cone effect," Astron. Astrophys. 235, 549-557 (1990) ou Benoit Neichei, Thierry Fusco, and Jean-Marc Conan, "Tomographic reconstruction for wide-field adaptive optics Systems: Fourier domain analysis and fundamenta! limitations," J. Opt. Soc. Am. A 26, 219-235 (2009)). Ces systèmes utilisent plusieurs étoiles naturelles ou artificielies. L'analyse combinée des surfaces d'ondes issues de chacune des étoiles indépendamment par un analyseur de Shack-Hartmann permet une reconstruction dite tomographique de l'atmosphère.
De même, dans le domaine de l'ophtalmologie, certaines propriétés optiques et morphologiques de l'œil sont déduites de l'analyse de plusieurs surfaces d'onde issues de plusieurs points sources sur la rétine et traversant les différents composants de l'œil (voir Real et al., Patent Application US 2003/0038921 A).
Ces mesures sont dites tomographiques car elles font intervenir plusieurs mesures d'un même objet sous différents angles. Cependant, du fait qu'elles n'utilisent que l'information de phase et non pas tout le champ électromagnétique, elles ne permettent de faire une reconstruction tridimensionnelle qu'avec une résolution de l'ordre de quelques fractions du champ d'observation. Au mieux, elles rendent possibles des méthodes de reconstruction dites projectives, où les mesures de déphasage sont retro-projetées suivant les angles d'observation, puis additionnées afin de recomposer une image.
Pour obtenir des résolutions bien meilleures, de l'ordre de la résolution du système d'imagerie utilisé, il est nécessaire de connaître la phase et l'intensité de l'onde transmise, c'est-à-dire son champ électromagnétique complexe. Ces méthodes ne sont donc pas transposables dans le domaine de la microscopie où ie niveau de détail est de l'ordre de la résolution du système d'imagerie.
Ainsi, aucune solution de l'état de îa technique ne permet de disposer d'un système de tomographie par imagerie de photons limité par la résolution des systèmes d'imagerie, éliminant les problèmes de réflexions parasites et de tavelures, tout en étant structurellement simple et compact.
OBJET DE L'INVENTION
Le but de la présente invention est de remédier à ce problème technique, en permettant une mesure tridimensionnelle de l'indice de réfraction (ou de la permittivité), sans nécessiter une voie de référence ni une illumination par une source faser. On pourra en déduire, par exemple, une mesure du volume des objets confinés (cellule, noyau de cellule, organelles) présents dans le volume de reconstruction ainsi que l'indice de réfraction moyen à l'intérieur de chacun de ces objets.
Dans ce but, l'invention a pour objet un système d'analyse structurelle d'un objet en vue de réaliser une reconstruction en trois dimensions de îa structure de la partie de l'objet analysé selon au moins une méthode de reconstruction tridimensionnelle, comprenant des moyens de génération d'un faisceau lumineux d'entrée agencés pour faire interagtr le faisceau d'entrée généré avec au moins une partie de l'objet, et des moyens de réception du faisceau lumineux de sortie issu de l'interaction entre le faisceau d'entrée et l'objet. Dans ce système, les moyens de réception comprennent un analyseur de front d'onde agencé de sorte à mesurer le champ électromagnétique de l'onde du faisceau de sortie reçu, et les moyens de génération présentent une cohérence spatiale et/ou temporelle adaptée à celle des moyens de réception.
Un analyseur de front d'onde selon l'invention est un appareil qui permet une mesure du champ électromagnétique scalaire d'une onde lumineuse, c'est-à-dire qui mesure à la fois sa phase et son intensité. De par sa nature, il est auto-référencé, le faisceau reçu servant de référence à lui-même. Il présente donc l'avantage de ne pas nécessiter un faisceau de référence et d'être insensible aux vibrations.
En outre, un analyseur de front d'onde est un détecteur compact pour de l'imagerie de champs électromagnétiques. Sa capacité à recouvrir des informations de phase et d'intensité avec un échantillonnage spatial important, est directement liée à sa performance pour les applications de tomographie diffractive. Pour celles-ci, on privilégiera des analyseurs de front d'onde haute résolution. L'adaptation de la cohérence spatiale des moyens de génération et de réception vise à disposer d'une lumière cohérente spatialement au niveau des moyens de réception. En effet, les technologies d'analyse de front d'onde utilisent des théories basées sur des sources lumineuses ponctuelles, dites cohérentes spatialement. Lorsque la source de lumière n'est plus ponctuelle, l'analyseur capte une superposition d'ondes, ce qui a deux effets. D'une part, la mesure est moins précise car les points marginaux de la source perturbent la mesure au centre de fa source. D'autre part, chacun des points de la source va être diffracté différemment par l'objet. Ainsi l'information utile pour la mesure du champ électromagnétique complexe est diluée entre les différents points de la source. Pour réaliser une telle adaptation de cohérence spatiale, il peut être envisagé selon l'invention de disposer d'un dispositif de filtrage de la cohérence spatiale de l'onde générée par la source lumineuse.
Par la combinaison des techniques de tomographie diffractive et d'analyse de front d'onde, l'invention permet donc de résoudre le problème technique ci-dessus, tout en fournissant une résolution latérale suffisante pour bénéficier d'une bonne qualité d'imagerie.
De préférence, les moyens de génération et de réception sont agencés pour réaliser plusieurs mesures successives du faisceau lumineux de sortie issu de l'interaction entre le faisceau d'entrée et l'objet. Les moyens de génération présentent une cohérence spatiale et/ou temporelle adaptée en outre à la méthode de reconstruction tridimensionnelle utilisée. De préférence, le système est muni de moyens d'orientation de l'interaction, vue par les moyens de réception, entre le faisceau lumineux d'entrée et la partie de l'objet. Des orientations différentes sont appliquées à chaque mesure sur l'objet afin de réaliser cette reconstruction 3D. Pour cela, plusieurs alternatives peuvent être envisagées. En particulier, les moyens d'orientation peuvent agir sur ['orientation :
- des moyens de génération,
- de l'objet, ou
- des deux à la fois.
A titre d'alternative, les moyens de génération peuvent être structurés de sorte à générer une pluralité de faisceaux lumineux d'entrée aptes à interagir avec au moins une partie de l'objet selon des inclinaisons différentes, ce qui permet de s'affranchir du baiayage angulaire décrit ci-dessus. Différentes parties de cette source lumineuse structurée éclairent successivement l'objet afin de réaliser cette reconstruction 3D, ce qui est équivalent à avoir réalisé des mesures successives à différentes orientations.
De préférence et aux fins de conjuguer le plan de l'analyseur avec l'objet étudié, le système comprend des moyens de conjugaison optique entre l'objet et les moyens de réception.
Selon un mode particulier de réalisation permettant des mesures de chromatisme, il peut être prévu que le système comporte des moyens de sélection spectrale du faisceau lumineux d'entrée.
Une alternative pour faire de telles mesures de chromatisme consiste à munir le système d'une pluralité de moyens de génération agencés de sorte à faire interagir avec au moins une partie de l'objet plusieurs faisceaux lumineux d'entrée de longueurs d'onde différentes.
Selon un mode particulier de réalisation permettant de choisir la polarisation de la lumière incidente sur l'objet en vue de remonter aux propriétés anisotropes d'un matériau, il peut être prévu que le système comporte des moyens de polarisation du faisceau lumineux d'entrée.
Selon différents modes de mise en oeuvre de l'invention, les moyens de génération peuvent comprendre un laser ou une source spectrale temporellement incohérente.
De préférence, le système comprend des moyens de calcul aptes à mettre en œuvre un algorithme de reconstruction d'image par propagation numérique du champ électromagnétique mesuré dans le plan du moyen de réception. Selon différents modes de mise en œuvre de l'invention, l'analyseur de front d'onde peut être un analyseur de front d'onde numérique (ou senseur de courbure), un analyseur de front d'onde à matrice de microlentiiles (type Shack-Hartmann), un analyseur de front d'onde par interférométrie à décalage multilatéral (voir à cet égard les documents de brevet EP 1993/0538126 B1 et EP 2000/1061349 B1 ), ou tout autre analyseur de front d'onde basé sur l'étude de l'effet du front d'onde sur la propagation d'une onde lumineuse structurée (Hartmann,...). Le degré de filtrage spatial sera différent suivant la technologie employée parmi celles ci-dessus.
Dans le cas d'un objet au moins en partie transparent, il peut être prévu que le système comporte une lame semi-réfléchissante disposée entre les moyens de génération et les moyens de réception, ainsi que des moyens de réflexion agencés de sorte à réfléchir !a lumière traversant l'objet.
Toujours dans ce cas, il peut également être prévu que les moyens de génération et les moyens de réception soient disposés de part et d'autre de l'objet.
Dans le cas d'un objet réfléchissant, il peut être prévu que les moyens de génération et les moyens de réception soient disposés du même côté de l'objet.
L'invention a également pour objet un procédé d'analyse structurelle d'un objet en vue de réaliser une reconstruction en trois dimensions de la structure de la partie de l'objet analysé selon au moins une méthode de reconstruction tridimensionnelle, comprenant une étape de génération d'un faisceau lumineux d'entrée apte à interagir avec au moins une partie de l'objet, et une étape de réception du faisceau lumineux de sortie issu de l'interaction entre le faisceau d'entrée et l'objet. Lors de la réception du faisceaux lumineux d'entrée, la phase de son onde est mesurée par un analyseur de front d'onde, la cohérence spatiale et/ou temporelle du faisceau lumineux d'entrée étant adaptée à celle du faisceau lumineux de sortie.
De préférence, les étapes de génération du faisceau lumineux d'entrée et de réception du faisceau lumineux de sortie sont répétées de manière successive, les moyens de génération présentant une cohérence spatiale et/ou temporelle adaptée en outre à la méthode de reconstruction tridimensionnelle utilisée.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à ia lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation, accompagnée de figures représentant respectivement :
- la figure 1 , un schéma d'un système d'analyse structurelle selon un premier mode de réalisation de l'invention, à illumination tournante,
- la figure 2, un schéma d'un système d'analyse structurelle selon un second mode de réalisation, à échantillon tournant,
- la figure 3, un schéma d'un système d'analyse structurelle selon un troisième mode de réalisation, avec système d'imagerie,
- la figure 4, un schéma d'un système d'analyse structurelle selon un quatrième mode de réalisation, avec système d'imagerie,
- la figure 5, un schéma d'un système d'analyse structurelle selon un cinquième mode de réalisation, par réflexion, - la figure 6, un schéma d'un système d'analyse structurelle selon un sixième mode de réalisation, avec filtre chromatique,
- la figure 7, un schéma d'un système d'analyse structurelle selon un septième mode de réalisation, avec polariseur, et
- la figure 8, un schéma d'un système d'analyse structurelle selon un huitième mode de réalisation, pour un objet opaque.
Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur i'ensembie des figures.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
En référence à la figure 1 , un système d'analyse structurelle selon un premier mode de réalisation de l'invention comprend des moyens de génération 2 d'un faisceau lumineux d'entrée 3. Ce faisceau lumineux est dirigé sur une partie de l'objet 1 à analyser. Des moyens de réception 4 permettent de récupérer le faisceau lumineux de sortie 5, issu de l'interaction entre le faisceau d'entrée 3 et l'objet 1.
L'objet 1 constitue l'objet de l'analyse tomographique. Le but est ici de reconstruire cet objet de manière tridimensionnelle, par une mesure optique en transmission, suivant un principe de microscopie optique tomographique tridimensionnelle. Cette méthode vise une caractérisation dimensionnelle de l'objet ou échantillon, via une mesure préalable de sa forme et de sa distribution de permittivité, avec des résultats de mesure quantitatifs.
L'objet 1 est ici un objet présentant une certaine transparence, afin que les moyens de réception 4 puissent récupérer une partie du flux lumineux généré par les moyens 2 après interaction avec cet objet et transmission au travers de celui-ci. Cet objet 1 peut éventuellement être déposé sur un substrat, lui-même disposé suivant un axe perpendiculaire à l'axe optique A du système.
Les moyens de génération du faisceau 3 peuvent être constitués par exemple d'une source de lumière temporellement cohérente (par exemple un laser) ou incohérente (comme une source de lumière blanche). L'homme du métier comprendra néanmoins que ia présente invention trouve sa particularité dans ie fait qu'elle permet d'utiliser une lumière incohérente, là où les autres systèmes de tomographie nécessitent des sources de lumière à forte cohérence temporelle. Ce système de tomographie n'est alors pas limité par la dispersion chromatique de l'échantillon et la sensibilité du détecteur constituant l'analyseur.
L'utilisation d'une lumière cohérente reste néanmoins possible, au détriment des inconvénients inhérents à ce type de source (Speckle, réflexions parasites, etc.). Aussi, l'utilisation d'une source temporellement incohérente sera préférée.
Les moyens de réception 4 sont disposés de sorte à ce qu'au moins une partie du faisceau 3 incident sur l'objet 1 soit dirigé vers eux. La gamme des longueurs d'onde applicables au système d'analyse structurelle selon l'invention dépend uniquement des détecteurs matriciels à disposition, pouvant aller en particulier du domaine TéraHertz (imageur microbolo-TéraHertz) jusqu'aux ultraviolets et rayons X. Plus spécifiquement, l'homme du métier notera qu'il est judicieux de travailler à une longueur d'onde dont l'ordre de grandeur correspond à celui de la dimension des détails à observer et analyser. Ces moyens 4 comprennent en outre un analyseur de front d'onde permettant de mesurer ie champ électromagnétique complexe de l'onde du faisceau de sortie 5 reçu, c'est-à-dire l'amplitude et la phase du champ complexe diffracté par l'objet 1. Ce type d'analyseur permet une mesure couplée de l'indice optique moyen et de l'épaisseur mécanique de l'échantillon d'objet, sans nécessiter de voie de référence, sans division de faisceau avant l'échantillon, en n'utilisant que la lumière diffractée par cet échantillon. L'indice optique moyen se déduit de l'indice complexe local, fonction à la fois de la phase et de l'intensité de l'onde diffractée analysée. Ces mesures d'indice et d'épaisseur permettent ensuite de remonter au profil de l'objet (forme, distribution de permittivité) et donc à sa caractérisation tridimensionnelle.
Pour obtenir cette caractérisation, il est utilisé un algorithme d'inversion à partir des mesures du champ électromagnétique, cet algorithme pouvant être basé sur la résolution des équations de Maxwell. Afin de reconstituer une image tridimensionnelle, il peut être mis en œuvre un algorithme de reconstruction d'image par propagation numérique du champ électromagnétique généré par le faisceau lumineux d'entrée 3.
Les franges d'interférence générées par l'analyseur de front d'onde sont enregistrées par le détecteur CCD d'une caméra. La déformation de cet interférogramme permet alors de déduire la déformation du front d'onde. En effet, si le faisceau reçu présente une surface parfaitement plane, l'image enregistrée par les moyens d'acquisition (une caméra) sera une grille sinusoïdale parfaite. Si le faisceau reçu contient des aberrations, ce maiilage régulier sera déformé. L'étude de ces déformations par des méthodes d'analyse spectrale permet ensuite de retrouver les gradients de la phase spatiale, ainsi que l'intensité (carré du module du champ électromagnétique). Après intégration de ces gradients, on aboutit à une carte de phase avec un point de mesure par frange d'interférence. Plusieurs variantes de réalisation de l'analyseur de front d'onde 4 sont envisageables pour réaliser la mesure du champ électromagnétique. Parmi celles-ci, des analyseurs de front d'onde numérique, des senseurs de courbure (voir ia publication de François Roddier, Appl. Opt. 27, 1988, pp. 1223-1225) à matrice de micro lentilles (type Shack-Hartmann) ou à optique à transmittance périodique (type Hartmann) peuvent notamment être utilisés.
Une variante préférée consiste cependant en un analyseur de front d'onde par interférométrie à décalage multilatéral. Une des réalisations de cette technique est l'interférométrie à 4 ondes. Pour cela, un réseau de diffraction, appelé également masque de Hartmann modifié à deux dimensions, réplique le faisceau à analyser en quatre sous-faisceaux parfaitement identiques au premier et qui se propagent dans des directions légèrement inclinées par rapport à l'axe optique. Du fait de leurs légères inclinaisons, après quelques millimètres de propagation, ces faisceaux se seront légèrement séparés. Des franges d'interférence apparaîtront alors, avec un pas d'interférence fonction de l'angle entre les directions de propagation.
Cette mesure par interférométrie à décalage multilatéral a l'avantage d'être beaucoup mieux résolue spatialement que les techniques les plus proches (Shack- Hartamnn, Hartmann). De plus, le modèle théorique considère le champ électromagnétique en tant que fonction continue, ce qui rend cette technique très bien adaptée pour la tomographie diffractive. En outre, cette variante est achromatique, c'est-à-dire que la déformation de l'interférogramme ne dépend pas de la longueur d'onde mais uniquement du chemin optique parcouru par la lumière. Elle ne nécessite pas de procédure d'alignement élaborée et reproduit fidèlement les variations locales de puissance lumineuse.
Suivant le mode de réalisation, il sera utilisé des sources plus ou moins cohérentes, du point de vue spatial ou temporel. La cohérence spatiale est principalement liée à l'étendue de la source de lumière. Dans le cas d'un iaser, cette étendue est donnée par la taille de la tache d'Airy. Pour les illuminations dites en lumière blanche par exemple avec des sources halogènes ou pour les diodes électroluminescentes, cette étendue est la taille de zone émettrice. La cohérence temporelle traite des propriétés statistiques temporelles de la source. Eile est principalement liée à l'étendue spectrale de la source. Par exemple, pour un laser, cette étendue ou largeur spectrale varie de quelques fractions à quelques dizaines de nanomètres, alors que pour une source de lumière dite blanche, ce spectre couvre tout le domaine visible, soit plusieurs centaines de nanomètres.
Suivant les moyens de mesure du champ électromagnétique et de reconstruction de la structure tridimensionnelle de l'objet, il sera nécessaire de contrôler ces deux types de cohérence.
L'adaptation de la cohérence spatiale entre les moyens de génération 2 et les moyens de réception 4 est assurée par des moyens de filtrage spatial 15. Ces moyens peuvent à cet effet être placés entre les moyens de génération 2 et l'objet 1. Le réglage des paramètres de ces moyens 15 permet de sélectionner une partie du flux lumineux de sortie 5 afin d'en filtrer une partie. La détermination de ces paramètres de réglage pour l'adaptation de la cohérence spatiale entre les moyens 2 et 4 est une pratique à la portée de l'homme du métier.
L'adaptation de la cohérence temporelle s'effectue en utilisant des systèmes de filtrage spectral au niveau des moyens de génération 2 ou au niveau des moyens de réception 4. Du point de vue de la mesure du champ électromagnétique, ces moyens d'adaptation 15 permettent ainsi de disposer d'un faisceau fumineux dont la cohérence spatiale est suffisante au regard de la matrice CCD formant le plan de détecteur intégré à l'analyseur de front d'onde 4. Il a été montré dans la publication de Pierre Bon et al. Opt. Express 17, 2009, pp. 13080-13094, que, dans le cas de interférométrie à décalage 4 ondes, le contraste des franges d'interférence dépend de la cohérence spatiale de fa lumière arrivant sur l'analyseur. Ce contraste est directement lié au rapport entre l'étendue angulaire de la source et l'angle de vue d'une période du réseau de diffraction à partir du capteur CCD, appelé angle critique de l'analyseur. De plus, suivant les conditions de bruit des mesures, on peut fixer un seuil sur le contraste des franges pour obtenir une reconstruction fiable du champ électromagnétique. A partir de ce seuil, on remonte à l'étendue de la source maximale autorisée sur l'analyseur. Par exemple, si on fixe ce seuil de contraste à 50%, l'étendue angulaire doit être inférieure à environ la moitié de l'angle critique. Dans le cas d'un système à micro-lentilles, le raisonnement est similaire et l'angle critique est donné par le rapport entre l'espacement des micro-lentilles et leur focale commune. Du point de vue de la cohérence temporelle, ces deux types d'analyseurs y sont pratiquement insensibles. Du point de vue de l'algorithme de reconstruction des images, certaines restrictions sur la cohérence spatiale et temporelle peuvent s'appliquer. La plupart des algorithmes existants se basent sur la connaissance a priori de l'onde incidente sur l'objet à reconstruire. En général, celle-ci est supposée plane, c'est-à-dire parfaitement cohérente spatialement, ou de manière équivalente d'étendue ponctuelle. Utiliser une source d'étendue finie peut faire sortir la mesure du domaine de validité du modèle physique qui sous-tend la reconstruction. Il est possible de définir des domaines de validité sur la cohérence de la source afin que la mesure ne soit pas entachée d'erreurs trop importantes. Ces domaines de cohérence dépendront du mode de réalisation de la reconstruction.
On peut, par exemple, définir un volume de cohérence de la source au niveau de l'objet, en adaptant des critères utilisés dans le domaine de la tomographie par rayons X, comme indiqué par la publication de Friso van der Veen et Pfeiffer, « Cohérent X-Ray Scattering », J. Phys.: Condens. Matter 16 (2004) 5003-5030. Les dimensions de ce volume de cohérence sont données transversalement par la longueur d'onde divisée par l'étendue angulaire de la source où λ est la longueur d'onde centrale de la source et ΔΘ son étendue angulaire) et axialement par la longueur de cohérence temporelle de source, directement reliée à sa largeur spectrale ί^ρλ^Δλ, où Δλ est la largeur spectrale de la source. Une condition de validité des algorithmes de reconstruction est que ce volume de cohérence doit être plus grand que l'objet à reconstruire. A titre d'illustration, si l'on veut reconstruire un objet de 10 m de côté dans les trois dimensions avec une illumination centrée sur 550 nm, l'étendue angulaire de la source doit être inférieure à 55 mrad et sa largeur spectrale inférieure à 30 nm.
Plusieurs exemples de moyens de filtrage spatial 15 sont envisageables. Parmi ceux-ci, on pourra citer un montage de type Kôhier ou plus simplement un simple diaphragme d'ouverture. Ces moyens de filtrage spatial peuvent être montés sur tous les modes de réalisation décrits ci-après, bien que, aux fins d'une plus grande clarté des figures, ils ne soient pas toujours représentés sur celles-ci.
Afin de pouvoir reconstituer l'objet 1 de manière tridimensionnelle, il est nécessaire de mesurer l'interaction entre le faisceau incident 3 et l'objet, selon plusieurs orientations de cette interaction, c'est-à-dire avec des angles d'inclinaison entre le faisceau 3 et l'objet 1 différents du point de vue des moyens de réception 4. L'analyse numérique de ces différents résultats de mesure permet alors d'aboutir à une reconstruction 3D. Pour cela, il est utilisé des moyens 6 d'orientation de l'interaction.
Ces moyens d'orientation de l'interaction 6 consistent en un moyen de rotation de la source 2 par rapport à l'axe optique A. Ces moyens permettent d'incliner le faisceau 3 généré par la source 2 par rapport à l'axe optique A. Puisque la surface d'interaction de l'échantillon est perpendiculaire à l'axe optique A, il s'en déduit une inclinaison du faisceau incident 3 par rapport à la surface l'échantillon, telle qu'elle est vue par l'analyseur 4.
Une autre possibilité consiste à utiliser une source lumineuse 2 possédant une structuration de son éclairage plutôt qu'un balayage angulaire.
On décrit maintenant d'autres modes de réalisation de l'invention, en référence aux figures suivantes 2 à 8.
Dans le second mode de réalisation, en référence à la figure 2, les moyens de génération 2 du faisceau incident 3 sont fixés de sorte que ce faisceau 3 soit parallèle à l'axe optique. Les moyens d'orientation de l'interaction 7 sont à présent les moyens de rotation de l'échantillon par rapport à l'axe optique A. Puisque la source 2 est agencée de sorte que le faisceau incident 2 soit perpendiculaire à l'axe optique, il s'en déduit une inclinaison du faisceau incident 3 par rapport à la surface de l'échantillon, telle qu'elle est vue par l'analyseur 4.
Dans le troisième mode de réalisation, en référence à la figure 3, les moyens d'orientation de l'interaction 6 sont identiques à ceux du premier mode de réalisation. Des moyens de conjugaison optique 8 sont disposés entre l'objet 1 et les moyens de réception 4. Ces moyens 8 comprennent un ensemble de lentilles, dans le but de conjuguer la surface d'interaction de l'objet 1 avec le plan du détecteur intégré à l'analyseur de front d'onde 4, ce qui améliore notablement les résultats de mesure.
Dans le quatrième mode de réalisation, en référence à la figure 4, les moyens d'orientation de l'interaction 7 du second mode de réalisation sont utilisés. Des moyens de conjugaison optique 8 sont également disposés afin de conjuguer la surface d'interaction de l'objet avec le plan du détecteur intégré à l'analyseur de front d'onde.
Les précédents modes de réalisation, en référence aux figures 1 à 4, travaillaient en transmission sur l'objet 1. Le cinquième mode de réalisation (figure 5), quant à lui, travaille toujours en transmission sur l'objet, mais pour y opérer une rétro-réflexion. Pour cela, le faisceau incident 3 issu des moyens de génération 2 parcourt un cube séparateur 10 (qui peut aussi être une lame séparatrice), pour être réfléchi en direction de moyens de conjugaison optique 8, puis de l'objet 1.
Le faisceau diffracté est ensuite réfléchi au niveau d'un miroir 11. Ce faisceau réfléchi 5 traverse à nouveau l'objet 1 et les moyens de conjugaison optique 8, ces derniers conjuguant toujours la surface d'interaction de l'objet 1 avec le plan du détecteur intégré à l'analyseur de front d'onde 4. Le faisceau imagé 5' traverse à nouveau le cube séparateur 10. La partie transmise 5" de ce faisceau 5' est alors dirigée vers les moyens de réception intégrant l'analyseur de front d'onde 4.
Dans ce mode de mise en œuvre en rétro-réflexion, le faisceau est injecté avant le système d'imagerie 8. L'homme du métier notera cependant qu'il est possible d'injecter le faisceau avant ou après le système d'imagerie 8.
Dans le cas de l'utilisation de ce système d'imagerie, l'homme du métier comprendra qu'il n'est plus nécessaire de mettre en œuvre un algorithme de reconstruction d'image par propagation numérique du champ électromagnétique généré par le faisceau lumineux d'entrée 3.
D'autres moyens peuvent être adjoints au système d'analyse structurelle selon l'invention. En particulier, selon un sixième mode de réalisation (figure 6), le système peut comprendre des moyens de sélection spectrale 13 du faisceau lumineux d'entrée 3. Ce filtre spectral 13 permet de changer la longueur d'onde centrale de l'illumination et dès lors, par des changements successifs du filtre spectral 13, de mesurer le chromatisme de l'objet 1.
Il convient ici de noter que l'utilisation de plusieurs filtres spectraux peut être remplacée par la disposition adéquate de plusieurs sources cohérentes de longueurs d'onde proches, ce qui permet d'augmenter la dynamique lors de l'analyse de défauts importants.
Egalement, selon un septième mode de réalisation (figure 7), le système peut comprendre des moyens de polarisation 14 du faisceau d'entrée 3. Un tel poîariseur permet de choisir la polarisation de la lumière incidente sur l'objet, et par-là même de remonter aux propriétés anisotropes du matériau constituant l'objet 1.
S'il est procédé ici à la polarisation du faisceau d'entrée 3, en disposant le poîariseur 14 entre la source 2 et l'objet 1 , il convient de noter que l'on peut également polariser le faisceau 5 issu de l'interaction, en disposant un polariseur entre l'objet 1 et le détecteur 4.
Le huitième mode de réalisation, en référence à la figure 8, présente le cas où l'objet est entièrement réfléchissant et ne présente donc aucune transparence. Dans ce cas, il constitue lui-même l'élément réfléchissant et il n'est pas nécessaire d'utiliser un miroir pour opérer en rétro-réflexion (comme décrit plus haut en référence à la figure 5). La mesure opérée est alors une topologie de surface. Plus précisément, la source 2 est agencée pour diriger le faisceau incident 3 qu'elle génère en direction de l'objet 1 réfléchissant. Des moyens d'orientation 6 de cette source 2 permettent de faire varier l'angle d'incidence du faisceau 3 sur la surface de l'objet 1. Par la suite, le faisceau diffracté et réfléchi 5, issu de l'interaction entre le faisceau 3 et l'objet 1 , est reçu par les moyens de réception intégrant l'analyseur de front d'onde 4. Pour cela, la source 2 et le détecteur 4 doivent être du même côté vis- à-vis de l'objet 1. Une option consiste alors à incliner l'objet par rapport à l'axe optique A du système, le détecteur étant orienté par rapport à cet axe optique A d'un angle égal à deux fois l'angle d'inclinaison de l'objet 1 avec l'axe A. Les modes de réalisation précédemment décrits de la présente invention sont donnés à titre d'exemples et ne sont nullement limitatifs. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet. En particulier, en fonction de ia nature de l'objet, ce dernier peut lui-même être la source lumineuse, ce qui rendrait inutile l'adjonction de moyens externes de génération d'un faisceau d'entrée, ces moyens de génération pouvant être considérés comme interne à l'objet.