WO2004038362A2 - Method and device for the polarimetric analysis of the three-dimensional infrared scattering from an object using a parabolic mirror assembly - Google Patents

Method and device for the polarimetric analysis of the three-dimensional infrared scattering from an object using a parabolic mirror assembly Download PDF

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WO2004038362A2
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Stéphane MAINGUY
Thomas Lanternier
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4738Diffuse reflection, e.g. also for testing fluids, fibrous materials
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    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21Polarisation-affecting properties

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for optical analysis of the three-dimensional infrared scattering of an object by means of an assembly comprising a parabolic mirror.
  • the Jones J vector thus defined contains all the information necessary (phase and amplitude) to perfectly define the field vector electric. It can therefore represent all possible polarization states (rectilinear, circular and elliptical).
  • the relevant information is in fact in the transition from an incident Jones vector to a scattered Jones vector J '.
  • This passage can be represented by the following matrix M, called Jones matrix or diffusion matrix:
  • the diffusion matrix is a 2x2 matrix with four components.
  • the components E pp and E ⁇ are the co-polarization components of the diffusion matrix.
  • E p ⁇ and E sp are the cross-polarization components of the diffusion matrix. All the necessary information is contained in the Jones matrix. However, the components of this matrix are fields and not intensities. However, in optics, we do not know how to measure fields but intensities.
  • polarimetric techniques exploit homogeneous quantities squared in the modulus of the components of the Jones matrix, such as for example the specular reflection factors R g and R p .
  • ellipsometric techniques for characterizing the optical index of materials. This level of analysis polarimetric is reduced and therefore the applications which result from it can only be limited.
  • the aim of the present invention is to improve the technique disclosed by the documents mentioned above by proposing a method and a device allowing a much more complete analysis than that which is permitted by this known technique.
  • the invention combines the good geometrical properties of the parabolic mirror with a polarized measurement technique: in the invention, the polarizations of the light beam used for the study of the object (preferably a laser beam) are controlled , respectively upstream and downstream of the parabolic mirror.
  • a parabolic mirror little polarizes a light which it reflects and therefore has, in polarized light, optical properties which are well suited to the invention, that is to say to polarized three-dimensional infrared scattering measurements.
  • the present invention relates to a method for analyzing the three-dimensional infrared scattering of an object, method in which
  • this object is illuminated by incident infrared radiation, by means of a parabolic mirror, at a determined angle of incidence, this parabolic mirror being provided for reflecting the incident infrared radiation towards the object, this object then providing scattered radiation, the parabolic mirror being further provided for reflecting this scattered radiation,
  • the scattered radiation is measured according to a determined scattering angle
  • the angle of scattering and possibly the angle of incidence are varied, this method being characterized in that the incident radiation and the scattered radiation are further polarized and, to analyze the three-dimensional infrared scattering of the object , the polarization of this incident radiation and the polarization of this scattered radiation are also varied, the scattered radiation is measured, as a function of the values of the polarization of the incident radiation, of the polarization of the scattered radiation, of the scattering angle and possibly the angle of incidence and the measurements are processed to obtain the desired properties of the object.
  • the present invention also relates to a device for analyzing the three-dimensional infrared diffusion of an object, this device comprising
  • parabolic mirror the source being provided to illuminate the object by incident infrared radiation, by means of the parabolic mirror, at a determined angle of incidence, this parabolic mirror being provided for reflecting the incident infrared radiation towards the object, this object then providing scattered radiation, the mirror being further provided to reflect this scattered radiation,
  • this device being characterized in that it further comprises first polarization means, provided for polarizing the incident radiation, second polarization means, provided for polarizing the scattered radiation,
  • the first polarization means comprise a first polarizer and a first quarter-wave plate
  • the second polarization means comprise a second polarizer and a second quarter-wave plate
  • the control means include means for rotation of these first and second quarter wave blades.
  • the first and second polarizers can be chosen from rectilinear polarizers, circular polarizers and elliptical polarizers.
  • the first polarization means comprise at least one Pockels cell
  • the second polarization means also comprise at least one Pockels cell
  • the control means are provided for controlling each Pockels cell.
  • the first polarization means comprise at least two Pockels cells
  • the second polarization means also comprise at least two Pockels cells
  • the control means are provided for controlling each Pockels cell.
  • the infrared radiation source comprises at least one infrared emission laser.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a particular embodiment of the device which is the subject of the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of an example of polarization means which can be used in the device of FIG. 1,
  • - Figure 3 is a schematic view of another example of polarization means that can also be used in the device of Figure 1
  • - Figure 4 is an evaluation of the Mueller matrix of the parabolic mirror of a device according to the invention.
  • the example of the device which is the subject of the invention which is schematically represented in FIG. 1, is a polarized three-dimensional infrared diffusion measurement installation. This installation makes it possible to study samples of various materials, such as sample 2.
  • This sample 2 is placed on a support 4.
  • the latter is provided with rotation means which are symbolized by the arrow 6 and make it possible to rotate the support 4, and therefore the sample 2, around an axis Z.
  • the support 4 is further provided with translation means which are symbolized by the arrow 7 and make it possible to move the support 4, and therefore the sample 2, along the axis 2.
  • the device of FIG. 1 also includes a source 8 infrared radiation. This source includes a C0 2 10 laser which allows measurements to be made at a wavelength of 10.6 ⁇ m.
  • the source also includes a CO 12 laser which makes it possible to make measurements at a wavelength of 5.4 ⁇ m.
  • a semi-transparent plate 14 makes it possible to obtain an infrared beam 16 containing the radiation of that of the two lasers which is in operation.
  • the lasers 10, 12 and the semi-transparent plate 14 are arranged so that the beam 16 propagates in a plane P which is orthogonal to the axis Z.
  • Part of this beam 16 is transmitted by another semi-transparent plate 18 and picked up by a detector 20, such as a pyrometric detector, intended to measure the power of the infrared beam 16.
  • a detector 20 such as a pyrometric detector
  • the other part of this beam 16 is reflected by the semi-transparent plate 18. It is then reflected by a mirror 22, along an axis X of the plane P, then successively passes through an adjustable diaphragm 24 and a focusing lens 26 before d be reflected parallel to the Z axis by another mirror 28.
  • the device of FIG. 1 also includes a parabolic mirror 30.
  • the axis of this parabolic mirror is the Z axis and meets the X axis at a point O
  • This parabolic mirror is placed above the sample 2 and the surface of this sample is placed in its focus (using the translation means 7).
  • This mirror 30 is provided for reflecting the light coming from the mirror towards the sample 2.
  • This sample 2 thus receives, from the mirror 30, an infrared beam 32 whose angle of incidence, counted with respect to the axis Z, is noted ⁇ i.
  • sample 2 diffuses infrared light.
  • the latter is reflected by the mirror 30 parallel to the axis Z.
  • Another mirror 34 is provided for picking up an infrared beam 36, constituting part of the scattered light, after reflection of this beam by the mirror 30, and for reflecting the beam it receives along an axis Y of the plane P.
  • the axis Y meets the axis X at the point O and makes an angle ⁇ with this axis X.
  • the beam 36 which is scattered by the sample 2, makes a scattering angle ⁇ r with the axis Z.
  • the plane PI containing the axis Z and the axis of the beam 32, makes the angle ⁇ with the plane P2, containing the axis Z and the axis of the beam 36.
  • the infrared beam 38 reflected by the mirror 34 along the Y axis, is focused by a lens 40 on an infrared radiation detector 42, for example a detector based on HgCdTe.
  • the lens 26 and the mirror 28 are fixed to a frame 44.
  • a stepping motor symbolized by the arrow 46, allows the displacement of this frame in translation along the axis X to vary the angle ⁇ i.
  • the lens 26 is a pre-focusing lens, allowing the arrival, on sample 2, of a beam with parallel rays instead of a focused beam.
  • the mirror 34, the lens 40, and the detector 42 are fixed to a frame 48.
  • a stepping motor symbolized by the arrow 50, allows the displacement of this frame in translation along the Y axis to select a another beam scattered by the sample.
  • Another stepping motor symbolized by the arrow 52, makes it possible to rotate the frame 48, and therefore the Y axis, around the Z axis, and consequently to vary the angle ⁇ .
  • the device of FIG. 1 also comprises means 54 for controlling the stepping motors, means 56 for amplifying the signal supplied by the detector 42, a chopper 58 which is placed on the trajectory of the beam reflected by the semi-transparent plate 18, and
  • a modulator 60 for example in the frequency range [10 Hz; 1000 Hz], which controls this chopper.
  • FIG. 1 also shows electronic and computer means 62 provided for
  • the device further comprises means 64 for controlling the polarization of the incident beam 32 which is sent to the sample 2 and - means 66 for controlling the polarization of the scattered beam 36 that the detector 42 receives.
  • the means 64 are for example placed on the path of the beam 16, before the semi-transparent plate 18, while the means 66 are placed on the path of the beam 38, on the frame 48, between the lens 40 and the detector 42.
  • 64 and 66 are not necessarily identical: the polarization of the incident beam 32 and the polarization of the scattered beam 36 (after passing through the means
  • the device of FIG. 1 makes it possible to envisage a large number of polarization states of the incident beam and, independently of these, a large number of polarization states of the scattered beam.
  • FIG. 2 shows a first example of the polarization control means 64 and 66.
  • the means 64 or 66 comprise a linear polarizer 68 or 70 and a quarter-wave plate 72 or 74 which is movable in rotation around the axis of the beam that the polarizer polarizes.
  • This polarizer 68 or 70 which is associated with the quarter-wave plate 72 or 74, can precede the latter.
  • FIG. 2 also shows means 76 or 78 for controlling the rotation of the quarter-wave plate 72 or 74, these means 76 and 78 being themselves controlled by the electronic means 62.
  • FIG. 3 a second example of the polarization control means 64 and 66 has been shown.
  • the means 64 and the means 66 comprise at least one Pockels cell controlled by means making it possible to vary them. frequency .
  • these means comprise several Pockels cells.
  • the means 64 comprise two Pockels cells 80,82 and the means 66 comprise two other Pockels cells 84,86.
  • Means 88 for controlling all these Pockels cells, intended to vary the time frequency of each Pockels cell, are also provided.
  • the processing of the signals supplied by the amplifier 56 generally requires more than one frequency to be satisfactory, in particular in the case where it is a processing by inverse Fourier transform.
  • Xl pl: polarization of the incident beam
  • X2 p2: polarization of the scattered beam
  • X3 ⁇ i: angle of incidence of the incident beam
  • X4 ⁇ : angle between the X and Y axes
  • X5 ⁇ r: scattering angle of the scattered beam.
  • N NlxN2x 3xN4xN5 possible combinations of the values of the parameters and thus N values of S are obtained which are stored in the electronic means 62 and which are processed then to determine the desired properties of sample 2.
  • X3 ⁇ i given.
  • the device according to the invention makes it possible to carry out a very thorough optical analysis of the diffusion properties of a sample of given material.
  • This polarimetric analysis makes it possible to characterize exhaustively the optical response capacities of a given coating which is illuminated by infrared light.
  • This optical response is essential data for evaluating the infrared signature of an object having such a coating.
  • composition of the surface of this coating in particular as regards the dielectric properties of the material, at the wavelength of the infrared illumination source, and microgeometric data such as parameters representative of material defects.
  • This device according to the invention makes it possible to acquire polarimetric optical properties thanks to
  • the complete description of the properties of diffusion of a structure which one wants to study using the device object of the invention, requires the exploitation of the formalism of the vectors of Stokes and the matrixes of Mueller. These quantities are expressed from the intensities, which are measurable.
  • the Stokes vector have four components and not two, namely:
  • This vector can therefore completely represent the electric field vector.
  • the four components I, Q, U, N can also be expressed as a function of the intensities, according to the following formulas:
  • I represents the total intensity
  • Q the intensity difference according to the two main rectilinear polarizations (TE and TM)
  • U the intensity difference according to two rectilinear polarizations at 45 °
  • V the difference between the two components of right circular polarization and left circular.
  • This matrix is a 4x4 matrix which therefore has sixteen elements. These sixteen elements are intensities and not fields. Each of these components represents the intensity diffused in a polarization for an incident polarization (straight or circular). All the information necessary for a polarimetric study is contained in the Mueller matrix. It is therefore this quantity that we measure.
  • this Mueller M MP matrix has the following form:
  • the Mueller matrix Mg C h of the sample is linked to the Mueller matrix of the parabolic mirror
  • FIG. 4 is an evaluation of the Mueller M MP matrix of the parabolic mirror of the device according to the invention.
  • the coefficients trii j are represented in matrix form (see formula (11)).
  • On the abscissa we have the local angle of incidence on the parabolic mirror.
  • the results are given for the wavelengths: 10.6 ⁇ m (curve R), 5.4 ⁇ m (curve V, almost identical to the curve R) and 0.633 ⁇ m (curve B).

Abstract

The invention relates to a method and a device for the polarimetric analysis of the three-dimensional infrared scattering from an object using a parabolic mirror assembly. The object (2) is illuminated by incident infrared radiation (32) by means of the mirror (30) using a determined angle of incidence. The mirror reflects the radiation towards the object as well as the radiation (36) scattered by said object. The inventive method consists in measuring the radiation scattered along a determined scattering angle and varying the scattering angle and, optionally, the angle of incidence. According to the invention, the incident radiation and scattered radiation are polarised and, in order to analyse the three-dimensional infrared scattering from the object, the polarisations are also varied. The scattered radiation is measured according to the values of the incident radiation polarisation, the scattered radiation polarisation, the scattering angle and, optionally, the angle of incidence, and the measurements are processed in order to obtain the desired properties of the object. The invention is particularly suitable for characterising materials.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ANALYSE POLARIMETRIQUE DE LA METHOD AND DEVICE FOR POLARIMETRIC ANALYSIS OF THE
DIFFUSION INFRAROUGE TRIDIMENSIONNELLE D'UN OBJET AUTHREE-DIMENSIONAL INFRARED BROADCAST OF AN OBJECT IN
MOYEN D'UN MONTAGE A MIROIR PARABOLIQUEMEANS OF A PARABOLIC MIRROR MOUNTING
DESCRIPTIONDESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'analyse optique de la diffusion (« scattering ») infrarouge tridimensionnelle d'un objet au moyen d'un montage comportant un miroir parabolique.The present invention relates to a method and a device for optical analysis of the three-dimensional infrared scattering of an object by means of an assembly comprising a parabolic mirror.
Elle s'applique notamment à l'équipement des spectrometres infrarouges pour la caractérisation infrarouge des matériaux. On peut aussi fabriquer un dispositif conforme à l'invention, de faible taille, en vue d'étudier des revêtements d'objets, en particulier de grandes pièces, se trouvant dans un environnement opérationne1 donné . L' invention trouve également des applications dans les domaines aéronautique et spatial où l'on a besoin de données thermo-optiques pour résoudre, en particulier, des problèmes de télédétection. L'invention s'applique aussi à tous les secteurs industriels où l'on pratique le contrôle non- destructif de matériaux par voie infrarouge, par exemple en ce qui concerne la géométrie, les défauts et la nature plus ou moins réflectrice de ces matériaux. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUREIt applies in particular to the equipment of infrared spectrometers for the infrared characterization of materials. It is also possible to manufacture a device in accordance with the invention, of small size, with a view to studying coatings of objects, in particular large parts, located in a given operating environment. The invention also finds applications in the aeronautical and space fields where thermo-optical data are needed to solve, in particular, remote sensing problems. The invention also applies to all industrial sectors where non-destructive testing of materials is carried out by infrared means, for example with regard to the geometry, the defects and the more or less reflective nature of these materials. STATE OF THE PRIOR ART
Il est connu d'analyser la diffusion infrarouge d'objets à l'aide de montages permettant seulement des mesures dans un plan d'incidence où l'on fait simplement varier l'angle zénithal d'un rayonnement incident. Ces montages autorisent seulement des mesures bidimensionnelles à angle azimutal constant .It is known to analyze the infrared diffusion of objects using assemblies allowing only measurements in an incidence plane where the zenith angle of an incident radiation is simply varied. These arrangements only allow two-dimensional measurements at constant azimuth angle.
On connaît aussi un dispositif d'analyse optique de la diffusion infrarouge d'un objet au moyen d'un montage à miroir parabolique, par les documents suivants auxquels on se reportera :There is also known a device for optical analysis of the infrared scattering of an object by means of a parabolic mirror assembly, by the following documents to which we will refer:
[1] S. Mainguy et al., « Description and calibration of a fully automated infrared scatterometer », SPIE Proceedings, vol. 1530, Ed. J.C. Stover, 1991, pages 269 à 282.[1] S. Mainguy et al., “Description and calibration of a fully automated infrared scatterometer”, SPIE Proceedings, vol. 1530, Ed. J.C. Stover, 1991, pages 269 to 282.
[2] S. Mainguy, Thèse de doctorat, "Mesure et modélisation de la diffusion du rayonnement optique par des surfaces rugueuses, application aux propriétés infrarouges de céramique de bore", 1994.[2] S. Mainguy, Doctoral thesis, "Measurement and modeling of the scattering of optical radiation by rough surfaces, application to the infrared properties of boron ceramic", 1994.
Dans ces documents, on examine les problèmes de parallélisme d'un faisceau infrarouge incident sur le miroir parabolique et les problèmes de collection du faisceau réfléchi. II résulte de ces documents que le miroir parabolique permet d'explorer très largement le demi-espace de réflexion, l'exploration se faisant de façon continue suivant les angles zénithaux et les angles azimutaux, et de ramener les balayages angulaires tridimensionnels à des balayages dans un plan, c'est-à- dire à des balayages bidimensionnels, ce qui limite les déplacements du bras de collection-détection que comporte le dispositif décrit dans ce document.In these documents, we examine the problems of parallelism of an infrared beam incident on the parabolic mirror and the problems of collection of the reflected beam. It follows from these documents that the parabolic mirror makes it possible to explore the reflection half-space very widely, the exploration being carried out continuously according to the zenith angles and the azimuthal angles, and to reduce the three-dimensional angular scans to scans in a plane, that is to say to two-dimensional scans, which limits the movements of the collection-detection arm that the device described in this document comprises.
Il convient cependant de noter que la technique divulguée par ces documents utilise, pour l'étude de l'objet, un rayonnement dont la polarisation est fixe. On rappelle en outre qu'on a développé différentes techniques mettant en jeu une analyse polarimétrique simple, qui ne concerne que les états de polarisation rectilignes p et s.It should however be noted that the technique disclosed by these documents uses, for the study of the object, a radiation whose polarization is fixed. It will also be recalled that different techniques have been developed involving a simple polarimetric analysis, which only concerns the rectilinear polarization states p and s.
En effet, les composantes du champ électrique s'écrivent :Indeed, the components of the electric field are written:
Ex = Re[aei(ωt-kz-4>)] (la)E x = Re [ae i (ωt - kz -4 >) ] (la)
Ey =Re[aei(m-^-φ-φ)] (ib)E y = Re [ae i (m - ^ - φ - φ) ] (ib)
En se plaçant dans un plan quelconque z , ces composantes peuvent se mettre sous la forme suivante :By placing themselves in any plane z, these components can be put in the following form:
Ex = Re[aei(ωt+ ^] (2a)E x = Re [ae i (ωt + ^] (2a)
E =Re[aei(ωt+ φy} '] (2b) ou encore :E = Re [ae i (ωt + φy} '] (2b) or again:
Figure imgf000005_0001
Le vecteur de Jones J ainsi défini contient toutes les informations nécessaires (phase et amplitude) pour définir parfaitement le vecteur champ électrique. Il peut donc représenter tous les états de polarisation possibles (rectilignes, circulaires et elliptiques) .
Figure imgf000005_0001
The Jones J vector thus defined contains all the information necessary (phase and amplitude) to perfectly define the field vector electric. It can therefore represent all possible polarization states (rectilinear, circular and elliptical).
Pour le problème considéré dans la présente invention, les informations pertinentes sont en fait dans le passage d'un vecteur de Jones incident à un vecteur de Jones diffusé J' . Ce passage peut être représenté par la matrice M suivante, dite matrice de Jones ou matrice de diffusion :For the problem considered in the present invention, the relevant information is in fact in the transition from an incident Jones vector to a scattered Jones vector J '. This passage can be represented by the following matrix M, called Jones matrix or diffusion matrix:
J'≈ M J (4)I ≈ M J (4)
Ce qui s ' écrit également :Which also says:
Figure imgf000006_0001
Figure imgf000006_0001
La matrice de diffusion est une matrice 2x2 à quatre composantes. Les composantes Epp et Eββ sont les composantes de co-polarisation de la matrice de diffusion. E et Esp sont les composantes de polarisation croisée de la matrice de diffusion. Toute l'information nécessaire est contenue dans la matrice de Jones. Cependant, les composantes de cette matrice sont des champs et non des intensités. Or, en optique, on ne sait pas mesurer des champs mais des intensités.The diffusion matrix is a 2x2 matrix with four components. The components E pp and E ββ are the co-polarization components of the diffusion matrix. E and E sp are the cross-polarization components of the diffusion matrix. All the necessary information is contained in the Jones matrix. However, the components of this matrix are fields and not intensities. However, in optics, we do not know how to measure fields but intensities.
La plupart des techniques polarimétriques exploitent des grandeurs homogènes au carré du module des composantes de la matrice de Jones, comme par exemple les facteurs de réflexion spéculaire Rg et Rp. On peut citer comme exemple d'application les techniques ellipsomëtriques de caractérisation de l'indice optique des matériaux. Ce niveau d'analyse polarimétrique est réduit et donc les applications qui en découlent ne peuvent qu'en être limitées.Most polarimetric techniques exploit homogeneous quantities squared in the modulus of the components of the Jones matrix, such as for example the specular reflection factors R g and R p . As an example of an application, mention may be made of ellipsometric techniques for characterizing the optical index of materials. This level of analysis polarimetric is reduced and therefore the applications which result from it can only be limited.
EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but d'améliorer la technique divulguée par les documents mentionnés plus haut en proposant un procédé et un dispositif permettant une analyse bien plus complète que celle qui est permise par cette technique connue. Pour ce faire, l'invention combine les bonnes propriétés géométriques du miroir parabolique à une technique de mesure polarisée : dans l'invention, on commande les polarisations du faisceau lumineux utilisé pour l'étude de l'objet (de préférence un faisceau laser) , respectivement en amont et en aval du miroir parabolique.PRESENTATION OF THE INVENTION The aim of the present invention is to improve the technique disclosed by the documents mentioned above by proposing a method and a device allowing a much more complete analysis than that which is permitted by this known technique. To do this, the invention combines the good geometrical properties of the parabolic mirror with a polarized measurement technique: in the invention, the polarizations of the light beam used for the study of the object (preferably a laser beam) are controlled , respectively upstream and downstream of the parabolic mirror.
Dans la présente invention, on utilise aussi le fait qu'un miroir parabolique polarise peu une lumière qu'il réfléchit et a donc, en lumière polarisée, des propriétés optiques qui sont bien adaptées à l'invention, c'est-à-dire aux mesures polarisées de diffusion infrarouge tridimensionnelle.In the present invention, use is also made of the fact that a parabolic mirror little polarizes a light which it reflects and therefore has, in polarized light, optical properties which are well suited to the invention, that is to say to polarized three-dimensional infrared scattering measurements.
De façon précise, la présente invention concerne un procédé d'analyse de la diffusion infrarouge tridimensionnelle d'un objet, procédé dans lequelSpecifically, the present invention relates to a method for analyzing the three-dimensional infrared scattering of an object, method in which
- on éclaire cet objet par un rayonnement infrarouge incident, par l'intermédiaire d'un miroir parabolique, suivant un angle d'incidence déterminé, ce miroir parabolique étant prévu pour réfléchir le rayonnement infrarouge incident vers l'objet, cet objet fournissant alors un rayonnement diffusé, le miroir parabolique étant en outre prévu pour réfléchir ce rayonnement diffusé,- this object is illuminated by incident infrared radiation, by means of a parabolic mirror, at a determined angle of incidence, this parabolic mirror being provided for reflecting the incident infrared radiation towards the object, this object then providing scattered radiation, the parabolic mirror being further provided for reflecting this scattered radiation,
- on mesure le rayonnement diffusé suivant un angle de diffusion déterminé et- the scattered radiation is measured according to a determined scattering angle and
- on fait varier l'angle de diffusion et éventuellement l'angle d'incidence, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on polarise en outre le rayonnement incident et le rayonnement diffusé et, pour analyser la diffusion infrarouge tridimensionnelle de l'objet, on fait en outre varier la polarisation de ce rayonnement incident et la polarisation de ce rayonnement diffusé, on mesure le rayonnement diffusé, en fonction des valeurs de la polarisation du rayonnement incident, de la polarisation du rayonnement diffusé, de l'angle de diffusion et éventuellement de l'angle d'incidence et l'on traite les mesures pour obtenir des propriétés recherchées de l'objet. La présente invention concerne aussi un dispositif d'analyse de la diffusion infrarouge tridimensionnelle d'un objet, ce dispositif comprenant- the angle of scattering and possibly the angle of incidence are varied, this method being characterized in that the incident radiation and the scattered radiation are further polarized and, to analyze the three-dimensional infrared scattering of the object , the polarization of this incident radiation and the polarization of this scattered radiation are also varied, the scattered radiation is measured, as a function of the values of the polarization of the incident radiation, of the polarization of the scattered radiation, of the scattering angle and possibly the angle of incidence and the measurements are processed to obtain the desired properties of the object. The present invention also relates to a device for analyzing the three-dimensional infrared diffusion of an object, this device comprising
- une source de rayonnement infrarouge,- a source of infrared radiation,
- un miroir parabolique, la source étant prévue pour éclairer l'objet par un rayonnement infrarouge incident, par l'intermédiaire du miroir parabolique, suivant un angle d'incidence déterminé, ce miroir parabolique étant prévu pour réfléchir le rayonnement infrarouge incident vers l'objet, cet objet fournissant alors un rayonnement diffusé, le miroir parabolique étant en outre prévu pour réfléchir ce rayonnement diffusé,a parabolic mirror, the source being provided to illuminate the object by incident infrared radiation, by means of the parabolic mirror, at a determined angle of incidence, this parabolic mirror being provided for reflecting the incident infrared radiation towards the object, this object then providing scattered radiation, the mirror being further provided to reflect this scattered radiation,
- des moyens de détection du rayonnement diffusé suivant un angle de diffusion déterminé et - des moyens de variation de l'angle de diffusion et éventuellement de l'angle d'incidence, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre des premiers moyens de polarisation, prévus pour polariser le rayonnement incident, des deuxièmes moyens de polarisation, prévus pour polariser le rayonnement diffusé,- means for detecting the scattered radiation at a determined scattering angle; and - means for varying the scattering angle and possibly the angle of incidence, this device being characterized in that it further comprises first polarization means, provided for polarizing the incident radiation, second polarization means, provided for polarizing the scattered radiation,
- des moyens de commande des premiers et deuxièmes moyens de polarisation, prévus pour faire varier la polarisation de ce rayonnement incident et la polarisation de ce rayonnement diffusé, pour analyser la diffusion infrarouge tridimensionnelle de l'objet, et des moyens de traitement des signaux fournis par les moyens de détection, en fonction des valeurs de la polarisation du rayonnement incident, de la polarisation du rayonnement diffusé, de l'angle de diffusion et éventuellement de l'angle d'incidence, pour obtenir des propriétés recherchées de l'objet. Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les premiers moyens de polarisation comprennent un premier polariseur et une première lame quart d'onde, les deuxièmes moyens de polarisation comprennent un deuxième polariseur et une deuxième lame quart d'onde et les moyens de commande comprennent des moyens de rotation de ces première et deuxième lames quart d' onde .means for controlling the first and second polarization means, provided for varying the polarization of this incident radiation and the polarization of this scattered radiation, for analyzing the three-dimensional infrared diffusion of the object, and means for processing the signals supplied by the detection means, as a function of the values of the polarization of the incident radiation, of the polarization of the scattered radiation, of the scattering angle and possibly of the angle of incidence, in order to obtain desired properties of the object. According to a first particular embodiment of the device which is the subject of the invention, the first polarization means comprise a first polarizer and a first quarter-wave plate, the second polarization means comprise a second polarizer and a second quarter-wave plate and the control means include means for rotation of these first and second quarter wave blades.
Dans ce cas, les premier et deuxième polariseurs peuvent être choisis parmi les polariseurs rectilignes, les polariseurs circulaires et les polariseurs elliptiques.In this case, the first and second polarizers can be chosen from rectilinear polarizers, circular polarizers and elliptical polarizers.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, les premiers moyens de polarisation comprennent au moins une cellule de Pockels, les deuxièmes moyens de polarisation comprennent aussi au moins une cellule de Pockels et les moyens de commande sont prévus pour commander chaque cellule de Pockels.According to a second particular embodiment of the device which is the subject of the invention, the first polarization means comprise at least one Pockels cell, the second polarization means also comprise at least one Pockels cell and the control means are provided for controlling each Pockels cell.
Selon un mode de réalisation préféré du dispositif objet de l'invention, les premiers moyens de polarisation comprennent au moins deux cellules de Pockels, les deuxièmes moyens de polarisation comprennent aussi au moins deux cellules de Pockels et les moyens de commande sont prévus pour commander chaque cellule de Pockels.According to a preferred embodiment of the device which is the subject of the invention, the first polarization means comprise at least two Pockels cells, the second polarization means also comprise at least two Pockels cells and the control means are provided for controlling each Pockels cell.
De préférence, la source de rayonnement infrarouge comprend au moins un laser à émission infrarouge .Preferably, the infrared radiation source comprises at least one infrared emission laser.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,The present invention will be better understood on reading the description of exemplary embodiments given below, by way of purely indicative and in no way limiting, with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a schematic perspective view of a particular embodiment of the device which is the subject of the invention,
- la figure 2 est une vue schématique d'un exemple de moyens de polarisation que l'on peut utiliser dans le dispositif de la figure 1,FIG. 2 is a schematic view of an example of polarization means which can be used in the device of FIG. 1,
- la figure 3 est une vue schématique d'un autre exemple de moyens de polarisation que l'on peut aussi utiliser dans le dispositif de la figure 1, et - la figure 4 est une évaluation de la matrice de Mueller du miroir parabolique d'un dispositif conforme à l'invention.- Figure 3 is a schematic view of another example of polarization means that can also be used in the device of Figure 1, and - Figure 4 is an evaluation of the Mueller matrix of the parabolic mirror of a device according to the invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERSDETAILED PRESENTATION OF PARTICULAR EMBODIMENTS
L'exemple du dispositif objet de l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 1, est une installation de mesure polarisée de diffusion infrarouge tridimensionnelle. Cette installation permet d'étudier des échantillons de divers matériaux, tels que l'échantillon 2.The example of the device which is the subject of the invention, which is schematically represented in FIG. 1, is a polarized three-dimensional infrared diffusion measurement installation. This installation makes it possible to study samples of various materials, such as sample 2.
Cet échantillon 2 est placé sur un support 4. Ce dernier est pourvu de moyens de rotation qui sont symbolisés par la flèche 6 et permettent de faire tourner le support 4, et donc l'échantillon 2, autour d'un axe Z.This sample 2 is placed on a support 4. The latter is provided with rotation means which are symbolized by the arrow 6 and make it possible to rotate the support 4, and therefore the sample 2, around an axis Z.
Le support 4 est en outre pourvu de moyens de translation qui sont symbolisés par la flèche 7 et permettent de déplacer le support 4, et donc l'échantillon 2, suivant l'axe 2. Le dispositif de la figure 1 comprend aussi une source 8 de rayonnement infrarouge. Cette source comporte un laser à C02 10 qui permet de faire des mesures à une longueur d'onde de 10,6 μm.The support 4 is further provided with translation means which are symbolized by the arrow 7 and make it possible to move the support 4, and therefore the sample 2, along the axis 2. The device of FIG. 1 also includes a source 8 infrared radiation. This source includes a C0 2 10 laser which allows measurements to be made at a wavelength of 10.6 μm.
Dans l'exemple représenté, la source comporte en outre un laser à CO 12 qui permet de faire des mesures à une longueur d'onde de 5,4 μm. Une lame semi-transparente 14 permet d'obtenir un faisceau infrarouge 16 contenant le rayonnement de celui des deux lasers qui est en fonctionnement .In the example shown, the source also includes a CO 12 laser which makes it possible to make measurements at a wavelength of 5.4 μm. A semi-transparent plate 14 makes it possible to obtain an infrared beam 16 containing the radiation of that of the two lasers which is in operation.
Les lasers 10, 12 et la lame semi- transparente 14 sont agencés de façon que le faisceau 16 se propage dans un plan P qui est orthogonal à l'axe Z.The lasers 10, 12 and the semi-transparent plate 14 are arranged so that the beam 16 propagates in a plane P which is orthogonal to the axis Z.
Une partie de ce faisceau 16 est transmise par une autre lame semi-transparente 18 et captée par un détecteur 20, tel qu'un détecteur pyrométrique, destiné à mesurer la puissance du faisceau infrarouge 16.Part of this beam 16 is transmitted by another semi-transparent plate 18 and picked up by a detector 20, such as a pyrometric detector, intended to measure the power of the infrared beam 16.
L'autre partie de ce faisceau 16 est réfléchie par la lame semi-transparente 18. Elle est ensuite réfléchie par un miroir 22, suivant un axe X du plan P, puis traverse successivement un diaphragme réglable 24 et une lentille de focalisation 26 avant d'être réfléchie parallèlement à l'axe Z par un autre miroir 28. Le dispositif de la figure 1 comprend aussi un miroir parabolique 30. L'axe de ce miroir parabolique est l'axe Z et rencontre l'axe X en un point O. Ce miroir parabolique est placé au-dessus de l'échantillon 2 et la surface de cet échantillon est placée en son foyer (à l'aide des moyens de translation 7). Ce miroir 30 est prévu pour réfléchir vers l'échantillon 2 la lumière issue du miroir 28. Cet échantillon 2 reçoit ainsi, du miroir 30, un faisceau infrarouge 32 dont l'angle d'incidence, compté par rapport à l'axe Z, est noté θi .The other part of this beam 16 is reflected by the semi-transparent plate 18. It is then reflected by a mirror 22, along an axis X of the plane P, then successively passes through an adjustable diaphragm 24 and a focusing lens 26 before d be reflected parallel to the Z axis by another mirror 28. The device of FIG. 1 also includes a parabolic mirror 30. The axis of this parabolic mirror is the Z axis and meets the X axis at a point O This parabolic mirror is placed above the sample 2 and the surface of this sample is placed in its focus (using the translation means 7). This mirror 30 is provided for reflecting the light coming from the mirror towards the sample 2. This sample 2 thus receives, from the mirror 30, an infrared beam 32 whose angle of incidence, counted with respect to the axis Z, is noted θi.
Sous l'effet de son éclairement, l'échantillon 2 diffuse une lumière infrarouge. Cette dernière est réfléchie par le miroir 30 parallèlement à l'axe Z. Un autre miroir 34 est prévu pour capter un faisceau infrarouge 36, constituant une partie de la lumière diffusée, après réflexion de ce faisceau par le miroir 30, et pour réfléchir le faisceau qu'il capte suivant un axe Y du plan P. L'axe Y rencontre l'axe X au point O et fait un angle φ avec cet axe X.Under the effect of its illumination, sample 2 diffuses infrared light. The latter is reflected by the mirror 30 parallel to the axis Z. Another mirror 34 is provided for picking up an infrared beam 36, constituting part of the scattered light, after reflection of this beam by the mirror 30, and for reflecting the beam it receives along an axis Y of the plane P. The axis Y meets the axis X at the point O and makes an angle φ with this axis X.
Le faisceau 36, qui est diffusé par l'échantillon 2, fait un angle de diffusion θr avec l'axe Z. De plus, le plan PI, contenant l'axe Z et l'axe du faisceau 32, fait l'angle φ avec le plan P2 , contenant l'axe Z et l'axe du faisceau 36.The beam 36, which is scattered by the sample 2, makes a scattering angle θr with the axis Z. In addition, the plane PI, containing the axis Z and the axis of the beam 32, makes the angle φ with the plane P2, containing the axis Z and the axis of the beam 36.
Le faisceau infrarouge 38, réfléchi par le miroir 34 suivant l'axe Y, est focalisé par une lentille 40 sur un détecteur de rayonnement infrarouge 42, par exemple un détecteur à base de HgCdTe . La lentille 26 et le miroir 28 sont fixés sur un bâti 44. Un moteur pas-à-pas, symbolisé par la flèche 46, permet le déplacement de ce bâti en translation suivant l'axe X pour faire varier l'angle θi. On précise que la lentille 26 est une lentille de pré-focalisation, permettant l'arrivée, sur l'échantillon 2, d'un faisceau à rayons parallèles au lieu d'un faisceau focalisé.The infrared beam 38, reflected by the mirror 34 along the Y axis, is focused by a lens 40 on an infrared radiation detector 42, for example a detector based on HgCdTe. The lens 26 and the mirror 28 are fixed to a frame 44. A stepping motor, symbolized by the arrow 46, allows the displacement of this frame in translation along the axis X to vary the angle θi. It is specified that the lens 26 is a pre-focusing lens, allowing the arrival, on sample 2, of a beam with parallel rays instead of a focused beam.
Le miroir 34, la lentille 40, et le détecteur 42 sont fixés sur un bâti 48. Un moteur, pas- à-pas, symbolisé par la flèche 50, permet le déplacement de ce bâti en translation suivant l'axe Y pour sélectionner un autre faisceau diffusé par l'échantillon.The mirror 34, the lens 40, and the detector 42 are fixed to a frame 48. A stepping motor, symbolized by the arrow 50, allows the displacement of this frame in translation along the Y axis to select a another beam scattered by the sample.
Un autre moteur pas-à-pas, symbolisé par la flèche 52, permet de faire tourner le bâti 48, et donc l'axe Y, autour de l'axe Z, et par conséquent de faire varier l'angle φ.Another stepping motor, symbolized by the arrow 52, makes it possible to rotate the frame 48, and therefore the Y axis, around the Z axis, and consequently to vary the angle φ.
On peut donc faire varier l'angle θr par translation du bâti 48 suivant l'axe Y et/ou rotation de ce bâti autour de l'axe Z.We can therefore vary the angle θr by translating the frame 48 along the Y axis and / or rotating this frame around the Z axis.
Le dispositif de la figure 1 comprend aussi des moyens 54 de commande des moteurs pas-à-pas, des moyens 56 d'amplification du signal fourni par le détecteur 42, - un hacheur (« chopper ») 58, qui est placé sur la trajectoire du faisceau réfléchi par la lame semi-transparente 18, etThe device of FIG. 1 also comprises means 54 for controlling the stepping motors, means 56 for amplifying the signal supplied by the detector 42, a chopper 58 which is placed on the trajectory of the beam reflected by the semi-transparent plate 18, and
- un modulateur 60, par exemple dans la gamme de fréquences [10 Hz ;1000 Hz], qui commande ce hacheur.- a modulator 60, for example in the frequency range [10 Hz; 1000 Hz], which controls this chopper.
Sur la figure 1, on voit aussi des moyens électroniques et informatiques 62 prévus pourFIG. 1 also shows electronic and computer means 62 provided for
- commander le dispositif (en particulier les moyens 54 de commande des moteurs pas-à-pas) , - acquérir les mesures faites avec ce dispositif, - stocker les résultats de ces mesures et- controlling the device (in particular the means 54 for controlling the stepping motors), - acquiring the measurements made with this device, - store the results of these measurements and
- exploiter ces résultats.- exploit these results.
Ces moyens 62 reçoivent en particulier les signaux fournis par le détecteur 20 et par l'amplificateur 56 et coopèrent avec le modulateur et le hacheur pour permettre la détection synchrone des signaux fournis par le détecteur 42, afin d'en éliminer des bruits parasites, dus en particulier à l'émission infrarouge de l'échantillon 2. Conformément à la présente invention, le dispositif comprend en outre des moyens 64 de commande de la polarisation du faisceau incident 32 que l'on envoie sur l'échantillon 2 et - des moyens 66 de commande de la polarisation du faisceau diffusé 36 que reçoit le détecteur 42.These means 62 receive in particular the signals supplied by the detector 20 and by the amplifier 56 and cooperate with the modulator and the chopper to allow synchronous detection of the signals supplied by the detector 42, in order to eliminate parasitic noises, due in particular to the infrared emission of the sample 2. In accordance with the present invention, the device further comprises means 64 for controlling the polarization of the incident beam 32 which is sent to the sample 2 and - means 66 for controlling the polarization of the scattered beam 36 that the detector 42 receives.
Les moyens 64 sont par exemple placés sur le trajet du faisceau 16, avant la lame semi- transparente 18, tandis que les moyens 66 sont placés sur le trajet du faisceau 38, sur le bâti 48, entre la lentille 40 et le détecteur 42.The means 64 are for example placed on the path of the beam 16, before the semi-transparent plate 18, while the means 66 are placed on the path of the beam 38, on the frame 48, between the lens 40 and the detector 42.
On précise que les réglages de ces moyensIt is specified that the adjustments of these means
64 et 66 ne sont pas nécessairement identiques : la polarisation du faisceau incident 32 et la polarisation du faisceau diffusé 36 (après passage dans les moyens64 and 66 are not necessarily identical: the polarization of the incident beam 32 and the polarization of the scattered beam 36 (after passing through the means
66) peuvent être différentes l'une de l'autre.66) may be different from each other.
Le dispositif de la figure 1 permet d'envisager un grand nombre d'états de polarisation du faisceau incident et, indépendamment de ceux-ci, un grand nombre d'états de polarisation du faisceau diffusé .The device of FIG. 1 makes it possible to envisage a large number of polarization states of the incident beam and, independently of these, a large number of polarization states of the scattered beam.
Sur la figure 2, on a représenté un premier exemple des moyens de commande de polarisation 64 et 66.FIG. 2 shows a first example of the polarization control means 64 and 66.
Dans cet exemple, les moyens 64 ou 66 comprennent un polariseur linéaire 68 ou 70 et une lame quart d'onde 72 ou 74 qui est mobile en rotation autour de l'axe du faisceau que le polariseur polarise. Ce polariseur 68 ou 70, qui est associé à la lame quart d'onde 72 ou 74, peut précéder cette dernière .In this example, the means 64 or 66 comprise a linear polarizer 68 or 70 and a quarter-wave plate 72 or 74 which is movable in rotation around the axis of the beam that the polarizer polarizes. This polarizer 68 or 70, which is associated with the quarter-wave plate 72 or 74, can precede the latter.
On voit aussi sur la figure 2 des moyens 76 ou 78 de commande de la rotation de la lame quart d'onde 72 ou 74, ces moyens 76 et 78 étant eux-mêmes commandés par les moyens électroniques 62.FIG. 2 also shows means 76 or 78 for controlling the rotation of the quarter-wave plate 72 or 74, these means 76 and 78 being themselves controlled by the electronic means 62.
Sur la figure 3, on a représenté un deuxième exemple des moyens de commande de polarisation 64 et 66. Dans ce deuxième exemple, les moyens 64 et les moyens 66 comprennent au moins une cellule de Pockels commandée par des moyens permettant d'en faire varier la fréquence .In FIG. 3, a second example of the polarization control means 64 and 66 has been shown. In this second example, the means 64 and the means 66 comprise at least one Pockels cell controlled by means making it possible to vary them. frequency .
De préférence, comme on le voit sur la figure 3, ces moyens comprennent plusieurs cellules de Pockels. Par exemple, les moyens 64 comprennent deux cellules de Pockels 80,82 et les moyens 66 comprennent deux autres cellules de Pockels 84,86. Des moyens 88 de commande de toutes ces cellules de Pockels, destinés à faire varier la fréquence temporelle de chaque cellule de Pockels, sont également prévus. En effet, le traitement des signaux fournis par l'amplificateur 56 nécessite généralement plus d'une fréquence pour être satisfaisant, notamment dans le cas où il s'agit d'un traitement par transformée de Fourier inverse.Preferably, as can be seen in FIG. 3, these means comprise several Pockels cells. For example, the means 64 comprise two Pockels cells 80,82 and the means 66 comprise two other Pockels cells 84,86. Means 88 for controlling all these Pockels cells, intended to vary the time frequency of each Pockels cell, are also provided. Indeed, the processing of the signals supplied by the amplifier 56 generally requires more than one frequency to be satisfactory, in particular in the case where it is a processing by inverse Fourier transform.
Ce dernier nécessite au moins quatre fréquences pour être satisfaisant et l'on dispose bien de quatre fréquences si l'on utilise quatre cellules de Pockels. Pour analyser l'échantillon 2 avec le dispositif de la figure 1, on dispose donc des paramètres suivants :The latter requires at least four frequencies to be satisfactory and there are indeed four frequencies if four Pockels cells are used. To analyze sample 2 with the device in Figure 1, we therefore have the following parameters:
Xl=pl : polarisation du faisceau incident X2=p2 : polarisation du faisceau diffusé X3=θi : angle d'incidence du faisceau incidentXl = pl: polarization of the incident beam X2 = p2: polarization of the scattered beam X3 = θi: angle of incidence of the incident beam
X4=φ : angle entre les axes X et Y X5=θr : angle de diffusion du faisceau diffusé. On souhaite faire varier ces paramètres respectivement dans des intervalles prédéfinis, chaque paramètre prenant Ni valeurs dans l'intervalle qui lui correspond, pour i allant de 1 à 5.X4 = φ: angle between the X and Y axes X5 = θr: scattering angle of the scattered beam. We wish to vary these parameters respectively in predefined intervals, each parameter taking Ni values in the interval which corresponds to it, for i ranging from 1 to 5.
On mesure alors le signal S fourni par le détecteur 42 pour chacune des N=NlxN2x 3xN4xN5 combinaisons possibles des valeurs des paramètres et l'on obtient ainsi N valeurs de S que l'on stocke dans les moyens électroniques 62 et que l'on traite ensuite pour déterminer les propriétés recherchées de l ' échantillon 2 . Cependant, il convient de noter qu'en pratique on préfère travailler à X3=θi donné.The signal S supplied by the detector 42 is then measured for each of the N = NlxN2x 3xN4xN5 possible combinations of the values of the parameters and thus N values of S are obtained which are stored in the electronic means 62 and which are processed then to determine the desired properties of sample 2. However, it should be noted that in practice we prefer to work at X3 = θi given.
Le dispositif conforme à l'invention, que l'on vient de décrire, permet d'effectuer une analyse optique très poussée des propriétés de diffusion d'un échantillon de matériau donné. Cette analyse, de type polarimétrique, permet de caractériser de façon exhaustive les capacités de réponse optique d'un revêtement donné que 1 ' on éclaire par une lumière infrarouge.The device according to the invention, which has just been described, makes it possible to carry out a very thorough optical analysis of the diffusion properties of a sample of given material. This polarimetric analysis makes it possible to characterize exhaustively the optical response capacities of a given coating which is illuminated by infrared light.
Cette réponse optique est une donnée essentielle pour évaluer la signature infrarouge d'un objet ayant un tel revêtement.This optical response is essential data for evaluating the infrared signature of an object having such a coating.
Elle permet également d'accéder à des informations sur la composition de la surface de ce revêtement, notamment en ce qui concerne les propriétés diélectriques du matériau, à la longueur d'onde de la source d'éclairement infrarouge, et des données microgéométriques telles que des paramètres représentatifs des défauts du matériau.It also makes it possible to access information on the composition of the surface of this coating, in particular as regards the dielectric properties of the material, at the wavelength of the infrared illumination source, and microgeometric data such as parameters representative of material defects.
Ce dispositif conforme à l'invention permet d'acquérir les propriétés optiques polarimétriques grâce àThis device according to the invention makes it possible to acquire polarimetric optical properties thanks to
1) une détection "déplaçable" dans le demi- espace qui surplombe la surface de l'échantillon étudié, de façon à effectuer des mesures en trois dimensions selon des directions issues de l'échantillon, chaque direction étant définie par un couple (angle azimutal ; angle zénithal) et 2) la maîtrise des propriétés de polarisation des faisceaux incident et diffusé par 1 'échantillon.1) a "movable" detection in the half-space which overhangs the surface of the studied sample, so as to carry out measurements in three dimensions according to directions coming from the sample, each direction being defined by a couple (azimuthal angle ; zenith angle) and 2) control of the polarization properties of the incident and scattered beams by the sample.
L'utilisation d'un miroir parabolique métallique, faiblement polarisant dans l'infrarouge, permet de combiner ces deux points.The use of a metallic parabolic mirror, weakly polarizing in the infrared, makes it possible to combine these two points.
On donne ci-après des précisions sur la présente invention.Details of the present invention are given below.
Une description complète des propriétés de diffusion d'une structure, pour un état de polarisation incident quelconque, est intéressante à plusieurs titres. Typiquement, dans le cas d'optiques diffractives (lames dont l'épaisseur est une fraction de la longueur d'onde, multicouches, réseaux, nouvelles structures nanomêtriques périodiques,...) , les états de polarisation incident et réfléchi peuvent être très différents. Par ailleurs, depuis plusieurs années, l'analyse polarimétrique d'une structure dans le domaine de l'optique fait l'objet d'études approfondies. Les applications vont de la télédétection militaire ou civile, jusqu'à la détection et au contrôle de la contamination en microélectronique ou en optique laser.A complete description of the diffusion properties of a structure, for any incident polarization state, is interesting for several reasons. Typically, in the case of diffractive optics (plates whose thickness is a fraction of the wavelength, multilayers, gratings, new periodic nanometric structures, ...), the incident and reflected polarization states can be very different . In addition, for several years, the polarimetric analysis of a structure in the field of optics has been the subject of in-depth studies. Applications range from military or civilian remote sensing to the detection and control of contamination in microelectronics or laser optics.
La description complète des propriétés de diffusion d'une structure, que l'on veut étudier à l'aide du dispositif objet de l'invention, nécessite l'exploitation du formalisme des vecteurs de Stokes et des matrices de Mueller. Ces grandeurs s'expriment à partir des intensités, qui sont mesurables. Le vecteur de Stokes possèdent quatre composantes et non deux, à savoir :
Figure imgf000020_0001
The complete description of the properties of diffusion of a structure, which one wants to study using the device object of the invention, requires the exploitation of the formalism of the vectors of Stokes and the matrixes of Mueller. These quantities are expressed from the intensities, which are measurable. The Stokes vector have four components and not two, namely:
Figure imgf000020_0001
Ces quatre composantes I, Q, U et V s'expriment en fonction des amplitudes (a,b) du champ ainsi que du déphasage ~ y — φ& , selon les formules suivantes :These four components I, Q, U and V are expressed as a function of the amplitudes (a, b) of the field as well as of the phase shift ~ y - φ &, according to the following formulas:
I = a2+b2=EpEp *+EsEs * (7a)I = a 2 + b 2 = E p E p * + E s E s * (7a)
**
Q = a2-b2=E pDE^p ESES (7b)Q = a 2 -b 2 = E p D E ^ p E S E S (7b)
U = 2abcos(φ) = EpEs+EsEp (7c)U = 2abcos (φ) = E p E s + E s E p (7c)
V = 2ab sin(φ) = i(EpEs * - EsEρ ) <7d)V = 2ab sin (φ) = i (E p E s * - E s E ρ ) <7d)
Ce vecteur peut donc représenter de façon complète le vecteur champ électrique . Les quatre composantes I, Q, U, N peuvent également s'exprimer en fonction des intensités, selon les formules suivantes :This vector can therefore completely represent the electric field vector. The four components I, Q, U, N can also be expressed as a function of the intensities, according to the following formulas:
Figure imgf000020_0002
Figure imgf000020_0002
Q = ι//-ι X (8b)Q = ι // -ι X (8b)
Figure imgf000020_0003
r==I cd~Ecg (8d)
Figure imgf000020_0003
r == I cd ~ E cg (8d)
I représente l'intensité totale, Q la différence d'intensité suivant les deux polarisations rectilignes principales (TE et TM) , U la différence d'intensité suivant deux polarisations rectilignes à 45° et V la différence entre les deux composantes de polarisation circulaire droite et circulaire gauche. Le passage d'un vecteur de Stokes incidentI represents the total intensity, Q the intensity difference according to the two main rectilinear polarizations (TE and TM), U the intensity difference according to two rectilinear polarizations at 45 ° and V the difference between the two components of right circular polarization and left circular. The passage of an incident Stokes vector
S à un vecteur de Stokes diffusé S' se fait grâce à une matrice M appelée matrice de Mueller de l'échantillon étudiéS to a diffused Stokes vector S 'is made thanks to a matrix M called Mueller matrix of the studied sample
S' = MS ( S ) ou encore :S '= MS (S) or also:
Figure imgf000021_0001
Figure imgf000021_0001
Cette matrice est une matrice 4x4 qui a donc seize éléments. Ces seize éléments sont des intensités et non des champs. Chacune de ces composantes représente l'intensité diffusée dans une polarisation pour une polarisation incidente (rectiligne ou circulaire). Toute l'information nécessaire pour une étude polarimétrique se trouve contenue dans la matrice de Mueller. C'est donc cette quantité que l'on mesure.This matrix is a 4x4 matrix which therefore has sixteen elements. These sixteen elements are intensities and not fields. Each of these components represents the intensity diffused in a polarization for an incident polarization (straight or circular). All the information necessary for a polarimetric study is contained in the Mueller matrix. It is therefore this quantity that we measure.
Du fait que tout état de polarisation peut être décomposé selon deux états de polarisation rectilignes (p et s) , on montre que les coefficients de la matrice de Mueller s'expriment en fonction des quatre coefficients de la matrice de Jones Epp, Esa, Epa et E s, p -Because any polarization state can be broken down into two rectilinear polarization states (p and s), we show that the coefficients of the Mueller matrix are expressed as a function of the four coefficients of the Jones matrix E pp , E sa , E pa and E s, p -
On peut notamment évaluer la matrice de Mueller d'un miroir plan d'aluminium dans le visible et l'infrarouge, ce miroir plan correspondant aux portions du miroir parabolique exploitées dans un dispositif conforme à l'invention, par exemple le dispositif qui est représenté sur la figure 1. En fonction des configurations angulaires d'incidence et de réflexion sur l'échantillon, l'angle d'incidence sur la portion de miroir parabolique varie de 5° à 45°. Cette matrice de Mueller MMP a ainsi la forme suivante :One can in particular evaluate the Mueller matrix of a plane mirror of aluminum in the visible and the infrared, this plane mirror corresponding to the portions of the parabolic mirror used in a device according to the invention, for example the device which is shown in Figure 1. Depending on the angular configurations of incidence and reflection on the sample, the angle of incidence on the parabolic mirror portion varies from 5 ° to 45 °. This Mueller M MP matrix has the following form:
La matrice de Mueller MgCh de l'échantillon est liée à la matrice de Mueller du miroir paraboliqueThe Mueller matrix Mg C h of the sample is linked to the Mueller matrix of the parabolic mirror
MMP et aux vecteurs de Stokes incident S et diffusé *S" par :M MP and to incident Stokes vectors S and scattered * S "by:
S' = MMPM^MMP S ( 12 ) d' où sHS '= MMPM ^ MMP S (12) hence sH
Méch ≈ iMMpY'siMMp S) (13)M ≈ exp iM pY'siM M M p S) (13)
On en déduit que l'utilisation d'un miroir parabolique est parfaitement compatible avec la méthode d'analyse polarimétrique proposée dans la présente invention. L'intérêt du miroir parabolique est d'effectuer cette étude polarimétrique en trois dimensions.We deduce that the use of a parabolic mirror is perfectly compatible with the polarimetric analysis method proposed in the present invention. The interest of the parabolic mirror is to carry out this polarimetric study in three dimensions.
La figure 4 est une évaluation de la matrice de Mueller MMP du miroir parabolique du dispositif conforme à l'invention. Les coefficients triij sont représentés sous forme matricielle (voir la formule (11)). En abscisse, on a l'angle d'incidence local sur le miroir parabolique. Les résultats sont donnés pour les longueurs d'onde : 10,6 μm (courbe R) , 5,4 μm (courbe V, quasiment confondue avec la courbe R) et 0,633 μm (courbe B) . FIG. 4 is an evaluation of the Mueller M MP matrix of the parabolic mirror of the device according to the invention. The coefficients trii j are represented in matrix form (see formula (11)). On the abscissa, we have the local angle of incidence on the parabolic mirror. The results are given for the wavelengths: 10.6 μm (curve R), 5.4 μm (curve V, almost identical to the curve R) and 0.633 μm (curve B).

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'analyse de la diffusion infrarouge tridimensionnelle d'un objet (2) , procédé dans lequel - on éclaire cet objet par un rayonnement infrarouge incident (32), par l'intermédiaire d'un miroir parabolique (30), suivant un angle d'incidence déterminé (θi) , ce miroir parabolique étant prévu pour réfléchir le rayonnement infrarouge incident vers l'objet, cet objet fournissant alors un rayonnement diffusé, le miroir parabolique étant en outre prévu pour réfléchir ce rayonnement diffusé, on mesure le rayonnement diffusé (36) suivant un angle de diffusion déterminé (θr) et - on fait varier l'angle de diffusion et éventuellement l'angle d'incidence, ce procédé étant caractérisé en ce que l'on polarise en outre le rayonnement incident et le rayonnement diffusé et, pour analyser la diffusion infrarouge tridimensionnelle de l'objet, on fait en outre varier la polarisation de ce rayonnement incident et la polarisation de ce rayonnement diffusé, on mesure le rayonnement diffusé, en fonction des valeurs de la polarisation du rayonnement incident, de la polarisation du rayonnement diffusé, de l'angle de diffusion et éventuellement de l'angle d'incidence et l'on traite les mesures pour obtenir des propriétés recherchées de l'objet. 1. Method for analyzing the three-dimensional infrared diffusion of an object (2), method in which - this object is illuminated by incident infrared radiation (32), by means of a parabolic mirror (30), according to a determined angle of incidence (θi), this parabolic mirror being provided for reflecting the incident infrared radiation towards the object, this object then providing a scattered radiation, the parabolic mirror being also provided for reflecting this scattered radiation, the scattered radiation (36) according to a determined scattering angle (θr) and - the scattering angle and possibly the angle of incidence are varied, this process being characterized in that the incident radiation is further polarized and the scattered radiation and, to analyze the three-dimensional infrared scattering of the object, the polarization of this incident radiation and the polarization of this scattered radiation are also varied, we measure the scattered radiation, as a function of the values of the polarization of the incident radiation, of the polarization of the scattered radiation, of the scattering angle and possibly of the angle of incidence and the measurements are processed to obtain desired properties of the object.
2. Dispositif d'analyse de la diffusion infrarouge tridimensionnelle d'un objet (2) , ce dispositif comprenant2. Device for analyzing the three-dimensional infrared diffusion of an object (2), this device comprising
- une source (8) de rayonnement infrarouge, - un miroir parabolique (30) , la source étant prévue pour éclairer l'objet par un rayonnement infrarouge incident (32), par l'intermédiaire du miroir parabolique, suivant un angle d'incidence déterminé- a source (8) of infrared radiation, - a parabolic mirror (30), the source being provided to illuminate the object by incident infrared radiation (32), via the parabolic mirror, at an angle of incidence determined
(θi) , ce miroir parabolique étant prévu pour réfléchir le rayonnement infrarouge incident vers l'objet, cet objet fournissant alors un rayonnement diffusé, le miroir parabolique étant en outre prévu pour réfléchir ce rayonnement diffusé, des moyens (42) de détection du rayonnement diffusé (36) suivant un angle de diffusion déterminé (θr) et(θi), this parabolic mirror being provided for reflecting the incident infrared radiation towards the object, this object then providing scattered radiation, the parabolic mirror being further provided for reflecting this scattered radiation, means (42) for detecting the radiation scattered (36) at a determined scattering angle (θr) and
- des moyens (46, 50, 52) de variation de l'angle de diffusion et éventuellement de l'angle d' incidence, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre- Means (46, 50, 52) for varying the scattering angle and possibly the angle of incidence, this device being characterized in that it further comprises
- des premiers moyens de polarisation (68- 72, 80-82), prévus pour polariser le rayonnement incident, - des deuxièmes moyens de polarisation (70-- first polarization means (68-72, 80-82), provided for polarizing the incident radiation, - second polarization means (70-
74, 84-86), prévus pour polariser le rayonnement diffusé,74, 84-86), intended to polarize the scattered radiation,
- des moyens (76-78, 88) de commande des premiers et deuxièmes moyens de polarisation, prévus pour faire varier la polarisation de ce rayonnement incident et la polarisation de ce rayonnement diffusé, pour analyser la diffusion infrarouge tridimensionnelle de 1 ' objet, etmeans (76-78, 88) for controlling the first and second polarization means, provided for varying the polarization of this incident radiation and the polarization of this scattered radiation, to analyze the three-dimensional infrared scattering of the object, and
- des moyens (62) de traitement des signaux fournis par les moyens de détection en fonction des valeurs de la polarisation du rayonnement incident, de la polarisation du rayonnement diffusé, de l'angle de diffusion et éventuellement de l'angle d'incidence, pour obtenir des propriétés recherchées de l'objet.means (62) for processing the signals supplied by the detection means as a function of the values of the polarization of the incident radiation, the polarization of the scattered radiation, the scattering angle and possibly the angle of incidence, to obtain desired properties of the object.
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les premiers moyens de polarisation comprennent un premier polariseur (68) et une première lame quart d'onde (72), les deuxièmes moyens de polarisation comprennent un deuxième polariseur (70) et une deuxième lame quart d'onde (74) et les moyens de commande (76, 78) comprennent des moyens de rotation de ces première et deuxième lames quart d'onde.3. Device according to claim 2, in which the first polarization means comprise a first polarizer (68) and a first quarter wave plate (72), the second polarization means comprise a second polarizer (70) and a second blade quarter wave (74) and the control means (76, 78) comprise means for rotating these first and second quarter wave blades.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les premier et deuxième polariseurs (68,4. Device according to claim 3, in which the first and second polarizers (68,
70) sont choisis parmi les polariseurs rectilignes, les polariseurs circulaires et les polariseurs elliptiques.70) are chosen from rectilinear polarizers, circular polarizers and elliptical polarizers.
5. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les premiers moyens de polarisation comprennent au moins une cellule de Pockels (80-82) , les deuxièmes moyens de polarisation comprennent aussi au moins une cellule de Pockels (84-86) et les moyens de commande (88) sont prévus pour commander chaque cellule de Pockels. 5. Device according to claim 2, in which the first polarization means comprise at least one Pockels cell (80-82), the second polarization means also comprise at least one Pockels cell (84-86) and the means for control (88) are provided to control each Pockels cell.
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les premiers moyens de polarisation comprennent au moins deux cellules de Pockels (80-82) , les deuxièmes moyens de polarisation comprennent aussi au moins deux cellules de Pockels (84-86) et les moyens de commande (88) sont prévus pour commander chaque cellule de Pockels.6. Device according to claim 5, in which the first polarization means comprise at least two Pockels cells (80-82), the second polarization means also comprise at least two Pockels cells (84-86) and the means for control (88) are provided to control each Pockels cell.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel la source de rayonnement infrarouge (8) comprend au moins un laser à émission infrarouge (10, 12) . 7. Device according to any one of claims 2 to 6, wherein the infrared radiation source (8) comprises at least one infrared emission laser (10, 12).
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