Conception d'un interféromètre à diffraction ponctuelle

Dans cet exposé technique, nous allons nous plonger un peu plus profondément dans la conception d'un interféromètre à diffraction ponctuelle, ou PDI en abrégé. Nous en avons parlé un peu superficiellement lors d'un précédent exposé technique, mais cette fois-ci, il devrait y avoir suffisamment d'informations pour tous ceux qui envisagent d'en construire un. Cette application est bien supportée par la plateforme WaveMe qui abaisse le seuil à un minimum absolu pour ceux qui sont intéressés par l'exploration de cette technologie.

Le PDI n'est pas un outil générique. Il contient des éléments adaptés à l'ouverture numérique et aux distances focales du système dans lequel il fonctionne. Cela dit, il peut être utilisé pour d'autres conceptions qui partagent certains paramètres, mais pas tous. Ainsi, par exemple, pour deux systèmes télécentriques dont le groupe arrière a la même longueur focale mais une ouverture numérique différente, si le trou d'épingle (PH) est suffisamment petit pour la plus grande ouverture numérique, l'interféromètre fonctionnera pour la plus petite ouverture, mais avec un contraste plus faible. Cependant, les exigences en matière de contraste sont plutôt bénignes lorsque l'interféromètre est complété par la technique de déphasage et, très probablement, les résultats resteront très bons. Un PDI bien conçu atteindra une précision de λ/300 (RMS), de sorte qu'il y aura de la précision à revendre dans la plupart des cas.

Les pièces

Un PDI à déphasage (ou à saut de phase) se compose de trois éléments principaux : un actionneur, un réseau de transmission grossier et une plaque PDI ou un masque de diffraction. En fonction de la source de lumière, un trou d'épingle (PH) supplémentaire peut être nécessaire pour générer un front d'onde de référence sans aberration afin d'éclairer l'optique testée, mais une fibre monomode, si son ouverture numérique est suffisamment grande, est également une très bonne source si le couplage de la fibre est bien fait.

Le dessin ci-dessus ne montre qu'une des nombreuses possibilités d'organiser le déphasage, en plaçant le réseau dans le plan de Fourier du système. Le réseau peut être placé comme dernier élément avant la plaque PDI, comme cela a été montré dans les images d'un précédent exposé technique, ou il peut même faire partie de l'éclairage de référence, qui devient alors un éclairage de référence à deux PH si l'on veut éviter, ou si l'on ne peut pas, placer quoi que ce soit à l'intérieur du système optique lui-même.

La plaque PDI peut être agencée de bien d'autres façons, surtout si l'on veut obtenir une conception plus souple, mais comme il s'agit ici d'un exposé technique sur les principes, c'est la plus simple qui est présentée.

Résolution spatiale

Si nous examinons le système optique entre le réseau et le plan d'image de l'optique de projection d'ouverture, il existe un autre système 4F avec la plaque PDI avec son PH et la fenêtre de test (ou ouverture de test) dans le plan de Fourier, et nous pouvons en conclure que la taille de la fenêtre de test détermine la résolution optique de l'interféromètre. Cela détermine la netteté de l'ouverture de notre système testé sur la caméra, qui se trouve dans le plan image de l'optique de projection de l'ouverture, et les petites caractéristiques du front d'onde que nous pouvons résoudre.

Il y a des choix à faire ici. Si nous agrandissons la fenêtre de test, les queues du spot éclairant le PH au centre deviendront de plus en plus visibles à travers la fenêtre de test. Si nous la réduisons, nous perdons en résolution. En règle générale, il est bon de fixer le diamètre de cette ouverture à la distance entre les ordres de diffraction du réseau projeté. Certaines interférences seront visibles, mais si l'on s'intéresse à la cartographie des aberrations sur les polynômes de Zernike, des résultats précis peuvent être obtenus avec ce choix.

La plaque PDI n'est pas un article disponible dans le commerce, mais les trous d'épingle le sont et l'ajout de l'ouverture de test à un PH standard de taille appropriée peut même se faire par perçage, mais il y a beaucoup d'autres possibilités. Si la plaque PDI est imprimée sur du chrome, une densité optique (DO) d'au moins 5 est nécessaire, ce qui est supérieur à ce que l'on peut attendre des masques standard qui ont au mieux une DO de 4 ou typiquement une DO de 3, ce qui est insuffisant. Les trous d'épingle de précision de Thorlabs, Edmund Optics et plusieurs autres sources peuvent être obtenus jusqu'à 1 μm. Si le diamètre souhaité du PH,

ne peut être trouvé, il faut envisager de mesurer le système dans la direction opposée, si le grossissement n'est pas de 1, et utiliser le plus grand diamètre qui est encore plus petit que le diamètre ci-dessus pour le PH de référence. Les textes standard comporteraient un facteur de 0,5 là où j'ai mis 0,4. L'effet n'est pas très important mais, en fonction de l'aberration, d'innombrables simulations montrent que ce choix est moins susceptible de donner des résultats en dehors de la précision attendue.

Nous parlons ici de petites probabilités, comme une mesure sur mille, mais si l'objectif est une précision élevée et fiable, 0,4 semble être un meilleur choix. En règle générale, le diamètre du PH sera à peu près le même que la résolution limitée par la diffraction du système, qui est un nombre généralement bien gravé dans l'esprit d'un concepteur optique.

Avant de pouvoir commencer une mesure, les trous d'épingle doivent être alignés sur les taches diffractées. Voici une liste à suivre,

1. Identifiez l'ordre 0 par sa puissance. C'est le plus fort. Nous supposons ici que la lumière passera par l'ouverture de test.
2. Déplacer le point du 0e ordre vers le bord le plus proche du pinole.
3. Utilisez la technique du couteau de Foucalt pour mettre au point la plaque PDI. L'optique de projection d'ouverture est déjà parfaitement configurée à cet effet.
4. Traduire la PH (avec son optique de projection) à la distance nominale entre le bord et le centre de la PH. Cette distance n'est pas toujours bien connue la première fois, mais il est utile de s'en souvenir une fois qu'elle est connue.
5. Maximiser le contraste des franges pour s'assurer que les foucs et le centrage sont corrects.

L'étape de vérification à l'aide du test de Foucault est très intéressante et fournit souvent un premier indice sur l'aberration du système. On peut, par exemple, identifier l'astigmatisme jusqu'à 0,1 onde avec un peu d'entraînement. Dans l'application pratique de l'IPD, il n'est généralement pas nécessaire d'effectuer toutes les étapes de la liste, mais au moins à chaque fois que le système testé est échangé. Après cela, il suffit généralement de connaître la magfinication et de déplacer la source et le PH (ou plutôt l'ensemble de l'optique de projection d'ouverture qui doit être monté sur une base mécanique commune) à leurs positions nominales et d'effectuer les réglages fins une fois qu'ils sont là.

Un dernier mot à propos de la plaque PDI : si vous avez vraiment bien aligné tous les éléments, il y aura souvent un reflet de l'appareil photo vers le PH. Assurez-vous que le côté faisant face à l'appareil photo est noir ou ajoutez une plaque quart d'onde et un polariseur linéaire devant l'appareil photo. Un marqueur noir appliqué au dos de la PH peut améliorer les résultats de manière significative. Ce n'est pas toujours facile à voir dans les résultats mesurés, donc s'assurer que la face arrière est noire est un moyen simple de ne pas avoir à s'en préoccuper.

Le grillage

Le réseau doit faire l'objet d'une certaine attention (technique). Après tout, c'est le cœur de la partie déphasage de l'interféromètre puisqu'il assure à la fois la division du faisceau et le déphasage. Étant donné que la précision visée pour cet interféromètre est assez élevée, la rectitude des rainures et la précision de positionnement de l'actionneur (au sens large) doivent être d'environ 0,1 % de la période du réseau, bien que cela dépende de quelques facteurs tels que le fait que la fenêtre de test soit au 1er ou au 0e ordre, ou même qu'elle fasse partie d'une référence d'illumination d'un montage à deux PH. Il faut également veiller à ce que l'actionneur ne fasse pas tourner le réseau autour de l'axe optique. En général, c'est la spécification du pas qu'il faut surveiller, alors que le lacet et l'inclinaison ne posent pas de problème pour un actionneur qui parvient à conserver le pas.

Dans l'image ci-dessus, le réseau est dans le plan donné par la direction de déplacement et la normale du plan de l'actionneur. En général, à moins que le réseau ne soit très petit, on ne trouvera pas d'actionneur dont les spécifications répondent aux exigences, et en toutes circonstances, le réseau doit être placé aussi près que possible de l'actionneur, mais ces spécifications s'appliquent toujours à l'ensemble de la plage de déplacement, alors que dans notre cas, nous n'utilisons généralement pas une si grande partie de la plage de déplacement, mais il faut garder un œil sur ce chiffre.

On peut détecter les problèmes potentiels en effectuant une mesure qui capture également le déphasage de 360°. Dans WaveMe, cette mesure est appelée mesure à 5 points. Elle permet d'annuler les erreurs de pas lorsque la normale à la surface de l'actionneur tourne autour d'un axe à une distance finie.

Pour être sûr que nous sommes tous sur la même longueur d'onde, le nombre de franges qui seront visibles sur la caméra est le même que le diamètre de l'ouverture du système multiplié par la fréquence du sillon, mais la question est maintenant de savoir combien nous devons en avoir. Si nous choisissons un nombre inférieur, la résolution du PDI sera plus faible, mais les faisceaux seront plus proches les uns des autres et les contributions d'erreur dérivées de la différence de chemin, typiquement dans la partie de projection de l'ouverture, seront plus faibles. Inversement, avec un réseau plus dense, la résolution augmentera et les erreurs liées à la différence entre les trajets augmenteront également. Or, ces erreurs peuvent être plus ou moins difficiles à éliminer par un étalonnage qui sera assez facile pour une mesure du 1er ordre et plus difficile pour une mesure du 0ème ordre. Si le groupe arrière de l'optique de projection d'ouverture est centré et aplanétique, ce problème disparaît dans une large mesure. Encore une fois, tout dépend de la précision visée.

Combien de rainures sur l'ouverture du système ? Il n'y a pas de règle stricte, mais 50 est un chiffre bas et 100 est peut-être un peu élevé. Comme toujours, cela dépend de ce que l'on recherche. Avec le nombre le plus bas, un singlet plan-convexe fonctionnera même entre le sténopé et la caméra, surtout si nous mesurons à travers le premier ordre et calibrons en isolant les deux faisceaux qui, autrement, passeraient par l'ouverture de test et le sténopé.

Référence à deux faisceaux

En ce qui concerne la précision, le réseau nécessite une certaine attention. Même lorsqu'il est imprimé sur une plaquette de silice fondue de haute qualité, il est possible que le manque de planéité empêche l'application d'atteindre la précision souhaitée. Pour les longueurs d'onde visibles et UV, un réseau en silicium monocristallin waver, gravé de part en part, permet d'éviter totalement ce problème, mais pour conserver la rectitude des rainures, les réseaux doivent être manipulés avec beaucoup de soin.

Une solution qui évite tous ces problèmes consiste à intégrer le processus de déphasage dans un éclairage PH à deux références, où le réseau fait désormais partie de l'éclairage. Toute l'information qui reste après le trou d'épingle est leur différence de phase mutuelle et le système testé reste intact pendant la mesure.

Quelques réflexions personnelles sur cette technologie

Mon expérience personnelle porte principalement sur les longueurs d'onde KrF (248nm) et 355nm. Ce que j'apprécie le plus lors du déploiement et de l'utilisation, c'est qu'il n'y a pas de "si" ou de "mais". L'optique, par nature, est sensible et cette sensibilité dépend généralement des dérives thermiques et mécaniques. Le trou d'épingle ne va pas changer, en particulier un trou d'épingle fabriqué sur une feuille d'acier inoxydable de 0,1 mm. On peut assembler cet interféromètre à partir de zéro et savoir que les résultats sont au moins précis aux milliwaves.

Lors du premier assemblage d'un système optique complexe, de nombreux matériaux et éléments physiques sont combinés pour produire le résultat souhaité. Les choses bougeront, avec la température et avec le temps, en raison du fluage des matériaux. La répétabilité de cet outil étant très bonne, il n'est pas nécessaire d'attendre une semaine pour que les problèmes potentiels se manifestent. On les verra le lendemain, au moins, et nous pouvons être sûrs que nos observations, si elles semblent changer, ne sont pas dues à l'interféromètre.

Bien qu'il s'agisse d'un outil principalement destiné à la région limitée par la diffraction et aux régions inférieures, il est utile pour les fronts d'onde plus aberrants, bien que, dans ces cas, on ne puisse prétendre à une précision de l'ordre du nanomètre. Il s'agit d'un outil haut de gamme pour les machines optiques très performantes, qui permet d'éviter les conjectures lors de l'évaluation des performances.