ES2342906T3 - Dispositivo y procedimiento de medicion que permite caracterizar superficies por reflectometria. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de medición de caracterización por reflectometría que comprende una fuente (10) que emite un haz luminoso, un detector (26), unos medios (19) de tratamiento y de control de este haz luminoso de manera a enfocarlo en una superficie reflectante a medir en forma de un círculo y recibirlo en este detector (26), unos medios (30) de mando y de adquisición, una cámara (29) y unos medios para representar visualmente este círculo en este detector (26) y en esta cámara (29), caracterizado porque esta cámara está conectada a los medios (30) de mando y de adquisición, de manera a realizar una puesta a punto automática del círculo en la superficie reflectante a medir y conjugar automáticamente la superficie reflectante a medir con la superficie del detector.
Description
Dispositivo y procedimiento de medición que
permite caracterizar superficies por reflectometría.
La invención se refiere a un dispositivo y a un
procedimiento de medición de caracterización por reflectometría.
Como se describe en el documento referenciado
[1] al final de la descripción, la espectrometría es el estudio de
la distribución de amplitud o de potencia (cuadrado de la amplitud)
de una magnitud en función de la frecuencia. En óptica, el término
"espectrometría" designa más particularmente el conjunto de las
técnicas instrumentales de análisis de la densidad espectral de
potencia, siendo más bien la espectroscopia la ciencia de los
espectros (espectroscopias atómica y molecular).
La formidable cantidad de informaciones
contenida en un espectro óptico de media o alta resolución, unida a
los progresos recientes hechos en la construcción de los
espectrómetros y su automatización, hace de la espectrometría
óptica una técnica con numerosas aplicaciones, desde los controles
de proceso en ingeniería química hasta los análisis biomédicos,
pasando por la vigilancia del medio ambiente o el control del
funcionamiento de una motor de explosión.
El término de "espectrofotómetro" es un
término empleado por los químicos y los vendedores de
espectrómetros. Es este término el que se utiliza en lo
sucesivo.
Actualmente, los espectrofotómetros comerciales
son unos aparatos que son utilizados clásicamente en transmisión
con una buena precisión pero con una precisión media en reflexión.
Para ciertas aplicaciones, en particular para los materiales
opacos, es necesario conocer el coeficiente de reflexión con una
buena precisión. En este caso preciso, las precisiones obtenidas
con tal aparato por el National Physical Laboratory (Reino Unido)
en unas muestras de aluminio (certificado de calibración) son de
\pm0,5% en [340-740 nm] y de \pm1,1% en
[740-850 nm] en 2\sigma, siendo \sigma la
desviación tipo de la señal medida.
Existen diferentes maneras de medir el flujo
reflejado ya sea especular o difuso (utilización de una esfera de
integración), ya sea de manera espectral (caso de los espectrómetros
clásicos), ya sea de manera temporal (caso de espectrómetros de
transformada de Fourier).
En el caso de un flujo reflejado especular, que
es el de la invención, la reflexión es generalmente obtenida por
una modificación de la trayectoria óptica de la vía de medición por
introducir la muestra a medir.
En este caso, los soportes de pruebas no tienen
la rigidez mecánica necesaria para un buen reposicionamiento, y la
superficie del círculo luminoso en la muestra es de algunas decenas
de mm^{2}, lo que comporta una medición global que puede
conllevar una imprecisión de medición si la muestra no es
perfectamente plana.
El documento referenciado [2] al final de la
descripción describe un espectrofotómetro que ha sido desarrollado
para medir la reflectancia o la transmitancia absoluta de elementos
o de sistemas ópticos.
En este espectrofotómetro, un haz monocromático,
generado por una lámpara y un monocromador, es dividido por un
separador de haz. El haz transmitido y el haz reflejado son
dirigidos hacia un disco rotativo con ranuras que entrecorta los
dos haces a dos frecuencias diferentes. El haz de medición, que es
el haz transmitido por el separador, y el haz de referencia, que es
el haz reflejado por el separador, son reflejados de vuelta por
unos espejos. La muestra a probar es colocada en el haz de medición.
La parte reflejada del haz de medición devuelta y la parte
transmitida del haz referencia devuelta son combinadas de nuevo y
dirigidas hacia un detector.
Este espectrofotómetro permite unas mediciones
próximas al eje óptico y fuera de eje óptico. Pero, cuando realiza
mediciones fuera de eje óptico, no controla el enfoque en la
muestra. Cuando realiza mediciones en el eje óptico, no controla el
enfoque y no mide más que unas muestras con una curvatura muy
ligera.
La presente invención tiene por objeto resolver
tal problema técnico.
El documento referenciado [3] describe un
reflectómetro que comprende una fuente que emite un haz luminoso,
un detector, unos medios de tratamiento y de control de este haz
luminoso de manera a enfocarlo en una superficie reflectante a
medir en forma de círculo y a recibir el haz reflejado en este
detector, una cámara y unos medios para representar visualmente
este círculo en este detector y en esta cámara, estando conectada
dicha cámara a unos medios de mando y de adquisición de manera a
realizar una puesta a punto automática del círculo en la superficie
reflectante a medir.
El documento referenciado [4] divulga igualmente
un reflectómetro que comprende un sistema de puesta a punto
automática del círculo utilizando una fuente luminosa blanca y una
cámara y un sistema de autoenfoque del círculo en la superficie
reflectante utilizando un láser y un detector del foco.
La invención se refiere a un dispositivo de
medición de caracterización por reflectometría que comprende una
fuente que emite un haz luminoso, un detector, unos medios de
tratamiento y de control de este haz luminoso de manera a enfocarlo
en una superficie reflectante a medir en forma de círculo y a
recibirlo en este detector, unos medios de mando y de adquisición,
una cámara y unos medios para representar visualmente este círculo
en este detector y en esta cámara, caracterizado porque esta cámara
está conectada a los medios de mando y de adquisición de manera a
realizar una puesta a punto automática del círculo en la superficie
reflectante a medir y a conjugar automáticamente la superficie
reflectante a medir con la superficie del detector.
Ventajosamente, la superficie del círculo es
inferior a 5 mm^{2}.
El dispositivo de la invención permite controlar
automáticamente el enfoque del haz incidente en la superficie a
medir y la conjugación entre la superficie de la muestra y la
superficie del receptor por un tratamiento de imagen.
La invención permite realizar una medición
precisa de un objeto situado en el eje óptico o cerca del mismo, de
una muestra que presenta una cierta curvatura.
En un modo de realización ventajoso, las ópticas
de enfoque utilizadas en detección son sobredimensionadas con
respecto a las ópticas de enfoque atravesadas por el haz
incidente.
Tal sobredimensionamiento de las ópticas de
enfoque permite medir unas curvaturas más importantes que el
espectrofotómetro descrito en el documento referenciado [2], que
dispone de ópticas de recepción no sobredimensionadas. La
utilización de ópticas sobredimensionadas permite tener una
abertura digital más potente y, por consiguiente, una mejor
precisión de enfoque con un mejor control de la extensión
geométrica.
Ventajosamente, el dispositivo de la invención
puede comprender un soporte móvil en el que está dispuesta la
muestra. El haz luminoso incidente puede ser emitido por un láser.
El haz luminoso incidente puede ser transportado por un fibra
óptica. El dispositivo de la invención puede comprender unos cubos
separadores realizados a partir de empalmes en Y en fibras
ópticas.
En un ejemplo de realización, el dispositivo de
la invención comprende:
- una fuente luminosa blanca que tiene una
fuerte luminancia direccional,
- un condensador asférico,
- una lente de enfoque acromática,
- un monocromador con una rejilla que puede ser
escalonada,
- un disco rotativo,
- un sistema óptico de colimación acromática y
un filtro espacial,
- una rueda portafiltros,
- un primer cubo separador,
- una vía de referencia que comprende una óptica
de enfoque, un fotodiodo conectado a un procesador de mando y de
adquisición,
- una vía de la muestra que comprende una óptica
de enfoque,
- un soporte sobre el que está montada la
muestra y que es regulable por mediación de una unión que utiliza
un protocolo de comunicación a través del procesador,
- un segundo cubo separador,
- una vía de medición que comprende una óptica
de enfoque acromática, un detector conectado al procesador,
- una vía de representación visual que comprende
una óptica de enfoque acromática, un objetivo de microscopio, una
cámara conectada al procesador.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención se refiere igualmente a un
procedimiento de medición de caracterización por reflectometría en
el que se trata y se controla un haz luminoso incidente de manera a
enfocarlo en una superficie reflectante a medir en forma de un
círculo y a recibirlo en un detector, en el que se representa
visualmente este círculo en este detector y en una cámara,
caracterizado porque se adquieren los datos en la salida de esta
cámara de manera que se realiza una puesta a punto automática del
círculo en la superficie reflectante a medir y se conjuga
automáticamente la superficie reflectante a medir con la superficie
del detector.
Ventajosamente, la superficie de este círculo es
inferior a 5 mm^{2}.
En un modo de realización ventajoso, se utilizan
unas ópticas de enfoque en detección sobredimensionadas con
respecto a las ópticas de enfoque atravesadas por el haz
incidente.
Este procedimiento puede comprender las etapas
siguientes:
- poner en marcha los instrumentos,
- elegir los parámetros espectrales,
- colocar la muestra,
- recorriendo todas las longitudes de onda
\lambdai, haciendo variar una variable i entre 0 y N:
\bullet colocar un monocromador en la
trayectoria del haz incidente con una longitud de onda \lambdai
tal que \lambdai=\lambdamin+ix\Delta\lambda,
\bullet colocar un filtro adecuado en la
trayectoria del haz incidente,
\bullet enfocar el haz en la muestra gracias
al tratamiento de imagen,
\bullet asegurar la posición de la
muestra,
\bullet adquirir las señales para la
medición.
\vskip1.000000\baselineskip
El dispositivo y el procedimiento de la
invención son utilizables en unos campos variados tales como los
campos de la metrología, de la colorimetría, del control de
sistemas ópticos, de los análisis químicos y físicos, de la
codificación óptica, y en otros campos diferentes en los que es
necesario un estudio de las magnitudes vinculadas a los espectros
luminosos.
La invención puede ser así utilizada para:
- el control espectral de sistemas ópticos,
- la medición de la heterogeneidad de muestras
ya que permite realizar unas mediciones locales de reflexión en la
superficie de estas muestras, pudiendo ser estas unas placas, unos
espejos planos y no planos para la industria óptica u otras,
- la caracterización de la reflexión de muestras
ligeramente curvas,
- la medición de la reflexión de superficie en
el sitio, con una cabeza óptica ajustable, utilizando un aparato
portátil,
- la obtención con una gran precisión de datos
colorimétricos de la superficie reflectante,
- la medición de piezas con forma,
- una adición del dispositivo de la invención en
forma de módulo en unos espectrofotómetros existentes,
- la determinación de la difusión (BRDF o
Bidirectionnal Reflectance Distribution Function) de un
objeto con todas las aplicaciones que están asociadas a este tipo
de mediciones (control de polución, de rugosidad).
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 1 ilustra el dispositivo de medición
de la invención.
La figura 2 ilustra la definición de la
extensión geométrica.
La figura 3 ilustra la definición en el espacio
objeto y en el espacio imagen de la extensión geométrica.
Las figuras 4A y 4B ilustran el papel colector
de una óptica de enfoque sobredimensionada.
La figura 5 ilustra las diferentes etapas del
procedimiento de la invención.
La figura 6 ilustra un ejemplo de realización
del dispositivo de la invención.
Las figuras 7A y 7B ilustran la reflexión en
función de la longitud de onda respectivamente de un espejo
dieléctrico (figura 7A) y de un filtro de paso alto y de una
muestra de oro (figura 7B).
La figura 8A ilustra la reflexión en función de
la longitud de onda de un espejo esférico, ilustrado en la figura
8B.
A continuación, para simplificar la descripción,
se considera la superficie reflectante a medir como la superficie
de una muestra constituida por un reflector opaco. Pero esta
superficie reflectante a medir puede, por supuesto, ser la
superficie de un objeto, por ejemplo la de una carrocería de
coche.
El dispositivo de medición de caracterización de
la invención, ilustrado en la figura 1, comprende:
- una fuente luminosa blanca intensa 10, que
emite un haz luminoso 19,
- una óptica 11 de recogida y de enfoque de este
haz luminoso 19,
- un monocromador 12, que es un sistema que
comprende un elemento dispersivo de prisma o de rejilla (que puede
ser escalonada o no) que dispersa la luz blanca siguiendo la
longitud de onda y siguiendo diferentes órdenes en el caso de una
rejilla,
- un módulo 13 de modulación del haz luminoso,
por ejemplo un disco rotativo opaco que tiene unas aberturas
transparentes regulares para transmitir la luz de manera síncrona
cuando el disco es animado con un movimiento de rotación de
velocidad constante, permitiendo minimizar la fuerza gracias a un
heterodinaje,
- un módulo 14 de filtración espacial de este
haz luminoso,
- una óptica 15 de colimación de este haz
luminoso,
- un módulo 34 de filtración de este haz
luminoso,
- una primera óptica separadora 16 que divide el
haz luminoso 19 en dos haces 22 y 23 que corresponden
respectivamente a una vía de referencia y la vía de la muestra.
\vskip1.000000\baselineskip
El dispositivo de medición de la invención
comprende, además:
- en la vía de referencia:
\bullet una óptica 17 de enfoque (por ejemplo
una lente), y
\bullet un detector 18, conectado a una unidad
30 de mando y de adquisición, que permite una detección
síncrona,
- en la vía de la muestra:
\bullet una óptica 20 de enfoque
sobredimensionada,
\bullet un dispositivo portamuestras 21, que
comprende un soporte móvil en el que es dispuesta una muestra
constituida por un reflector opaco, y que devuelve a la óptica 20 de
enfoque un haz reflejado 24,
\bullet una segunda óptica separadora 25 de
este haz reflejado 24 en dos haces 31 y 32 que corresponden
respectivamente a una vía de medición y a una vía de representación
visual,
\bullet en la vía de medición, una óptica 33
de enfoque sobredimensionada y un detector 26, conectado a la
unidad 30 de mando y de adquisición, que permite una detección
síncrona,
\bullet en la vía de representación visual,
una óptica 27 de enfoque sobredimensionada, un objetivo 28 de
microscopio y una cámara 29 conectada a la unidad 30 de mando y de
adquisición.
\vskip1.000000\baselineskip
En este dispositivo el haz 19 se enfoca en la
superficie a medir, que aquí es la superficie de una muestra, en
forma de círculo que es representado visualmente en el detector 26 y
en la cámara 29, lo que permite realizar una puesta a punto
automática de la imagen en dicha muestra a controlar y conjugar la
superficie de la muestra y la superficie del detector. Tal
característica permite diferenciar ventajosamente la invención del
documento referenciado [2], en el que solo se enfoca el flujo
incidente.
La superficie de este círculo en la muestra es
inferior a 5 mm^{2}, por ejemplo de entorno a 1 mm^{2}, lo que
permite medir piezas con forma. Las ópticas de enfoque de recepción
pueden ser sobredimensionadas con respecto a las ópticas de enfoque
atravesadas por el haz incidente, lo que permite recuperar al máximo
el haz incidente cuando el ángulo de incidencia no es nulo. La
utilización de ópticas de enfoque sobredimensionadas permite tener
una abertura digital imagen más potente y, por lo tanto, una mejor
precisión de enfoque con un mejor control de la extensión
geométrica. Estas diferentes características permiten tener una
buena precisión de medición de la reflexión especular.
Hay, así, conservación de la extensión
geométrica vista por el receptor conjugando la superficie
reflectante de la muestra (el objeto) y el receptor (la imagen). La
extensión geométrica (d^{2}G) es definida como que es el producto
del área del receptor (dA_{r}), el coseno del ángulo entre la
normal local en el receptor y la dirección de recepción
(\theta_{R}), y el ángulo en el sólido bajo el que es vista la
fuente (d\Omega_{R}), como se ilustra en la figura 2.
Queda así:
d^{2}G=dA_{r}.cos\theta_{R}.d\Omega_{R}
Como las ópticas de enfoque y de colimación son
circulares, existe una simetría de revolución alrededor del eje
óptico. La extensión geométrica se expresa entonces, siendo
\theta_{M} el semiángulo en el vértice de emisión, por:
G=\pi.A_{r}.sin^{2}\theta_{M}. La extensión óptica
definida con respecto al cuadrado del índice del medio por la
extensión geométrica se expresa, según la figura 3, para los
espacios objeto e imagen del sistema óptico y recepción 35, que
comprende una pupila 36 de entrada y una pupila 37 de salida.
Para el objeto reflector 38:
n^{2}.G=(\pi.n.R.sin\theta_{M})^{2}
Para la imagen detector 39:
n'^{2}.G'=(\pi.n'.R'.sin\theta'_{M})^{2}
Si el sistema es aplanético (objeto pequeño y
situado cerca del eje óptico), se respeta la relación de los senos
de Abbe para tener la siguiente relación:
n.y.sin\alpha_{M}=n.R.sin\theta_{M}=n'.R'sin\theta'_{M}=n'.y'.sin\alpha'_{M}
donde n (respectivamente n') es el
índice medio objeto (respectivamente imagen), y (respectivamente y')
la altura del objeto (respectivamente imagen), \alpha_{M} es el
semiángulo en el vértice bajo el que la muestra reflectora ve la
pupila de entrada, \alpha_{M'} es el semiángulo en el vértice
bajo el que el detector ve la pupila de salida, R es el rayo de la
pupila 36 de entrada, R' es el rayo de la pupila 37 de salida,
\theta_{M} es el semiángulo en el vértice bajo el que la pupila
36 de entrada ve la muestra reflectora 38, \theta_{M'} es el
semiángulo en el vértice bajo el que la pupila 37 de salida ve el
detector
39.
\vskip1.000000\baselineskip
Así, conservando el campo (y) y la abertura
(\alpha_{M}) en el sistema óptico de recepción, por enfoque, la
totalidad del haz reflejado es captado por el detector 39. Este
enfoque se realiza, para cada longitud de onda \lambdai,
automáticamente por mediación de un sistema de retroalimentación por
representación visual. La cámara 29 da la imagen del haz en la
superficie de la muestra a medir. El enfoque se efectúa gracias al
reposicionamiento de la muestra 38 siguiendo el eje óptico, y puede
tener, como criterio de parada, la nitidez del círculo. Sin
embargo, se pueden considerar otros criterios de parada: por
ejemplo, la imagen de una mira o de fallos en la superficie de la
muestra.
La elección de las ópticas (materiales,
diámetros y focales) permite reducir más o menos los costes y los
rendimientos del procedimiento. La fuente 10 debe poseer la
luminancia espectral más fuerte posible y emitir en un cono
pequeño. El haz luminoso inicial 19 tiene un diámetro netamente
inferior a los diámetros de las ópticas de enfoque (lentes) y es
enfocado en la muestra para tener un área lo más pequeña posible,
por ejemplo 1 mm^{2}. Así, el círculo luminoso en la superficie
de la muestra es netamente más pequeño que el círculo de un
espectrofotómetro clásico. El sobredimensionamiento de las ópticas
de enfoque con respecto al tamaño del círculo aumenta el ángulo de
aceptación i del haz reflejado, como se ilustra en las figuras 4A y
4B: la figura 4A ilustra la reflexión de un haz 41 en un espejo 42
(muestra reflectora) con una lente 43 de 25 mm de diámetro y con
una lente 44 de 50 mm de diámetro, siendo \Delta el eje óptico. La
figura 4B ilustra la reflexión de ese mismo haz 41 en el mismo
espejo 42 con un gran ángulo de incidencia i. La aberración
cromática es minimizada eligiendo unas lentes acromáticas. La
automatización del soporte de la muestra da también la posibilidad
de cartografiar en reflexión la muestra para cuantificar las
heterogeneidades.
El procedimiento de la invención, ilustrado en
la figura 5, comprende las siguientes etapas:
- poner en marcha los instrumentos: es decir,
encender la fuente, los detectores, y los instrumentos de control
(E1),
- elegir los parámetros espectrales: margen y
resolución espectral (E2),
- colocar la muestra en su soporte (E3),
- recorriendo todas las longitudes de onda
\lambdai (o lambda i), haciendo variar una variable i entre 0 y
entre 0 y N (bucle 45):
\bullet colocar el monocromador 12 a una
longitud de onda \lambdai tal que
\lambdai=\lambdamin+ix\Delta\lambda (E4),
\bullet colocar el módulo 14 de filtración
adecuado por ejemplo colocando el módulo 13 de modulación (E5),
\bullet enfocar el haz 24 en la muestra
gracias al tratamiento de imagen (E6),
\bullet asegurar en posición la muestra
(E7),
\bullet adquirir las señales para la medición
(E8).
\vskip1.000000\baselineskip
Son posibles diferentes variantes de
realización:
- El procedimiento de la invención puede
aplicarse a unos estudios monoespectrales con una o varias fuentes
luminosas tipo láser. Es posible utilizar, por ejemplo, en el
ultravioleta un láser excimer, en el visible un láser HeNe, en el
infrarrojo cercano un láser de diodo, o cualquier otro láser.
- La fuente luminosa 10 puede ser de fibra o no,
blanca o que emite rayos espectrales.
- El dispositivo de la invención puede ser
realizado con unas fibras ópticas. Los cubos separadores 16 y 25,
por ejemplo, pueden ser realizados a partir de empalmes en Y en
fibras ópticas puestas en cadena.
- Las ópticas separadoras pueden ser unos cubos,
unas planchas, o cualquier componente que separa la luz en dos
partes más o menos iguales. Sin embargo, para tener el máximo de
flujo en las vías de medición y de imagen se utilizan
ventajosamente unos separadores 50/50.
- Las ópticas de enfoque o una parte de ellas
pueden ser reemplazadas por unos espejos adaptados.
- El dispositivo puede ser optimizado utilizando
unas platinas de traslación motorizadas suplementarias, por ejemplo
para desplazar las ópticas de enfoque de la vía de representación
visual, para reducir la influencia de las aberraciones cromáticas
residuales.
- El soporte de la muestra puede no ser
automatizado para realizar la retroalimentación. La
retroalimentación puede hacerse con ayuda de platinas motorizadas
que soportan las ópticas de enfoque. Se puede añadir una platina
para asegurar la posición del sistema óptico con respecto a la
muestra.
- El dispositivo de la invención puedes ser
integrado en otros espectrofotómetros.
- El criterio del enfoque por retroalimentación
de posición puede depender de un tratamiento de imagen cualquiera:
algoritmos, mira, fallos de superficie, rayados, picaduras, simetría
particular del haz luminoso, mínimo de variación de la imagen en
función del ángulo de rotación de la muestra.
- El enfoque puede ser manual y ser efectuado
una sola vez al principio de la adquisición, teniendo en cuenta el
decalaje ("offset") del sistema óptico debido a las
aberraciones cromáticas y geométricas previamente determinadas.
- El dispositivo de la invención se puede
extender a mediciones de difusión.
\vskip1.000000\baselineskip
En un ejemplo de realización ilustrado en la
figura 6, el dispositivo de la invención comprende:
- una fuente luminosa blanca (lámpara halógena)
51 que tiene una fuerte luminancia direccional, que es inyectada en
una fibra óptica 52 de entorno a 1 mm^{2} de superficie de núcleo
y de abertura digital de por ejemplo 0,22,
- un condensador 53, que es una óptica de focal
corto con respecto a su diámetro, lo que permite recoger el máximo
de luz gracias a un ángulo en el sólido de recepción más importante,
asférico, es decir, corregido de la aberración de esfericidad;
recogiendo este condensador por lo tanto el máximo de flujo
resultante de la fibra óptica 52,
- una lente 54 de enfoque acromática, que acopla
la energía en un monocromador 55 de acuerdo con su abertura
digital,
- el monocromador 55, que tiene una rejilla
escalonada (es decir, construida de manera que dispersa el máximo
del flujo óptico (en un solo orden, generalmente el orden 1) en el
visible que dispersa la luz, fijando la elección de la rejilla
utilizada el margen espectral y la finura),
- un disco rotativo 56, que modula el flujo
luminoso con el fin de filtrar la señal gracias a una detección
síncrona, siendo optimizada la frecuencia de modulación para
minimizar los ruidos ópticos y electrónicos presentes en el
local,
local,
- un sistema óptico de colimación acromática
(ópticas de enfoque L1, L2) y un filtro espacial 58, por ejemplo un
diafragma, que da la dimensión del círculo luminoso en la
muestra,
- una rueda portafiltros 59, que rechaza el
armónico parásito resultante del monocromador 55, siendo esta rueda
portafiltros un sistema mecánico que comprende cuatro posiciones,
estando dispuesto un filtro espectral en cada una de esas
posiciones para rechazar los armónicos parásitos del elemento
dispersivo (a saber, en el caso presente, el monocromador),
pudiendo esta rueda portafiltros ser utilizada también para
introducir unas densidades neutras en la trayectoria del haz
luminoso para evitar la saturación de ciertos detectores
(utilización de fotomultiplicador) durante una utilización de una
fuente intensa,
- un primer cubo separador 60 por ejemplo de 50
mm de lado, que divide el haz luminoso en dos partes; para el haz
incidente el cubo 60 separa el haz en la vía 61 de referencia y en
la vía 62 de la muestra, para el haz reflejado separa la vía de
medición de una vía parásita,
- la vía 61 de referencia, que comprende una
óptica L3 de enfoque, un fotodiodo 64 que permite una detección
síncrona, y que está conectada a un procesador 65 de mando y de
adquisición,
- la vía 62 de la muestra, que comprende una
óptica de enfoque L4 realizada con un condensador asférico
(reducción de las aberraciones esféricas) por ejemplo de 50 mm de
diámetro,
- la muestra 69, que es un reflector opaco, cuya
transmisión es nula, montada en un soporte 70 regulable según dos
grados de libertad (en \theta y \varphi) montado este mismo en
unas platinas x, y motorizadas por mediación de una unión que
utiliza un protocolo de comunicación, por ejemplo de tipo IEEE, a
través de un procesador 65,
- un segundo cubo separador 71 por ejemplo de 50
mm de lado, que divide el haz reflejado en una vía 72 de medición y
en una vía 73 de representación visual,
- la vía 72 de medición, que comprende una
óptica L5 de enfoque acromática por ejemplo de 50 mm de diámetro,
un detector 75, que permite una detección síncrona, conectada al
procesador 65,
- la vía 73 de representación visual, que
comprende una misma óptica L6 de enfoque acromática por ejemplo de
50 mm de diámetro, un objetivo de microscopio (por ejemplo x10) 77,
una cámara 78 conectada al procesador 65.
\vskip1.000000\baselineskip
En este ejemplo de realización, la fuente
luminosa blanca a la salida es resuelta espectralmente para obtener
una onda casi monocromática a la salida del monocromador. El haz es
después filtrado espacialmente por el filtro espacial 58 situado
entre las ópticas de enfoque L1 y L2 en el que él mismo se
representa visualmente en la superficie del fotodiodo 64 de
referencia y de la muestra 69, y después separado espacialmente por
medio del primer cubo separador 60 hacia el detector de referencia
y hacia la vía de la muestra. La rueda portafiltros 59 permite
rechazar las órdenes superiores resultantes del monocromador 55.
Después, una parte del flujo reflejado por la muestra se refleja en
el primer cubo separador 60 para ser de nuevo separado espacialmente
por el segundo cubo separador 71 cuya vía transmitida es enfocada
en la superficie del detector 75 de medición y cuya vía reflejada
es representada visualmente por la cámara 78 sirviendo para asegurar
el enfoque por mediación del portamuestras motorizado.
En la figura 7A, la muestra es un espejo
dieléctrico referenciado, que está constituido por un apilamiento
de capas de óxido de índice bajo y alto alternadas, que muestra una
buena resolución espectral. Este espejo es un espejo doble que
presenta unos picos de resonancia perfectamente visibles en la
curva. El nivel máximo medido es cercano al 100%, lo que
corresponde al valor máximo de la reflexión de este espejo (valor
medido en un banco de medición de baja pérdida que evalúa la
diferencia de tiempo de vuelo de un impulso de láser de una cavidad
que contiene o no el espejo a medir).
En la figura 7B, la muestra es un filtro de paso
alto (curva II) o una muestra de oro (curva I).
La figura 8A ilustra la reflexión en función de
la longitud de onda de un espejo esférico, ilustrado en la figura
8B, de focal de 160 mm y de diámetro de 25 mm, que presenta un
ángulo máximo de inclinación de 4,4º. Esta figura ilustra el
coeficiente de reflexión para tal espejo esférico recubierto de una
capa de aluminio en tres puntos de medición distintos A, B y C de
su superficie. El coeficiente de reflexión es idéntico sea cual sea
la longitud de onda. Para estos tres puntos A, B y C, las curvas se
superponen. Además, se encuentran los valores clásicos del aluminio
obtenido en un substrato plano (89% hacia 500 nm) y se visualiza el
hueco hacia 850 nm. Esta medición valida el dispositivo de la
invención que permite medir piezas no planas.
\vskip1.000000\baselineskip
[1] Patrick Bouchareine, "Spectrométrie
Optique", les techniques de l'ingénieur, Traité Mesures et
Contrôle, R6310, páginas 1 a 31, 10/1994.
[2] D. Enard y H. Visser,
"Universal spectrophotometer for determining the efficiency of
optical components and systems", Applied Optics, vol. 21,
nº 24, páginas 4459-4464, 1982.
[3] US 2003/0071994.
[4] US 5747814.
Claims (13)
1. Dispositivo de medición de caracterización
por reflectometría que comprende una fuente (10) que emite un haz
luminoso, un detector (26), unos medios (19) de tratamiento y de
control de este haz luminoso de manera a enfocarlo en una
superficie reflectante a medir en forma de un círculo y recibirlo en
este detector (26), unos medios (30) de mando y de adquisición, una
cámara (29) y unos medios para representar visualmente este círculo
en este detector (26) y en esta cámara (29), caracterizado
porque esta cámara está conectada a los medios (30) de mando y de
adquisición, de manera a realizar una puesta a punto automática del
círculo en la superficie reflectante a medir y conjugar
automáticamente la superficie reflectante a medir con la superficie
del detector.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que la superficie de este círculo es inferior a 5 mm^{2}.
3. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que las ópticas de enfoque utilizadas en detección están
sobredimensionadas con respecto a las ópticas de enfoque atravesadas
por el haz incidente.
4. Dispositivo según la reivindicación 1, que
comprende un soporte móvil en el que está dispuesta la superficie
reflectante a medir que es la de una muestra.
5. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que la fuente (10) que emite el haz luminoso incidente (19) es un
láser.
6. Dispositivo según la reivindicación 1, que
comprende una fibra óptica para transportar el haz luminoso
incidente (19).
7. Dispositivo según la reivindicación 6, que
comprende unos cubos separadores realizados a partir de empalmes en
Y de fibras ópticas.
8. Dispositivo según la reivindicación 1, que
comprende:
- una fuente luminosa blanca (51) que tiene una
fuerte luminancia direccional (52),
- un condensador asférico (53),
- una lente (54) de enfoque acromática,
- un monocromador (55), que tiene una rejilla
escalonada o no,
- un disco rotativo (56),
- un sistema óptico (L1, L2) de colimación
acromática y un filtro espacial (58),
- una rueda portafiltros (59),
- un primer cubo separador (60),
- una vía (61) de referencia, que comprende una
óptica (L3) de enfoque y un fotodiodo (64) conectado a un
procesador (65) de mando y de adquisición,
- una vía (62) de muestra, que comprende una
óptica (L4) de enfoque,
- un soporte (70) en el que está montada la
muestra y que es regulable por mediación de una unión que utiliza
un protocolo de comunicación a través del procesador (65),
- un segundo cubo separador (71),
- una vía (72) de medición, que comprende una
óptica (L5) de enfoque acromática y un detector (75) conectado al
procesador (65),
- una vía (73) de representación visual, que
comprende una óptica (L6) de enfoque acromática, un objetivo (77)
de microscopio y una cámara (78) conectada al procesador (65).
9. Procedimiento de medición de caracterización
por reflectometría en el que se trata y se controla un haz luminoso
incidente de manera a enfocarlo en una superficie reflectante a
medir en forma de círculo y recibirlo en un detector, en el que se
representa visualmente este círculo en este detector y en una
cámara, caracterizado porque se adquieren los datos de
salida de esta cámara de manera que se realiza una puesta a punto
automática del círculo en la superficie reflectante a medir y se
conjuga automáticamente la superficie reflectante a medir con la
superficie del detector.
10. Procedimiento según la reivindicación 9, en
el que la superficie reflectante a medir es la superficie de una
muestra.
11. Procedimiento según la reivindicación 9, en
el que la superficie de ese círculo es inferior a 5 mm^{2}.
12. Procedimiento según la reivindicación 9, en
el que se utilizan unas ópticas de enfoque en detección
sobredimensionadas con respecto a las ópticas de enfoque
atravesadas por el haz incidente.
13. Procedimiento según la reivindicación 10,
que comprende las siguientes etapas:
- poner en marcha los instrumentos (E1),
- elegir los parámetros espectrales (E2),
- colocar la muestra (E3),
- recorriendo todas las longitudes de onda
\lambdai, haciendo variar una variable i entre 0 y N (bucle
45):
\bullet colocar un monocromador en la
trayectoria del haz incidente en una longitud de onda \lambdai tal
que \lambdai=\lambdamin+ix\Delta\lambda (E4),
\bullet colocar un filtro adecuado en la
trayectoria del haz incidente (E5),
\bullet enfocar este haz incidente en la
muestra gracias al tratamiento de imagen (E6),
\bullet asegurar la posición de la muestra
(E7),
\bullet adquirir las señales para la medición
(E8).
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