WO2023222988A1 - Sonde interférométrique à faible encombrement - Google Patents

Sonde interférométrique à faible encombrement Download PDF

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WO2023222988A1
WO2023222988A1 PCT/FR2023/050719 FR2023050719W WO2023222988A1 WO 2023222988 A1 WO2023222988 A1 WO 2023222988A1 FR 2023050719 W FR2023050719 W FR 2023050719W WO 2023222988 A1 WO2023222988 A1 WO 2023222988A1
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WO
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beam splitter
lens
objective
distance
lenses
Prior art date
Application number
PCT/FR2023/050719
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English (en)
Inventor
Jérôme GAILLARD-GROLEAS
Sébastien GERAND
Gabrielle MOUSSU
Original Assignee
Sciences Et Techniques Industrielles De La Lumiere
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02041—Interferometers characterised by particular imaging or detection techniques
    • G01B9/02042—Confocal imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
    • G01B9/02062—Active error reduction, i.e. varying with time
    • G01B9/02064—Active error reduction, i.e. varying with time by particular adjustment of coherence gate, i.e. adjusting position of zero path difference in low coherence interferometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers

Definitions

  • the invention generally relates to the field of optical inspection and control of a part, and more specifically to the measurement of a height of a surface of a sample or its thickness using a optical device.
  • measuring devices of the optical comparator type comprising an optical sensor making it possible to measure punctually and without contact the topography (height/distance) of a surface of a sample and/or its thickness.
  • a spectral interferometric measuring probe In order to carry out measurements with nanometric precision (less than 10 nm), it is possible to use a spectral interferometric measuring probe. To do this, white light is focused by a lens then separated into two beams by a semi-reflecting blade. One of these beams is reflected by the sample that we wish to characterize; the other of the beams is reflected on a reference surface placed in the measuring probe. The two beams then recombine before being transmitted to a processing unit including a spectral analysis system. The spectral analysis system then generates a fluted spectrum including fringes resulting from the interference of the recombined beams and whose frequency depends in particular on the difference in distance between the surface of the sample and the reference surface.
  • interferometric probes make it possible to obtain very precise confocal measurements.
  • their size is significant, because they require the presence of a reference surface near the exit of the light beam, which prevents their use when the size or shape of the sample is not suitable.
  • these probes cannot be bent in order to carry out radial measurements (in a plane normal to the image focal plane) without drastically increasing their bulk, because the working distance would then not be sufficient given the aperture. necessary to avoid losing the signal in confocal measurement.
  • An aim of the present application is to remedy the aforementioned drawbacks by proposing a measuring probe whose precision can reach a few nanometers and whose the bulk, particularly at the level of the objective, is smaller than in conventional interferometric measuring probes.
  • a confocal spectral interferometric measurement system comprising:
  • the first beam splitter, the second beam splitter and the lenses are coaxial so that the optical axes of the first beam splitter, the second beam splitter and the lenses coincide. Additionally, the first beam splitter and the second beam splitter are positioned in the lens such that an optical distance between the reference surface and the partially reflective surface is substantially equal to an optical distance between the partially reflective surface and a focal plane of the lens.
  • the first beam splitter comprises at least one of the following elements: an assembly formed of a lens and a partially reflective blade; a lens, one side of which is devoid of anti-reflective treatment; a lens on which is attached and fixed a mirror whose surface is less than a surface of the lens, and the lenses comprise a first lens positioned between the first beam splitter and the second beam splitter and a second lens positioned downstream of the second beam splitter, an optical distance between the first lens and the second beam splitter being equal to an optical distance between the second beam splitter and the second lens.
  • the distance between the first lens and the second beam splitter is equal to the distance between the second beam splitter and the second lens
  • the objective further comprises a mirror mounted downstream of the first beam splitter, of the second beam splitter and lenses, the mirror being inclined relative to the optical axis of the lenses in order to bend a light beam that it receives from the lenses;
  • the first beam splitter is divergent and the first lens is convergent, or the first beam splitter is convergent and the first lens is divergent;
  • the first beam splitter comprises at least one of the following elements: an assembly formed of a lens and a partially reflective blade; a lens, one side of which is devoid of anti-reflective treatment; a lens on which is attached and fixed a mirror whose surface is less than a surface of the lens; and or
  • the source hole also forms a filtering hole for the objective.
  • the invention proposes a confocal spectral interferometric measurement system comprising a light source and an objective according to the first aspect, in which the objective the light source and connected to the source hole, for example using an optical fiber.
  • the light source is polychromatic
  • the system further comprises a processing unit connected to the objective; where applicable, the processing unit includes a spectrograph connected to the objective via an optical fiber.
  • Figure 1 schematically illustrates an example of a spectral interferometric measurement objective conforming to an embodiment of the invention on which the path of the light beam has been represented;
  • Figure 2 very schematically illustrates an example of a spectral interferometric measurement system
  • Figure 3 illustrates a graph illustrating the intensity of an example of a fluted spectrum as a function of the wavelength (in nm) which can be obtained by a spectrograph of a spectral interferometric measurement system receiving recombined beams which interfere;
  • Figure 4 schematically illustrates another example of a spectral interferometric measurement objective conforming to an embodiment of the invention making it possible to make radial measurements;
  • Figure 5 illustrates an exemplary embodiment of a beam splitter that can be used in a spectral interferometric measurement objective in accordance with one embodiment of the invention.
  • a spectral interferometric measuring system 1 comprises a light source 2, an objective 3 connected to the light source 2 and configured to focus the light beam on the surface to be characterized 4 of a sample and a processing unit 5 configured to characterize the surface from the recombined light beams reflected on the surface 4 of the sample and on a reference surface 6.
  • the measuring system 1 makes it possible in particular to carry out surface topography measurements and thickness measurements of transparent media (such as the thickness of a glass wall).
  • An example of application includes, for example, the determination of the absence of roughness on a smooth or polished surface to be characterized of a sample (by moving the measuring system 1 relative to the surface in order to determine the topography of this surface), by determining the difference in distance between the surface 4 of the sample and the objective 3 at several points of the surface to be characterized 4.
  • Another example of application includes the determination of the thickness of a transparent wall by determining the difference in distance between the two faces of the wall.
  • the light source 2 may comprise polychromatic light, typically white light.
  • the processing unit 5 comprises a spectrograph 7 and processing means 8 connected to the spectrograph 7 via a data transmission cable 9.
  • the light source 2 and the spectrograph 7 can be housed in one or more optronic boxes, which can be connected to the objective 3 via at least one optical fiber F. If necessary, objective 3 can also be housed in the optronic box. Note that, in this case, optical fibers are optional.
  • Measuring system 1 is of the confocal type. It is also achromatic so that the beam coming out of objective 3 is focused at a single point.
  • Objective 3 includes:
  • first beam splitter 10 having a face configured to form a reference surface 6;
  • the first beam splitter 10, the second beam splitter 12 and the lenses 11, 13 are coaxial so that the optical axes X of the first beam splitter 10, the second beam splitter 12 and the lenses 11, 13 coincide.
  • the first beam splitter 10 and the second beam splitter 12 are positioned in the objective 3 so that an optical distance d re f between the reference surface 6 and the partially reflecting surface 12a is substantially equal to a optical distance d m between the partially reflecting surface 12a and a focal plane of the objective 3.
  • the difference between the distances d re f and d m is less than the coherence length of the light source in order to generate interference.
  • optical distance we understand here the distance traveled by a light ray by taking into account the refractive indices that the ray encountered during its journey.
  • This configuration thus allows the objective 3 to have a small footprint, the reference surface 6 being placed in the objective 3, at the level of the first beam splitter 10 while having a sufficient numerical aperture.
  • the source hole 14 (upstream side of the objective 3) is configured to be connected to the light source 2.
  • the source hole 14 can correspond to the output of an optical fiber F, the input of which is connected to the light source 2.
  • the objective 3 further has an output end 15 (downstream side of the objective 3) configured to be placed close to the surface to be characterized 4 so that the surface to be characterized 4 is located in the focal plane image of the objective 3.
  • the first beam splitter 10 is therefore located near the source hole 14 of the objective 3 while the second lens 13 is positioned near its output end 15, on the object side.
  • the objective comprises a first lens 11 placed between the first beam splitter 10 and the second beam splitter 12, and a second lens 13 placed between the second beam splitter 12 and the output end 15.
  • the lenses 11, 13 are arranged in the objective 3 so that the optical distance di between the first lens 11 and the second beam splitter 12 is equal to the optical distance d2 between the second beam splitter 12 and the second lens 13.
  • the distance between the first lens 11 and the second beam splitter 12 is equal to the distance between the second beam splitter 12 and the second lens 13.
  • each lens 11, 13 can be formed from a doublet or a set of several lenses calculated to obtain good correction of aberrations.
  • the objective 3 may include converging groups to focus the beam on the surface 4, converging or diverging groups on the optical fiber side F which make it possible to have a more compact system (convergent/diverging association of telephoto lens type) or converging in function of the desired magnification, and a quasi-collimated beam, slightly converging or diverging at the level of the second beam splitter 12.
  • a confocal configuration source point and detector combined at the end of an optical fiber
  • beam splitter we will understand here an optical device which divides an incident light beam into two light beams: a first light beam which passes through the beam splitter without modification of its trajectory, and a light beam which is partially reflected by one face reflective of the beam splitter, in a direction forming a different angle equal to 180° (change of direction) with respect to the incident light beam.
  • beam splitters include, but are not limited to, a splitter blade, a partially reflecting mirror or even a beam splitter cube.
  • the first beam splitter 10 is preferably divergent or convergent in order to adapt the magnification between the source hole 14 and the surface 4 of the sample.
  • the first beam splitter 10 is mounted in the objective 3 so that the partially reflective face (which corresponds to the reference face 6) is located opposite the second beam splitter 12 (and therefore the first lens 11).
  • the entire incident beam passes through the first beam splitter 10 to reach the first lens 11.
  • only part of the beam reflected by the second beam splitter 12 is transmitted to the processing unit 5, the other part being reflected towards the first lens 11 by the partially reflecting face (which forms the reference surface 6 of the first beam splitter 10).
  • the second beam splitter 12 is mounted in the objective 3 so that only part of the incident beam passes through the second beam splitter 12, the other part being reflected towards the first beam splitter 10 by its partially reflecting face 12a.
  • each beam splitter can be sized as needed.
  • the beam splitter does not necessarily divide the incident beam into two beams of the same intensity (50/50).
  • the first beam splitter 10, the first lens 11, the second beam splitter 12 and the second lens 13 are placed successively in the objective 3 along the optical path of the incident light beam, between the source hole 14 and the end output 15 of objective 3.
  • the light beam enters the objective 3, at the level of the source hole 14, where it passes through the first beam splitter 10.
  • the first beam splitter 10 is divergent (respectively, converge), so that the incident beam diverges (respectively, converges) at the output of the first beam splitter 10 towards the first lens 11.
  • the light beam then passes through the first lens 11 before reaching the second splitter beam 12.
  • the first lens 11 is convergent (respectively, divergent) when the first beam splitter is divergent (respectively, convergent).
  • the incident beam is divided into a first beam (dotted in Figure 1) which continues its path to reach the surface to be characterized 4 of the sample and a second beam ( in solid lines in Figure 1) which is reflected by the second beam splitter 12 to reach the reference surface 6.
  • the first beam exits the second beam splitter 12 through its exit face, passes through the second lens 13 and exits the objective 3 through its exit end 15 before reaching the surface 4 of the sample, where it is reflected.
  • the first reflected beam successively passes through the second lens 13, the second beam splitter 12, the first lens 11 and the first beam splitter 10 and is focused at the source hole 14.
  • the source hole 14 therefore forms a filtering hole for the reflected beam.
  • the reflected beam exits through the hole 14 of the objective 3, towards the processing unit 5, for example via an optical fiber F.
  • the second beam comes from the partial reflection of the incident beam on the second beam splitter 12. After its reflection on the partially reflecting face of the second beam splitter 12, the second beam passes through the first lens 11. The first lens being convergent, the second beam is defocused with respect to the source hole 14 (which also forms a filtering hole) and therefore cannot exit through the source hole 14 towards the processing unit.
  • the second light beam is, however, reflected by the reference surface 6 of the first beam splitter 10. It then passes back through the first lens 11 and then is reflected by the second beam splitter 12, where it is recombined with the first reflected beam in order to generate interference.
  • the second reflected beam then passes through, with the first reflected beam, the first lens 11 and the first beam splitter 10.
  • the second beam is then focused on the source hole 14 and can therefore exit through the source hole 14 of the objective 3 towards the processing unit 5. Furthermore, the lenses 11 and 13 being convergent (respectively, divergent), the optical beam between these two lenses 11, 13 is not collimated. The optical path of the incident beam and the second beam are therefore not confused, which avoids disturbance of the reflected beam and therefore of the measurement.
  • the reference distance d re f which corresponds to the optical distance between the reference surface 6 of the first beam splitter 10 and the partially reflecting face 12a of the second beam splitter 12, is substantially equal to the distance measurement d m , which corresponds to the optical distance between the partially reflecting face 12a of the second beam splitter 12 and the image focal plane of the objective 3 (in which the surface to be characterized 4 of the sample is placed).
  • the reference distance d re f which is traveled by the second beam thanks to its reflection on the partially reflective face 6 of the first beam splitter 10 and on the partially reflective face 12a of the second beam splitter 12, is substantially equal to the measuring distance d m which is traveled by the first beam when it is reflected on the surface 4 of the object.
  • the reference distance d re f being known, since the position of the reference surface 6 of the first beam splitter 10 relative to the second beam splitter 12 is known (and, where appropriate, fixed), it is then possible to determine, using the processing unit 5, the measurement distance d m between the second beam splitter 12 and the surface to be characterized 4 of the object.
  • the reference distance d re f is fixed.
  • the first and/or the second beam splitter 10, 12 can be movably mounted in the objective 3 in order to compensate for the manufacturing tolerances of the different components and adjust the reference distance d re f and the measurement distance d m at substantially identical values.
  • the adjustment distance of the first and/or second beam splitter 10, 12 is between 0.10 mm and 0.50 mm.
  • the recombined light beam which comes from the recombination of the first beam and the second beam at the second beam splitter 12, is then transported to the spectrograph 7, for example via an optical fiber F, which generates from this recombined beam a signal (fluted spectrum) representative of the interference between the two beams (see figure 3).
  • the signal is then transmitted to the processing means 8 which deduce from the fluted spectrum the measurement distance d m (by difference with the reference distance dref).
  • the fluted spectrum is formed of a plurality of fringes whose frequency depends on the virtual thickness between the reference surface 6 and the surface 4 of the object, which corresponds in practice to the difference between the reference distance d re f and the measurement distance d m (and the refractive index of the material constituting surface 4 of the object).
  • the greater the frequency of the fringes the greater the distance difference.
  • the processing means 8 thus make it possible to determine, precisely and reliably, the difference in distances between the reference surface 6 and the surface to be characterized 4, and therefore the position of the surface to be characterized 4 relative to the objective 3 .
  • the processing means 8 include for example a computer or a server adapted to process the signals generated by the spectrograph 7 and deduce the difference in distances, comprising a processor type calculator, microprocessor, microcontroller, etc.,
  • the system also includes control means (touch screen, keyboard, mouse, buttons, etc.) of the processing means 8.
  • the first lens 11, the second beam splitter 12 and the second lens 13 being coaxial and aligned (their optical axis incident and split beams are collinear.
  • the first beam splitter 10 also being coaxial with the lenses and the second beam splitter 12 so that its optical axis X is rectilinear and coincides with that of the lenses and the second splitter, it is therefore also “vertical”.
  • the objective 3 obtained is perfectly coaxial and linear, which reduces its bulk - in particular at the level of the output end 15 of the objective 3 which is located close to the object - and simplifies its manufacture and the adjustment of its components.
  • the first beam splitter 10 may include any device capable of dividing the incident beam into two beams.
  • the first beam splitter 10 comprises an assembly formed of a lens 10a (diverging or converging) and a “vertical” partially reflective blade 10b.
  • the first beam splitter 10 is therefore collinear with the first lens 11.
  • the partially reflective blade has a partially reflective face (preferably perpendicular to the optical axis X of the first lens 11) which is configured to reflect a predetermined quantity of the first beam returned by the second beam splitter 12 towards the first lens 11, for example 25%, 30% or 50% of the first beam.
  • This first embodiment has the advantage of being very simple to produce and adjust.
  • the lens of the first beam splitter 10 is placed between the source hole 14 and the partially reflecting plate.
  • the partially reflective blade is positioned in the objective 3 so that its partially reflective face forms the reference surface 6 and is placed on the side of the second beam splitter 12 and extends at an optical distance equal to the distance reference d re f of the partially reflecting face 12a of the second beam splitter 12.
  • the first beam splitter 10 comprises a lens (such as lens 10a) whose exit face 10b (facing the second lens 13) is not anti-reflective treated.
  • This type of lens 10 is already used in Mirau type interferometers. Due to the absence of anti-reflection treatment, the exit face 10b of this lens reflects approximately 4% of the beam returned by the second beam splitter 12. Such a percentage of reflection, however, proves sufficient to interfere with the beam reflected by the surface to be characterized 4 of the object and deduce the measurement distance d m , between the object and the objective 3.
  • the lens 10a is then positioned in the objective 3 so that its exit face 10b (not processed) forms the reference surface 6 and extends at a distance from the partially reflecting face 12a of the second beam splitter 12 equal to the reference distance d re f.
  • the first beam splitter 10 comprises a lens 10c (such as lens 10a) and a reflecting mirror 10d of smaller dimension than the incident beam.
  • the reflecting mirror 10d can in particular be fixed on the exit face, for example in the center of the exit face of the lens 10c. This configuration has the effect of blocking part of the incident beam while allowing the rest of the beam to pass. Note that the presence of the 10d reflecting mirror does not prevent the measurement since the system is of the confocal type. The only consequence is therefore a reduction in the power of the light beam (since less light falls on the object).
  • the lens 10c and the reflecting mirror 10d are then placed in the objective 3 so that the reflecting face of the reflecting mirror 10d forms the reference surface 6 and is at a distance from the partially reflecting face 12a of the second beam splitter 12 equal to the reference distance d re f.
  • the second beam splitter 12 can comprise one of the assembly formed of a lens 10a and a partially reflective blade Ob, the lens 10a whose exit surface 10b is devoid of anti-reflective treatment or a 10c lens and a 10d reflective mirror in its center.
  • the second beam splitter 12 may comprise a lens (such as lens 10a) whose output surface is formed by a “Polkadot” type mirror surface (i.e. a percentage predetermined output surface includes discrete reflective zones of the mirror type).
  • the first and second beam splitter 12 may be identical or different.
  • the objective 3 further comprises a mirror 16 fixedly mounted downstream of the second beam splitter 12, typically downstream of the output end 15.
  • the mirror 16 is inclined relative to the optical axis X of lens 3 in order to shed the light beam which he receives at the output of lens 3 and to make measurements on a surface which does not extend perpendicular to the optical axis X of the second lens 13 (see for example figure 4).
  • the mirror 16 forms an angle of 45° with the optical axis X of the second lens 13 in order to bend the light beam at 90°.
  • the surface to be characterized 4 is therefore perpendicular to the optical axis X of the second lens 13.
  • the measurement distance d m corresponds to the optical distance between the second lens 13 and the surface 4 of the object, which is located in the image focal plane of the objective 3 relative to the mirror 16 inclined.
  • the measurement distance d m corresponds to the sum of the optical distance d mi between the second lens 13 and the intersection between its optical axis X and the mirror 16, and the optical distance dm2 between this intersection and the surface to be characterized 4.
  • the measuring system 1 also includes means making it possible to move the objective 3 relative to the object so as to determine the roughness of the surface 4 of the object.
  • the frequency of the fluted spectrum which is measured by the spectrograph 7 varies, the variations corresponding to differences in measured distance.
  • the movement means can be configured to move the object, the objective 3 being fixed, or vice versa. Alternatively, the movement means can be configured to move both the objective 3 and the object.
  • the processing unit 5 can be configured to determine the thickness of a transparent wall.
  • the transparent wall in fact has a first face defining a first air/material interface and a second face defining a second material/air interface.
  • the second light beam is therefore partly reflected at the first interface, the other part passing through the wall before being reflected at least partly at the second interface.
  • Each reflected part of the light beam is then recombined and interferes with the first light beam (which is reflected by the second beam splitter 12).
  • the recombined beams are then transmitted to the spectrograph 7, which generates a signal comprising fringes having three distinct frequencies, namely a first frequency corresponding to the virtual thickness between the reference surface 6 and the first interface, a second frequency corresponding to the virtual thickness between the reference surface 6 and the second interface, and a third frequency corresponding to the thickness between the first interface and the second interface.
  • the processing unit 5 then deduces from these frequencies the distance between each interface and objective 3, as well as the thickness of the wall (by difference between these two distances).
  • the movement of the splitter 10, 12 makes it possible, if necessary, to facilitate the distinction between the three thicknesses measured, in particular when two thickness values are close.

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Abstract

La présente invention concerne un objectif (3) pour un système (1) confocal de mesure interférométrique spectrale comprenant : - un trou source (14); - un deuxième diviseur de faisceau (12) présentant une face partiellement réfléchissante (12a), - un premier diviseur de faisceau (10) présentant une face configurée pour former une surface de référence (6) et se trouvant entre le trou source (14) et le deuxième diviseur de faisceau (12); et - des lentilles (11, 13). Le premier et le deuxième diviseur de faisceau sont positionnés dans l'objectif (3) de sorte qu'une distance optique (dref) entre la surface de référence (6) et la surface partiellement réfléchissante (12a) est sensiblement égale à une distance optique (dm) entre la surface partiellement réfléchissante (12a) et un plan focal de l'objectif (3).

Description

Sonde interférométrique à faible encombrement
DOMAINE DE L'INVENTION
L’invention concerne de manière générale le domaine de l’inspection et du contrôle optique d’une pièce, et plus précisément la mesure d’une hauteur d’une surface d’un échantillon ou de son épaisseur à l’aide d’un dispositif optique.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Il existe à ce jour des dispositifs de mesure du type comparateurs optiques comprenant un capteur optique permettant de mesurer ponctuellement et sans contact la topographie (hauteur/distance) d’une surface d’un échantillon et/ou son épaisseur.
Afin de réaliser des mesures d’une précision nanométrique (inférieure à 10 nm), il est notamment possible d’utiliser une sonde de mesure interférométrique spectral. Pour cela, une lumière blanche est focalisée par un objectif puis séparée en deux faisceaux par une lame semi réfléchissante. L’un de ces faisceaux est réfléchi par l’échantillon que l’on souhaite caractériser ; l’autre des faisceaux est réfléchi sur une surface de référence placée dans la sonde de mesure. Les deux faisceaux se recombinent ensuite avant d’être transmis à une unité de traitement comprenant un système d’analyse spectrale. Le système d’analyse spectrale génère alors un spectre cannelé comprenant des franges résultant de l’interférence des faisceaux recombinés et dont la fréquence dépend notamment de la différence de distance entre la surface de l’échantillon et la surface de référence.
Ces sondes interférométriques permettent d’obtenir des mesures confocales très précises. Toutefois, leur encombrement est important, car elles imposent la présence d’une surface de référence à proximité de la sortie du faisceau lumineux, ce qui empêche leur utilisation lorsque la taille ou la forme de l’échantillon n’est pas adaptée. Par ailleurs, ces sondes ne peuvent pas être coudées afin d’effectuer des mesures radiales (dans un plan normal au plan focal image) sans augmenter drastiquement leur encombrement, car la distance de travail ne serait alors pas suffisante compte-tenu de l’ouverture numérique nécessaire pour ne pas perdre le signal en mesure confocale.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un but de la présente demande est de remédier aux inconvénients précités en proposant une sonde de mesure dont la précision peut atteindre quelques nanomètres et dont l’encombrement, notamment au niveau de l’objectif, soit plus faible que dans les sondes de mesure interférométriques conventionnelles.
Il est à cet effet proposé, selon un premier aspect de l’invention un objectif pour un système confocal de mesure interférométrique spectrale comprenant :
- un trou source ;
- un premier diviseur de faisceau présentant une face configurée pour former une surface de référence ;
- un deuxième diviseur de faisceau présentant une face partiellement réfléchissante, le deuxième diviseur de faisceau étant positionné en aval du premier diviseur de faisceau de sorte que le premier diviseur de faisceau se trouve entre le trou source et le deuxième diviseur de faisceau ; et
- des lentilles.
Le premier diviseur de faisceau, le deuxième diviseur de faisceau et les lentilles sont coaxiaux de sorte que les axes optiques du premier diviseur de faisceau, du deuxième diviseur de faisceau et des lentilles sont confondus. De plus, le premier diviseur de faisceau et le deuxième diviseur de faisceau sont positionnés dans l’objectif de sorte qu’une distance optique entre la surface de référence et la surface partiellement réfléchissante est sensiblement égale à une distance optique entre la surface partiellement réfléchissante et un plan focal de l’objectif.
Le premier diviseur de faisceau comprend l’un au moins des éléments suivants : un ensemble formé d’une lentille et d’une lame partiellement-réfléchissante ; une lentille dont une face est dépourvue de traitement antireflet ; une lentille sur laquelle est rapporté et fixé un miroir dont une surface est inférieure à une surface de la lentille, et les lentilles comprennent une première lentille positionnée entre le premier diviseur de faisceau et le deuxième diviseur de faisceau et une deuxième lentille positionnée en aval du deuxième diviseur de faisceau, une distance optique entre la première lentille et le deuxième diviseur de faisceau étant égale à une distance optique entre le deuxième diviseur de faisceau et la deuxième lentille.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives de l’objectif selon le premier aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- des caractéristiques optiques de la première lentille et de la deuxième lentille sont identiques, en particulier leur distance focale ;
- la distance entre la première lentille et le deuxième diviseur de faisceau est égale à la distance entre le deuxième diviseur de faisceau et la deuxième lentille ;
- l’objectif comprend en outre un miroir monté en aval du premier diviseur de faisceau, du deuxième diviseur de faisceau et des lentilles, le miroir étant incliné par rapport à l’axe optique des lentilles afin de couder un faisceau lumineux qu’il reçoit des lentilles ;
- le premier diviseur de faisceau est divergent et la première lentille est convergente, ou le premier diviseur de faisceau est convergent et la première lentille est divergente ;
- le premier diviseur de faisceau comprend l’un au moins des éléments suivants : un ensemble formé d’une lentille et d’une lame partiellement-réfléchissante ; une lentille dont une face est dépourvue de traitement antireflet ; une lentille sur laquelle est rapporté et fixé un miroir dont une surface est inférieure à une surface de la lentille ; et/ou
- le trou source forme en outre un trou de filtrage de l’objectif.
Selon un deuxième aspect, l’invention propose un système confocal de mesure interférométrique spectrale comprenant une source lumineuse et un objectif selon le premier aspect, dans lequel l’objectif la source lumineuse et raccordée au trou source, par exemple à l’aide d’une fibre optique.
Certaines caractéristiques préférées mais non limitatives du système confocal de mesure interférométrique spectrale selon le deuxième aspect sont les suivantes, prises individuellement ou en combinaison :
- la source lumineuse est polychromatique ; et/ou
- le système comprend en outre une unité de traitement raccordée à l’objectif ; le cas échéant, l’unité de traitement comprend un spectrographe raccordé à l’objectif par l’intermédiaire d’une fibre optique.
DESCRIPTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
La figure 1 illustre schématiquement un exemple d’objectif de mesure interférométrique spectrale conforme à un mode de réalisation de l’invention sur lequel a été représenté le trajet du faisceau lumineux ;
La figure 2 illustre de manière très schématique un exemple de système de mesure interférométrique spectrale ;
La figure 3 illustre un graphe illustrant l’intensité d’un exemple de spectre cannelé en fonction de la longueur d’onde (en nm) pouvant être obtenu par un spectrographe d’un système de mesure interférométrique spectrale recevant des faisceaux recombinés qui interfèrent ; La figure 4 illustre schématiquement un autre exemple d’objectif de mesure interférométrique spectrale conforme à un mode de réalisation de l’invention permettant de faire des mesures radiales ; et
La figure 5 illustre un exemple de réalisation d’un diviseur de faisceau pouvant être utilisé dans un objectif de mesure interférométrique spectrale conforme à un mode de réalisation de l’invention.
Sur l’ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Un système de mesure 1 interférométrique spectral comprend une source lumineuse 2, un objectif 3 raccordé à la source lumineuse 2 et configuré pour focaliser le faisceau lumineux sur la surface à caractériser 4 d’un échantillon et une unité de traitement 5 configurée pour caractériser la surface à partir des faisceaux lumineux recombinés réfléchis sur la surface 4 de l’échantillon et sur une surface de référence 6. Le système de mesure 1 permet en particulier d’effectuer des mesures de topographie de surface et des mesures d’épaisseur de milieux transparents (tels que l’épaisseur d’une paroi en verre).
Un exemple d’application comprend, par exemple, la détermination de l’absence de rugosités sur une surface lisse ou polie à caractériser d’un échantillon (par déplacement du système de mesure 1 par rapport à la surface afin de déterminer la topographie de cette surface), en déterminant la différence de distance entre la surface 4 de l’échantillon et l’objectif 3 en plusieurs points de la surface à caractériser 4. Un autre exemple d’application comprend la détermination de l’épaisseur d’une paroi transparente en déterminant la différence de distance entre les deux faces de la paroi.
La source lumineuse 2 peut comprendre une lumière polychromatique, typiquement une lumière blanche. L’unité de traitement 5 comprend un spectrographe 7 et des moyens de traitement 8 raccordés au spectrographe 7 par l’intermédiaire d’un câble 9 de transmission de données.
De manière connue en soi, la source lumineuse 2 et le spectrographe 7 peuvent être logés dans un ou plusieurs coffrets optroniques, qui peuvent être reliés à l’objectif 3 par l’intermédiaire d’au moins une fibre optique F. Le cas échéant, l’objectif 3 peut également être logé dans le coffret optronique. On notera que, dans ce cas, les fibres optiques sont optionnelles.
Le système de mesure 1 est du type confocal. Il est par ailleurs achromatique de sorte que le faisceau sortant de l’objectif 3 est focalisé en un seul point. L’objectif 3 comprend :
- un trou source 14 ;
- un premier diviseur de faisceau 10 présentant une face configurée pour former une surface de référence 6 ;
- un deuxième diviseur de faisceau présentant une face partiellement réfléchissante 12a, le deuxième diviseur de faisceau 12 étant positionné en aval du premier diviseur de faisceau 10 de sorte que le premier diviseur de faisceau 10 se trouve entre le trou source et le deuxième diviseur de faisceau 12 ; et
- des lentilles 11 , 13.
Le premier diviseur de faisceau 10, le deuxième diviseur de faisceau 12 et les lentilles 11 , 13 sont coaxiaux de sorte que les axes optiques X du premier diviseur de faisceau 10, du deuxième diviseur de faisceau 12 et des lentilles 11 , 13 sont confondus. De plus, le premier diviseur de faisceau 10 et le deuxième diviseur de faisceau 12 sont positionnés dans l’objectif 3 de sorte qu’une distance optique dref entre la surface de référence 6 et la surface partiellement réfléchissante 12a est sensiblement égale à une distance optique dm entre la surface partiellement réfléchissante 12a et un plan focal de l’objectif 3.
Par sensiblement égales, on comprendra ici que l’écart entre les distances dref et dm est inférieur à la longueur de cohérence de la source lumineuse afin de générer des interférences.
Par distance optique, on comprendra ici la distance parcourue par un rayon lumineux en prenant en compte les indices de réfraction que le rayon a rencontré lors de son trajet.
Cette configuration permet ainsi à l’objectif 3 de présenter un faible encombrement, la surface de référence 6 étant placée dans l’objectif 3, au niveau du premier diviseur de faisceau 10 tout en présentant une ouverture numérique suffisante.
Le trou source 14 (côté amont de l’objectif 3) est configuré pour être raccordé à la source lumineuse 2. Par exemple, le trou source 14 peut correspondre à la sortie d’une fibre optique F, dont l’entrée est raccordée à la source lumineuse 2. L’objectif 3 présente en outre une extrémité de sortie 15 (côté aval de l’objectif 3) configurée pour être placée à proximité de la surface à caractériser 4 de sorte que la surface à caractériser 4 se trouve dans le plan focal image de l’objectif 3. Le premier diviseur de faisceau 10 est donc situé à proximité du trou source 14 de l’objectif 3 tandis que la deuxième lentille 13 est positionnée à proximité de son extrémité de sortie 15, côté objet.
Dans ce qui suit, par souci de simplification, l’invention sera décrite dans le cas où l’objectif comprend une première lentille 11 placée entre le premier diviseur de faisceau 10 et le deuxième diviseur de faisceau 12, et une deuxième lentille 13 placée entre le deuxième diviseur de faisceau 12 et l’extrémité de sortie 15. De plus, les lentilles 11 , 13 sont disposées dans l’objectif 3 de sorte que de sorte que la distance optique di entre la première lentille 11 et le deuxième diviseur de faisceau 12 est égale à la distance optique d2 entre le deuxième diviseur de faisceau 12 et la deuxième lentille 13. Dans le cas où les caractéristiques optiques de la première lentille 11 et de la deuxième lentille 13 (en particulier leur distance focale, leur convergence/divergence, etc.) sont identiques, la distance entre la première lentille 11 et le deuxième diviseur de faisceau 12 est égale à la distance entre le deuxième diviseur de faisceau 12 et la deuxième lentille 13. Ceci n’est cependant pas limitatif, le nombre et le type de lentilles 11 , 13 de l’objectif 3 dépendant du type d’objectif 3 réalisé. En particulier, chaque lentille 11 , 13 peut être formée d’un doublet ou d’un ensemble de plusieurs lentilles calculées pour obtenir une bonne correction des aberrations. Par exemple, l’objectif 3 peut comprendre des groupes convergents pour focaliser le faisceau sur la surface 4, des groupes convergents ou divergents côté fibre optique F qui permettent d’avoir un système plus compact (association convergent/divergent type téléobjectif) ou convergent en fonction du grandissement souhaité, et un faisceau quasi-collimaté, légèrement convergent ou divergent au niveau du deuxième diviseur de faisceau 12. Le fait d’utiliser une configuration confocale (point source et détecteur confondus à l’extrémité d’une fibre optique) impose une optique de très bonne qualité, proche de la diffraction, avec un défaut de surface de lambda/4 typiquement.
Par « diviseur de faisceau » on comprendra ici un dispositif optique qui divise un faisceau lumineux incident en deux faisceaux lumineux : un premier faisceau lumineux qui traverse le diviseur de faisceau sans modification de sa trajectoire, et un faisceau lumineux qui est réfléchi par une face partiellement réfléchissante du diviseur de faisceau, dans une direction formant un angle différent égal à 180° (changement de direction) par rapport au faisceau lumineux incident. Des exemples de diviseurs de faisceau comprennent, de manière non limitative, une lame séparatrice, un miroir partiellement réfléchissant ou encore un cube séparateur de faisceau. Comme nous le verrons dans ce qui suit, le premier diviseur de faisceau 10 est de préférence divergent ou convergent afin d’adapter le grandissement entre le trou source 14 et la surface 4 de l’échantillon.
Le premier diviseur de faisceau 10 est monté dans l’objectif 3 de sorte que la face partiellement réfléchissante (qui correspond à la face de référence 6) se situe en face du deuxième diviseur de faisceau 12 (et donc de la première lentille 11 ). Ainsi, l’intégralité du faisceau incident traverse le premier diviseur de faisceau 10 pour atteindre la première lentille 11. En revanche, seule une partie du faisceau réfléchi par le deuxième diviseur de faisceau 12 est transmise à l’unité de traitement 5, l’autre partie étant réfléchie vers la première lentille 11 par la face partiellement réfléchissante (qui forme la surface de référence 6 du premier diviseur de faisceau 10).
Le deuxième diviseur de faisceau 12 quant à lui est monté dans l’objectif 3 de sorte que seule une partie du faisceau incident traverse le deuxième diviseur de faisceau 12, l’autre partie étant réfléchie vers le premier diviseur de faisceau 10 par sa face partiellement réfléchissante 12a.
Le pourcentage du faisceau incident qui est réfléchi par chaque diviseur de faisceau peut être dimensionné en fonction des besoins. En particulier, le diviseur de faisceau ne divise pas nécessairement le faisceau incident en deux faisceaux de même intensité (50/50).
Le premier diviseur de faisceau 10, la première lentille 11 , le deuxième diviseur de faisceau 12 et la deuxième lentille 13 sont placés successivement dans l’objectif 3 le long du trajet optique du faisceau lumineux incident, entre le trou source 14 et l’extrémité de sortie 15 de l’objectif 3.
De la sorte, le faisceau lumineux (en pointillés sur la figure 1 ) entre dans l’objectif 3, au niveau du trou source 14, où il traverse le premier diviseur de faisceau 10. De préférence, le premier diviseur de faisceau 10 est divergent (respectivement, convergent), de sorte que le faisceau incident diverge(respectivement, converge) en sortie du premier diviseur de faisceau 10 en direction de la première lentille 11. Le faisceau lumineux traverse ensuite la première lentille 11 avant d’atteindre le deuxième diviseur de faisceau 12. De préférence, la première lentille 11 est convergente (respectivement, divergente) lorsque le premier diviseur de faisceau est divergent (respectivement, convergent). Lors de son passage à travers le deuxième diviseur de faisceau 12, le faisceau incident se divise en un premier faisceau (en pointillés sur la figure 1 ) qui poursuit son trajet pour atteindre la surface à caractériser 4 de l’échantillon et un deuxième faisceau (en traits pleins sur la figure 1 ) qui est réfléchi par le deuxième diviseur de faisceau 12 pour atteindre la surface de référence 6.
Plus précisément, le premier faisceau (en pointillés sur la figure 1 ) sort du deuxième diviseur de faisceau 12 par sa face de sortie, traverse la deuxième lentille 13 et sort de l’objectif 3 par son extrémité de sortie 15 avant d’atteindre la surface 4 de l’échantillon, où il est réfléchi. Par effet retour de la lumière, le premier faisceau réfléchi retraverse successivement la deuxième lentille 13, le deuxième diviseur de faisceau 12, la première lentille 11 et le premier diviseur de faisceau 10 et est focalisé au niveau du trou source 14. Le trou source 14 forme donc un trou de filtrage pour le faisceau réfléchi. Le faisceau réfléchi sort par le trou 14 de l’objectif 3, vers l’unité de traitement 5, par exemple par l’intermédiaire d’une fibre optique F.
Le deuxième faisceau (en traits pleins sur la figure 1 ) est issu de la réflexion partielle du faisceau incident sur le deuxième diviseur de faisceau 12. Après sa réflexion sur la face partiellement réfléchissante du deuxième diviseur de faisceau 12, le deuxième faisceau traverse la première lentille 11. La première lentille étant convergente, le deuxième faisceau est défocalisé par rapport au trou source 14 (qui forme également un trou de filtrage) et ne peut donc pas sortir par le trou source 14 vers l’unité de traitement. Le deuxième faisceau lumineux est en revanche réfléchi par la surface de référence 6 du premier diviseur de faisceau 10. Il retraverse alors la première lentille 11 puis est réfléchi par le deuxième diviseur de faisceau 12, où il est recombiné avec le premier faisceau réfléchi afin de générer des interférences. Le deuxième faisceau réfléchi traverse alors, avec le premier faisceau réfléchi, la première lentille 11 et le premier diviseur de faisceau 10. Grâce à la convergence (respectivement, divergence) de la première lentille et à la divergence (respectivement, convergence) du premier diviseur de faisceau 10, le deuxième faisceau est alors focalisé sur le trou source 14 et peut donc ressortir par le trou source 14 de l’objectif 3 vers l’unité de traitement 5. Par ailleurs, les lentilles 11 et 13 étant convergentes (respectivement, divergentes), le faisceau optique entre ces deux lentilles 11 , 13 n’est pas collimaté. Le trajet optique du faisceau incident et du deuxième faisceau ne sont donc pas confondus, ce qui évite la perturbation du faisceau réfléchi et donc de la mesure.
Comme indiqué plus haut, la distance de référence dref, qui correspond à la distance optique entre la surface de référence 6 du premier diviseur de faisceau 10 et la face partiellement réfléchissante 12a du deuxième diviseur de faisceau 12, est sensiblement égale à la distance de mesure dm, qui correspond à la distance optique entre la face partiellement réfléchissante 12a du deuxième diviseur de faisceau 12 et le plan focal image de l’objectif 3 (dans lequel est placée la surface à caractériser 4 de l’échantillon). De la sorte, la distance de référence dref qui est parcourue par le deuxième faisceau, grâce à sa réflexion sur la face partiellement réfléchissante 6, du premier diviseur de faisceau 10 et sur la face partiellement réfléchissante 12a du deuxième diviseur de faisceau 12, est sensiblement égale à la distance de mesure dm qui est parcourue par le premier faisceau lorsqu’il se réfléchit sur la surface 4 de l’objet. La distance de référence dref étant connue, puisque la position de la surface de référence 6 du premier diviseur de faisceau 10 par rapport au deuxième diviseur de faisceau 12 est connue (et, le cas échéant, fixe), il est alors possible de déterminer, grâce à l’unité de traitement 5, la distance de mesure dm entre le deuxième diviseur de faisceau 12 et la surface à caractériser 4 de l’objet.
Dans une forme de réalisation, la distance de référence dref est fixe. En variante, le premier et/ou le deuxième diviseur de faisceau 10, 12 peut être monté mobile dans l’objectif 3 afin de compenser les tolérances de fabrication des différents composants et ajuster la distance de référence dref et la distance de mesure dm à des valeurs sensiblement identiques. Le cas échéant, la distance de réglage du premier et/ou deuxième diviseur de faisceau 10, 12 est comprise entre 0.10 mm et 0.50 mm.
Le faisceau lumineux recombiné, qui est issu de la recombinaison du premier faisceau et du deuxième faisceau au niveau du deuxième diviseur de faisceau 12, est ensuite transporté jusqu’au spectrographe 7, par exemple via une fibre optique F, qui génère à partir de ce faisceau recombiné un signal (spectre cannelé) représentatif des interférences entre les deux faisceaux (voir figure 3). Le signal est alors transmis aux moyens de traitement 8 qui déduisent du spectre cannelé la distance de mesure dm (par différence avec la distance de référence dref). En effet, le spectre cannelé est formé d’une pluralité de franges dont la fréquence dépend de l’épaisseur virtuelle entre la surface de référence 6 et la surface 4 de l’objet, qui correspond en pratique à la différence entre la distance de référence dref et la distance de mesure dm (et de l’indice de réfraction du matériau constitutif de la surface 4 de l’objet). En particulier, plus la fréquence des franges est grande, plus la différence de distance est grande.
Les moyens de traitement 8 permettent ainsi de déterminer, de manière précise et fiable, la différence de distances entre la surface de référence 6 et la surface à caractériser 4, et donc la position de la surface à caractériser 4 par rapport à l’objectif 3.
Les moyens de traitement 8 comprennent par exemple un ordinateur ou un serveur adapté pour traiter les signaux générés par le spectrographe 7 et en déduire la différence de distances, comprenant un calculateur de type processeur, microprocesseur, microcontrôleur, etc., Le système comprend également des moyens de commande (écran tactile, clavier, souris, boutons, etc.) des moyens de traitement 8.
La première lentille 11 , le deuxième diviseur de faisceau 12 et la deuxième lentille 13 étant coaxiaux et alignés (leur axe optique X est rectiligne), le deuxième diviseur de faisceau 12 est « vertical », c’est-à-dire que le faisceau incident et les faisceaux divisés sont colinéaires. Le premier diviseur de faisceau 10 étant également coaxial avec les lentilles et le deuxième diviseur de faisceau 12 de sorte que son axe optique X est rectiligne et confondu avec celui des lentilles et du deuxième diviseur, il est donc également « vertical ».
En utilisant des dispositifs optiques coaxiaux, dont les axes optiques sont confondus, l’objectif 3 obtenu est parfaitement coaxial et linéaire, ce qui réduit son encombrement - en particulier au niveau de l’extrémité de sortie 15 de l’objectif 3 qui se trouve à proximité de l’objet - et simplifie sa fabrication et le réglage de ses composants.
Le premier diviseur de faisceau 10 peut comprendre tout dispositif susceptible de diviser le faisceau incident en deux faisceaux.
Dans une première forme de réalisation, le premier diviseur de faisceau 10 comprend un ensemble formé d’une lentille 10a (divergente ou convergente) et d’une lame partiellement réfléchissante 10b « verticale ». Dans cette forme de réalisation, le premier diviseur de faisceau 10 est donc colinéaire avec la première lentille 11. La lame partiellement réfléchissante présente une face partiellement réfléchissante (de préférence perpendiculaire à l’axe optique X de la première lentille 11 ) qui est configurée pour réfléchir une quantité prédéterminée du premier faisceau renvoyé par le deuxième diviseur de faisceau 12 vers la première lentille 11 , par exemple 25%, 30% ou 50% du premier faisceau. Cette première forme de réalisation présente l’avantage d’être très simple à réaliser et à régler. De préférence, la lentille du premier diviseur de faisceau 10 est placée entre le trou source 14 et la lame partiellement réfléchissante. Par ailleurs, la lame partiellement réfléchissante est positionnée dans l’objectif 3 de sorte que sa face partiellement réfléchissante forme la surface de référence 6 et soit placée du côté du deuxième diviseur de faisceau 12 et s’étende à une distance optique égale à la distance de référence dref de la face partiellement réfléchissante 12a du deuxième diviseur de faisceau 12.
Dans une deuxième forme de réalisation, le premier diviseur de faisceau 10 comprend une lentille (telle que la lentille 10a) dont la face de sortie 10b (en regard de la deuxième lentille 13) n’est pas traitée antireflet. Ce type de lentille 10 est déjà utilisé dans les interféromètres type Mirau. En raison de l’absence de traitement antireflet, la face de sortie 10b de cette lentille réfléchit environ 4% du faisceau renvoyé par le deuxième diviseur de faisceau 12. Un tel pourcentage de réflexion s’avère cependant suffisant pour interférer avec le faisceau réfléchi par la surface à caractériser 4 de l’objet et en déduire la distance de mesure dm, entre l’objet et l’objectif 3. La lentille 10a est alors positionnée dans l’objectif 3 de sorte que sa face de sortie 10b (non traitée) forme la surface de référence 6 et s’étende à une distance de la face partiellement réfléchissante 12a du deuxième diviseur de faisceau 12 égale à la distance de référence dref.
Dans une troisième forme de réalisation (figure 5), le premier diviseur de faisceau 10 comprend une lentille 10c (telle que la lentille 10a) et un miroir réfléchissant 10d de plus faible dimension que le faisceau incident. Le miroir réfléchissant 10d peut notamment être fixé sur la face de sortie, par exemple au centre de la face de sortie de la lentille 10c. Cette configuration a pour effet d’obturer une partie du faisceau incident tout en laissant passer le reste du faisceau. On notera que la présence du miroir réfléchissant 10d n’empêche pas pour autant la mesure puisque le système est du type confocal. La seule conséquence est donc une diminution de la puissance du faisceau lumineux (puisque moins de lumière arrive sur l’objet). La lentille 10c et le miroir réfléchissant 10d sont alors placés dans l’objectif 3 de sorte que la face réfléchissante du miroir réfléchissant 10d forme la surface de référence 6 et se trouve à une distance de la face partiellement réfléchissante 12a du deuxième diviseur de faisceau 12 égale à la distance de référence dref.
De manière analogue, le deuxième diviseur de faisceau 12 peut comprendre l’un parmi l’ensemble formé d’une lentille 10a et d’une lame partiellement réfléchissantel Ob, la lentille 10a dont la surface de sortie 10b est dépourvue de traitement antireflet ou une lentille 10c et un miroir réfléchissant 10d en son centre. Selon une autre variante, le deuxième diviseur de faisceau 12 peut comprendre une lentille (telle que la lentille 10a) dont la surface de sortie est formée par une surface miroir du type « Polkadot » (c’est-à-dire qu’un pourcentage prédéterminé de la surface de sortie comprend des zones discrètes réfléchissantes du type miroir).
Le premier et le deuxième diviseur de faisceau 12 peuvent être identiques ou différents.
Dans une forme de réalisation, l’objectif 3 comprend en outre un miroir 16 monté fixe en aval du deuxième diviseur de faisceau 12, typiquement en aval de l’extrémité de sortie 15. Le miroir 16 est incliné par rapport à l’axe optique X de l’objectif 3 afin de couder le faisceau lumineux qu’il reçoit en sortie de l’objectif 3 et d’effectuer des mesures sur une surface qui ne s’étend pas perpendiculairement à l’axe optique X de la deuxième lentille 13 (voir par exemple figure 4). Par exemple, le miroir 16 forme un angle de 45° avec l’axe optique X de la deuxième lentille 13 afin de couder le faisceau lumineux à 90°. La surface à caractériser 4 est donc perpendiculaire à l’axe optique X de la deuxième lentille 13.
La réalisation de mesures « radiales », grâce au miroir 16 incliné est rendue possible notamment par le positionnement de la surface de référence 6 à proximité du trou source 14 de l’objectif 3, augmentant ainsi la distance parcourue par le faisceau lumineux après sa réflexion sur le deuxième diviseur de faisceau 12. La distance de mesure dm correspond alors à la distance optique entre la deuxième lentille 13 et la surface 4 de l’objet, qui se trouve dans le plan focal image de l’objectif 3 par rapport au miroir 16 incliné. En d’autres termes, la distance de mesure dm correspond à la somme de la distance optique dmi entre la deuxième lentille 13 et l’intersection entre son axe optique X et le miroir 16, et la distance optique dm2 entre cette intersection et la surface à caractériser 4.
Optionnellement, le système de mesure 1 comprend également des moyens permettant de déplacer l’objectif 3 par rapport à l’objet de sorte à déterminer la rugosité de la surface 4 de l’objet. En particulier, lors du déplacement de l’objectif 3 par rapport à l’objet, la fréquence du spectre cannelé qui est mesuré par le spectrographe 7 varie, les variations correspondant à des différences de distance mesurées.
Les moyens de déplacement peuvent être configurés pour déplacer l’objet, l’objectif 3 étant fixe, ou inversement. En variante, les moyens de déplacement peuvent être configurés pour déplacer à la fois l’objectif 3 et l’objet.
Le cas échéant, l’unité de traitement 5 peut être configurée pour déterminer l’épaisseur d’une paroi transparente. La paroi transparente présente en effet une première face définissant une première interface air/matériau et une deuxième face définissant une deuxième interface matériau/air. Le deuxième faisceau lumineux est donc réfléchi en partie au niveau de la première interface, l’autre partie traversant la paroi avant d’être réfléchie au moins en partie au niveau de la deuxième interface. Chaque partie réfléchie du faisceau lumineux est alors recombinée et interfère avec le premier faisceau lumineux (qui est réfléchi par le deuxième diviseur de faisceau 12).
Les faisceaux recombinés sont alors transmis au spectrographe 7, qui génère un signal comprenant des franges présentant trois fréquences distinctes, à savoir une première fréquence correspondant à l’épaisseur virtuelle entre la surface de référence 6 et la première interface, une deuxième fréquence correspondant à l’épaisseur virtuelle entre la surface de référence 6 et la deuxième interface, et une troisième fréquence correspondant à l’épaisseur entre la première interface et la deuxième interface.. L’unité de traitement 5 déduit alors de ces fréquences la distance entre chaque interface et l’objectif 3, ainsi que l’épaisseur de la paroi (par différence entre ces deux distances).
Optionnellement, lorsque l’un au moins parmi le premier diviseur de faisceau 10 et le deuxième diviseur de faisceau 12 est mobile par rapport à l’objectif, le déplacement du diviseur 10, 12 permet le cas échéant de faciliter la distinction entre les trois épaisseurs mesurées, en particulier lorsque deux valeurs d’épaisseur sont proches.

Claims

REVENDICATIONS
1. Objectif (3) pour un système (1 ) confocal de mesure interférométrique spectrale comprenant :
- un trou source (14) ;
- un premier diviseur de faisceau (10) présentant une face configurée pour former une surface de référence (6) ;
- un deuxième diviseur de faisceau (12) présentant une face partiellement réfléchissante (12a), le deuxième diviseur de faisceau (12) étant positionné en aval du premier diviseur de faisceau (10) de sorte que le premier diviseur de faisceau (10) se trouve entre le trou source (14) et le deuxième diviseur de faisceau (12) ; et
- des lentilles (11 , 13) ; le premier diviseur de faisceau (10), le deuxième diviseur de faisceau (12) et les lentilles (11 , 13) étant coaxiaux de sorte que les axes optiques (X) du premier diviseur de faisceau (10), du deuxième diviseur de faisceau (12) et des lentilles (11 , 13) sont confondus ; et le premier diviseur de faisceau et le deuxième diviseur de faisceau étant positionnés dans l’objectif (3) de sorte qu’une distance optique (dref) entre la surface de référence (6) et la surface partiellement réfléchissante (12a) est sensiblement égale à une distance optique (dm) entre la surface partiellement réfléchissante (12a) et un plan focal de l’objectif (3), caractérisé en ce que le premier diviseur de faisceau (10) comprend l’un au moins des éléments suivants : un ensemble formé d’une lentille (10a) et d’une lame partiellement- réfléchissante (10b) ; une lentille (10a) dont une face (10b) est dépourvue de traitement antireflet ; une lentille (10c) sur laquelle est rapporté et fixé un miroir (10d) dont une surface est inférieure à une surface de la lentille (10c), et en ce que les lentilles (11 ,13) comprennent une première lentille (11 ) positionnée entre le premier diviseur de faisceau (10) et le deuxième diviseur de faisceau (12) et une deuxième lentille (13) positionnée en aval du deuxième diviseur de faisceau (12), une distance optique (di) entre la première lentille (11 ) et le deuxième diviseur de faisceau (12) étant égale à une distance optique (d2) entre le deuxième diviseur de faisceau (12) et la deuxième lentille (13).
2. Objectif (3) selon la revendication 1 , dans lequel des caractéristiques optiques de la première lentille (11 ) et de la deuxième lentille (13) sont identiques, en particulier leur distance focale.
3. Objectif selon la revendication 2, dans lequel la distance entre la première lentille (11 ) et le deuxième diviseur de faisceau (12) est égale à la distance entre le deuxième diviseur de faisceau (12) et la deuxième lentille (13).
4. Objectif (3) selon l’une des revendications 1 à 3, comprenant en outre un miroir (16) monté en aval du premier diviseur de faisceau (10), du deuxième diviseur de faisceau (12) et des lentilles (11 , 13), le miroir (16) étant incliné par rapport à l’axe optique (X) des lentilles (11 , 13) afin de couder un faisceau lumineux qu’il reçoit des lentilles (11 , 13).
5. Objectif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le premier diviseur de faisceau (10) est divergent et la première lentille (11 ) est convergente, ou le premier diviseur de faisceau (10) est convergent et la première lentille (11 ) est divergente.
6. Objectif (3) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le trou source (14) forme en outre un trou de filtrage de l’objectif (3).
7. Système confocal (1 ) de mesure interférométrique spectrale comprenant une source lumineuse (2) et un objectif (3) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la source lumineuse (2) et raccordée au trou source (14), par exemple à l’aide d’une fibre optique.
8. Système (1 ) selon la revendication 7, dans laquelle la source lumineuse (2) est polychromatique.
9. Système (1 ) selon l’une des revendications 7 et 8 comprenant en outre une unité de traitement (5) raccordée à l’objectif (3).
10. Système (1 ) selon la revendication 9, dans lequel l’unité de traitement (5) comprend un spectrographe (7) raccordé à l’objectif (3) par l’intermédiaire d’une fibre optique (F).
PCT/FR2023/050719 2022-05-19 2023-05-19 Sonde interférométrique à faible encombrement WO2023222988A1 (fr)

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