Le Décalage de Phase

La méthode du décalage de phase peut être utilisée pour parer aux problèmes inhérents à la méthode classique. Aujourd’hui la mesure de phase par interférométrie est devenue pratique. Deux développements majeurs des vingt dernières années y ont contribué: l’apparition des détecteurs solides et des microprocesseurs rapides. Si on utilise une matrice de détection (caméra CCD) pour enregistrer des franges et qu’une différence de phase connue est introduite entre les faisceaux utiles, la phase du front d’onde en chaque point peut être calculée à partir des intensités mesurées. Généralement les interférogrammes sont acquis en changeant la phase d’un des bras de l’interféromètre de façon connue. Les données sont transmises à un ordinateur qui calcule la phase en chaque point du détecteur. L’échantillonnage n’est plus spatial mais tridimensionnel. L’information sur la surface est relative à la phase puisque 8 = ~cp. La 4/r technique est simple : le détecteur est placé dans le plan des interférogrammes et un élément déphasant est placé sur un des bras de l’interféromètre. La méthode est apparue en 1974 dans un article de J. H. Bruning et al [5] pour le contrôle de lentilles par interférométrie Michelson. Depuis, cette technique a été appliquée à différents types d’appareils. On peut citer les interféromètres de Fizeau, Twyman-Green ou Mach-Zehnder, et les microscopes de Mirau et Nomarski. Elle a été aussi utilisée en holographie [6], interférométrie speckle [7] ou à longueurs d’ondes multiples [8].

Différentesfaçons de créer un déphasage

Il existe plusieurs manières de créer un déphasage connu entre les faisceaux qui interfèrent [9,10,11]. Leur point commun est d’ajouter une modulation de phase temporelle. Par exemple, cette modulation peut être introduite à l’aide d’un miroir mobile, d’une lame de verre inclinée, en déplaçant une grille diffractive, avec une lame À ou un polariseur ou encore 2 à l’aide d’un modulateur acousto ou électro optique ou d’un laser à effet Zeeman. Les déphaseurs tels que le miroir mobile, la lame de verre inclinée, la grille ou les composants à polarisation peuvent produire aussi bien des variations continues que discrètes. Effectivement tous ces moyens déphasent un des faisceaux de l’interféromètre par rapport à l’autre pour produire une différence de phase. Dans un interféromètre à séparation de polarisation les faisceaux référence et objet ont des polarisations rectilignes perpendiculaires ou circulaires. Une lame ~ en rotation (ou une lame ~ en double passage) produira une fréquence du 2 4 déphaseur double de celle de la fréquence de rotation (fig. (1.1 a)). A l’aide d’une grille diffractante mobile placée dans un des bras de l’interféromètre on produit un déphasage indépendant de la longueur d’onde dans le nième ordre diffracté. Si v est la vitesse de déplacement etfla fréquence spatiale de la grille, sa fréquence est n. v.f (fig. (1.1 b)). Sur le même principe l’effet peut être obtenu avec une cellule acousto-optique de Bragg. Egalement un laser à effet Zeeman qui possède en sortie deux fréquences légèrement différentes peut produire le décalage de phase. L’utilisation d’une lame inclinée dans un des bras introduit un déphasage entre les deux faisceaux. La lame doit avoir une très bonne qualité optique et il faut prendre toutes les précautions pour que la différence de chemin optique soit constante sur toute la pupille (fig. (1.1 c)). Finalement, la méthode la plus directe est le déplacement en translation d’un des miroirs à l’aide de cales piézo-électriques (fig. (1.1 d)). Les différents types de cales permettent aujourd’hui de réaliser des déplacements linéaires de plusieurs micromètres. Un amplificateur produit une rampe de tension de quelques centaines de volts qui, appliquée à la cale, induit une déformation se traduisant par un déplacement du miroir.

Appareils commerciaux

Des interféromètres de Fizeau à décalage de phase sont commercialisés depuis plusieurs années. Ils utilisent généralement la méthode du phase bucket avec des algorithmes à quatre ou cinq interférogrammes. Des surfaces de diamètre 150 mm peuvent être mesurées, et pour les diamètres supérieurs, il est possible d’ajouter des adaptateurs de faisceau. Les acquisitions sont rapides, par exemple, 167 ms avec le Wyko 6000 et 100 ms pour le Zygo MarklVxp. Le traitement des données permet de déterminer les fonctions de qualification d’un système optique: FTM, tache de diffraction, énergie encerclée, approximation par polynômes de Zernike, profIls de surface ou encore divers tracés en trois dimensions. Les performances annoncées par les fabriquants sont généralement établies autour de trois critères : fidélité, précision instrumentale et exactitude. La fidélité est définie comme la différence qu’il existe entre des mesures consécutives faites dans les mêmes conditions interférométriques. Par exemple, Zygo et Wyko annoncent des fidélités meilleures que ~et 100 ~pour les valeurs P-V et rms caractérisant des échantillons (À = 632,8 nm). La précision 1000 expérimentale est donnée par la valeur rms de l’écart entre deux mesures consécutives. Les principaux constructeurs annonces des précisions expérimentales de l’ordre de À 500 L’exactitude est définie comme l’écart entre la mesure et la surface réelle.

Ce chiffre est généralement faible puisque les surfaces de références ne sont pas meilleures que ~en 100 valeur crête à crête. Par exemple, l’exactitude du Zygo MarkIVxp est annoncée meilleure que ~P-V et celle du Wyko 6000 meilleure que ~P-V. 50 20 En fait, les définitions des différents critères et les procédures d’évaluation retenues demanderaient à être précisées. Pour améliorer la précision, il faut augmenter la qualité des surfaces de référence. Les appareils du commerce sont compacts, souvent esthétiques et d’emploi facile. Pour nous, leur inconvénient majeur vient de leur précision insuffisante. De plus, l’étalonnage est irréalisable. Il est aussi difficile d’accéder à toute la partie informatique et interféromètrique. En effet, il est impossible de modifier un élément de programme ou de changer un élément optique. Une des raisons de nos travaux vient de la nécessité de maîtriser toutes les étapes de la mesure, de l’acquisition des images jusqu’à la mise en forme fmale des résultats.

Configuration interférométrique

Pour la métrologie de miroirs, il est exclu d’utiliser des interféromètres par transmission de type Mach-Zehnder. Le choix se réduit à une dualité FizeaulMichelson. Les figures (lA) et (1.5) décrivent ces deux types d’appareils. Les deux configurations, malgré quelques similitudes évidentes, sont fondamentalement différentes. La configuration Michelson est celle qui souffre le plus des fluctuations thermiques ou atmosphériques puisque les chemins optiques suivis par les faisceaux, depuis la lame séparatrice, sont très disjoints. La cavité effective est donc volumineuse. De part la disposition des éléments, les défauts de la lame séparatrice interviennent dans la mesure de la différence de marche et sa qualité doit être excellente. Pour la mesure de surfaces sphériques, il est nécessaire d’ajouter un objectif de focalisation. Dans la configuration Twyman-Green cette optique n’est traversée que par un seul des deux faisceaux; elle contribue pleinement à la limitation de la précision par ses aberrations et imperfections. Il est toutefois possible de mesurer les erreurs qu’elle introduit et d’en tenir compte par la suite, mais cette étape suppose une interpolation par des polynômes. L’avantage de l’interféromètre de Michelson réside dans la nature des interférences : les deux surfaces n’étant pas en regard l’une de l’autre les interférences sont produites entre deux ondes uniquement. Inversement, la configuration Fizeau permet une identité des trajets optiques jusqu’à la surface de référence.

La qualité de la lame séparatrice n’intervient pas. L’objectif est traversé en aller retour par les deux ondes utiles; son aberration n’intervient que sous forme différentielle. A cause de la cavité du Fizeau, on est en présence d’interférences à ondes multiples. Avec l’interféromètre de Michelson il est possible de travailler à différence de marche nulle. Si la source n’est pas cohérente cela évite une perte de modulation. Dans le cas Fizeau, la différence de marche ne peut être que minimisée. Pour les surfaces sphériques il est difficile de toujours assurer une cavité d’épaisseur faible. Il est alors exclu d’utiliser des lampes spectrales haute voire même parfois basse pression … Ce bilan montre donc que la configuration Fizeau présente un grand nombre d’avantages par rapport à la configuration Michelson. La cavité Fizeau est beaucoup moins sensible aux aberrations des composants et aux turbulences atmosphériques et c’est celle que nous retenons.