WO2004001399A1 - Supports anti-reflechissants et supports amplificateurs de contraste pour la lumiere polarisee en reflexion - Google Patents

Supports anti-reflechissants et supports amplificateurs de contraste pour la lumiere polarisee en reflexion Download PDF

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Dominique Ausserre
Marie-Pierre Valignat
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Universite Pierre et Marie Curie
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Universite Pierre et Marie Curie
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    • G02B1/08—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of polarising materials
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/09—Multifaceted or polygonal mirrors, e.g. polygonal scanning mirrors; Fresnel mirrors

Definitions

  • the present invention relates to object holders intended to improve the measurements or the observation in reflection of thin films or very small objects under an optical microscope or under any other conditions.
  • the present invention relates to anti-reflective supports and contrast-enhancing supports for polarized reflective light.
  • other optical imaging instrument viewfinder, telescope, macroscope, magnifier, binocular magnifier, camera, camera, near field microscope, endoscope, confocal microscope, near optical field microscope (SNOM), biochip reader, magneto-optical reader , confocal microscope.
  • These supports are in particular intended to be used in techniques of visualization and measurement in differential interference contrast (DIC) by reflection. They are also intended to be used in all observation and measurement techniques using polarized light reflection.
  • DIC differential interference contrast
  • These supports are defined either by a set of characteristics which may relate to their nature (example: a dielectric layer on a silicon substrate) or their function (example: contrast amplifier support for observations between crossed polarizers), and which if they are common to a certain number of these supports classify them in families of supports, that is to say by a set of adjustable parameters which make it possible to recognize the members of a given family individually.
  • the objective of the present invention is therefore to propose a support, having, as a function of the thickness ei and the index ni of the layer formed on a substrate of complex refractive index n 2 , in an ambient medium of index n 0 , either a contrast enhancement function for observation in polarized light, or an anti-reflection function for polarized light.
  • the invention relates to a support intended for the observation between crossed polarizers of an object placed on the support or in its vicinity in a medium of index no with a spatially incoherent lighting incident incident at an angle ⁇ Q to a wavelength ⁇ , comprising - a substrate of complex refractive index n 2 ,
  • the invention also relates to a support intended for the observation between crossed polarizers of an object placed on the support or in its vicinity in a medium of index no with incoherent converging incident light at an angle ⁇ Q at a wavelength ⁇ , comprising - a substrate of complex refractive index n 2l - a layer of complex refractive index ni and of thickness ei.
  • the value of the thickness ei of the layer is within 2% such that:
  • the invention also relates to a support intended for optimizing the useful extinction coefficient of a polarizing microscope for the observation of an object placed on the support or above the support in a medium of index no with a Inconsistent incident incident lighting at an angle ⁇ 0 at a wavelength ⁇ , comprising
  • the substrate and the layer are dielectric or weakly absorbent, the modulus of the imaginary part of their complex index being less than
  • the support is intended for use in annular incident lighting with an angle of incidence ⁇ o which is unique to within ⁇ 2.5 °;
  • the support is intended for use in incident and axial lighting converging with an average angle of incidence o linked to its total angular opening ⁇ o by the relation:
  • the lighting is monochromatic or quasi-monochromatic at the wavelength ⁇ ;
  • the lighting is of broad continuous or polychromatic spectrum of maximum range ⁇ 0.3 ⁇ around its average wavelength ⁇ ;
  • ni and ei are the index and the thickness of the layer
  • n 2 the complex refractive index of the substrate, for air as ambient medium
  • 0 O 5 °
  • ⁇ 540 nm
  • ni and ei are the index and the thickness of the layer
  • n 2 the complex refractive index of the substrate, for air as an ambient medium (3)
  • ⁇ 540 nm
  • ni and ei are the index and the thickness of the layer to within 2%
  • n 2 the complex refractive index of the substrate, no the index of the ambient environment
  • ⁇ 589.3 nm when the layer is made of cadmium
  • ⁇ 540 nm in the other cases
  • the invention also relates to an accessory intended for the observation of a preferably liquid sample consisting of a Petri dish and a support intended to receive said sample, the support being the bottom of this dish.
  • - device for observing a sample comprising an optical microscope, a support intended to receive said sample and two crossed polarizers;
  • - device for observing a sample comprising an optical microscope, an accessory intended to receive said sample and two crossed polarizers;
  • - device for observing a sample comprising an optical microscope, a support intended to receive said sample, a polarizer and a quarter-wave plate;
  • - device for observing a sample comprising an optical microscope, an accessory intended to receive said sample, a polarizer and a quarter-wave plate;
  • the optical microscope of which is fitted with a differential interference contrast device.
  • FIG. 1 is a schematic representation of the oblique transmission and reflection of a plane wave at the plane interface between two semi-infinite media 0 and 1;
  • FIG. 2 is a schematic representation of a support according to the invention.
  • “Support” means the combination of a solid substrate 1 of complex refractive index n ⁇ and a coating comprising at least one layer 2 of thickness ei and of complex refractive index ni. This support is placed in an ambient medium 3 of index no.
  • sample means the association of the object holder and the object it carries, said holder being the object of the invention.
  • observation means direct eye observation through an instrument or the acquisition of an image or a signal by detection means comprising a recording device such as analog or digital camera, camera CCD, or a measuring device such as a detector (photovoltaic cell, photomultiplier) or an array of detectors (photodiode array, CCD) placed in a plane where the image of the sample is formed.
  • a perfectly reflecting support is defined by the relations r ,
  • lo lo (x, y) designates the intensity collected at a point (x, y) by the same detection means or of observation adjusted in the same way in the absence of any polarizer and by using a perfectly reflecting support.
  • An "anti-reflective" support is defined as having a minimum reflection coefficient on all of its adjustable parameters. It relates to the conditions of observation or measurement. An ideal anti-reflective support is such that its reflection coefficient is zero.
  • a "contrast enhancer" support is defined such that the object it carries is observed with maximum rendered contrast or a physical magnitude of the object is measured with maximum rendered sensitivity across all of its parameters adjustable. It also relates to the conditions of observation or measurement. It is also relative to the nature of the object observed. When the nature of the object is not specified, the object will be defined by default as a thin film of thickness 1 Angstr ⁇ m (A) and of index n identical to that of the surface of the support, it is to say of the material constituting layer 2 in contact with the object.
  • Convergent axial lighting is convergent and radially symmetrical around the normal to the surface, defined as “the axis” in the following description, with an opening angle ⁇ max .
  • the angles of incidence participating in the lighting cone are therefore all the angles between 0 and ⁇ max .
  • Annular lighting also has radial symmetry around the normal to the surface, ie the axis, but it is defined by a single angle of incidence ⁇ better than 5 degrees.
  • the "anisotropic” lighting is defined by the fact that a radial symmetry of the azimuths ⁇ is broken but the symmetry by relative to the preserved axis, and finally “oblique lighting” is defined by a single angle of incidence 0 and a single azimuth ⁇ .
  • the collection of light by the detection or observation means is assumed to be radially symmetrical around the normal to the surface, with the same single collection angle or the same opening angle as lighting, in the rest of the description.
  • the lighting is spatially incoherent, which means that a light ray contributing to the lighting can only interfere with itself. Under these conditions, the contributions to image formation must be added in amplitude along a beam and in intensity over all of the beams, that is to say over all of the angles of incidence 0 and azimuths ⁇ contributing to the lighting.
  • the Fresnel coefficients r p and r s are complex functions of 0. In the case of anisotropic supports, they are also functions of ⁇ . However, the support is assumed to be isotropic in the rest of the description except when specified.
  • Non-polarized light The normalized RNP intensity is written:
  • the sample is placed between a first and a second polarizer.
  • said polarizers will be considered to be linear.
  • the beam passes through its first optical polarizer which defines its polarization, then after interaction with the sample, the light beam crosses the second polarizer.
  • the first polarizer is called a "lighting polarizer”.
  • the second polarizer is the analysis polarizer or "analyzer”.
  • the first and second polarizers form an angle ⁇ modulo ⁇ between them.
  • the normalized intensity may be modulated about its mean value / ⁇ r with magnitude
  • the support of the invention is intended to be used between a first and a second crossed polarizers.
  • the incident light beam on the support is therefore polarized.
  • an anti-reflective support (AR) placed in an ambient medium of index n 0 has an RNP coefficient which is minimum.
  • the optical thickness j- signifies that the physical thickness ei of the layer 2 is linked to the wavelength ⁇ of the light beam allowing the lighting and to the direction 0 ? of said beam with respect to the normal to the surface after refraction in layer 2, or refracted angle of incidence, by the relation:
  • non-ideal AR supports which are not very sensitive to the wavelength ⁇ or to the angle of incidence 0 O of the incident light beam.
  • These supports are obtained by multilayer stacks called anti-reflection treatments. In one embodiment, these treatments are used to eliminate reflections on spectacle lenses or to eliminate stray light generated by reflections on the diopters of optical systems.
  • anti-reflection treatments are used to eliminate reflections on spectacle lenses or to eliminate stray light generated by reflections on the diopters of optical systems.
  • more selective and more efficient AR supports are sought, for example for the development of narrow bandpass interference filters in transmission. V.2) supports and coatings "AR-Pol" in polarized light.
  • the invention relates to supports similar to anti-reflective supports, but intended to be used in polarized light. They differ from anti-reflective supports by their composition and by their optical properties. We designate them by the name "AR-Pol". These new supports form an even larger and more diverse set than conventional anti-reflective supports, and can be used as accessories or as components in numerous processes or devices.
  • This set is the first object of the present invention. It is subdivided into families corresponding to groupings by nature or by function of which we give some examples here. Each family is designated by an appellation "AR- () -Pol- () - () ", where the successive parentheses represent the additional details enabling it to be defined. From equations E2 to E9 follow the following order relations:
  • the extinction coefficient C e of a polarizing microscope is one of its important technical characteristics. It should be as low as possible. In the case of a microscope operating in reflection, it is defined as the ratio of the intensities reflected by a perfectly reflecting support placed on the one hand between a first and a second crossed polarizers and on the other hand, between a first and a second parallel polarizers, either:
  • equations E5 and E7 show that the definition of the perfectly reflecting support given by equations E1 is not sufficient because the collected intensity l ( ⁇ ) depends on the relative phases of the two Fresnel coefficients r D and r s at through their sum.
  • the first condition not being physically realistic, it is therefore eliminated to retain only the second.
  • the sample being at least made up of a support.
  • R NP represents a design rule for said support. Equivalently, we give the following functional definition: it is the family of supports which optimize the useful extinction coefficient of the set [microscope + support] for an ideal polarizing microscope.
  • AR-X-Pol coating as layer 2 which transforms a given substrate 1 into an AR-X-Pol support.
  • VI.1) supports AR-X-Pol-SD-1 D
  • the search for solutions to the equation (E19 bis) is reduced to solving the equations:
  • the pair of equations E25 and E27 has no solution for n 0 ⁇ n ⁇ .
  • the two formulas E24 and E32 (or equivalently E35 bis) define the family of supports AR-X-Pol-SD-1 D ideal for an arbitrary angle of incidence defined indifferently by its value 0 O in the ambient medium (3 ) or by its refracted value ⁇ i in the layer (2) and also for convergent axial lighting defined by an average refracted angle ⁇ >.
  • the two formulas E24 and E33 define the sub-family of supports
  • AR-X-Pol-SD-1 D ideal for an optical instrument with annular lighting defined by a refracted angle of incidence ⁇ 1 or with convergent axial lighting of small opening and defined by an average refracted angle ⁇ 1 >.
  • AR-X-Pol supports and coatings are therefore particularly advantageous for use in white light.
  • the index ni of the layer 2 is intermediate between the index n 2 of the substrate 1 on which it is formed and the index no of the ambient medium.
  • the equations E32 and E33 are symmetrical in no and n ⁇ .
  • VI.2) supports AR-X-Pol-1
  • VI.2-1 ideal supports AR-X-Pol-1
  • the medium 1 is not an amplifier, the solution zi is the only acceptable one. Its expression translates into a relationship that numerically defines the family of ideal AR-X-POL-1 supports. This family is bounded by the condition
  • a useful particular case is that where only the support is absorbent, the indices of the other media remaining real. Then ⁇ i is real, and
  • the AR-X-POL coating differs from a conventional anti-reflective coating not only by its index, but also by its thickness.
  • a sensitive display method is based on the one hand on a good extinction, and on the other hand on a critical extinction, that is to say very sensitive to the thickness of the last layer 2 of the stack.
  • AR-X-Pol anti-reflective supports have these qualities and are therefore also contrast-enhancing supports.
  • the substrate 1 is composed of a solid support covered with a single dielectric layer 2
  • e is therefore the thickness of the single layer 2.
  • the film therefore appears as a simple fluctuation in thickness of the upper layer 2.
  • the best contrast enhancers are the ideal anti-reflective media.
  • the AR-X-Pol supports are the only supports capable of providing a total extinction in annular lighting and an almost perfect extinction in weakly convergent lighting. The use of these supports between crossed polarizers makes it possible to obtain much better contrasts than all the other supports in all the imaging modes without marking in incoherent light.
  • the contrast is optimized when: i) - ⁇ - ln) ⁇
  • Formulas E63 generalize formula E24 to non-ideal contrast enhancers.
  • This element is provided by the use of materials with anisotropic optical properties in the production of the supports.
  • the anisotropic material is the substrate 1, the layer 2 and the incident medium remaining isotropic.
  • the main axes (x, y, and z) of the anisotropic material are parallel and perpendicular to the surface of the support.
  • the Fresnel coefficients of the support are replaced by a reflection matrix:
  • an optimal support for viewing under a microscope in polarized light is anisotropic and such that the optimal value of its reflection coefficients r p and r s is obtained for an angle ⁇ intermediate between 0 and ⁇ and preferably equal to ⁇ to give the latitude of adjustment
  • the invention cannot be limited to the above description.
  • the light beam used thus has in another embodiment a circular polarization and the AR-Pol and Ampli-Pol supports advantageously have the same efficiency.
  • the observations and measurements between crossed polarizer and analyzer are then replaced by equivalent observations and measurements between [polarizer followed by a wave plate 1] and [identical wave blade followed by a polarizer
  • DIC differential interference contrast
  • the support of the invention has been the subject of several implementations presented in the following examples for which the arbitrary lighting wavelength is, unless otherwise specified, ⁇ - 540 nm.
  • AR-Pol supports although obeying very strict construction rules, are available endlessly.
  • Four examples (index « ; and layer thickness ej ( ⁇ )) of AR-Pol-1 supports ideal for an incidence close to normal (0 O 5 °) are presented below. These examples are intended to be used as object holders for observations and measurements carried out in an ambient medium such as air (the incident medium being air or the substrate).
  • the index n ⁇ is the index of the material constituting the support. It is taken from
  • the indices ni are very common and the layers 2 can be produced by all the conventional deposition techniques, for example oxide deposits produced by PECVD (Phase evaporation chemical vapor deposition).
  • index ni examples (index ni) of supports AR-Pol-1 are presented below for a substrate 1 of silicon and for uses either in an ambient medium such as air, or in immersion.
  • Layers 2 then have less common indices which are preferably obtained: - either by sol-gel and aerogels processes leading to porous silicas (index 1.37), the index also being well approximated by a layer of MgF 2 (index 1.38).
  • Indices 1.79 and 1.99 can also be obtained by all deposition techniques, in particular by PECVD deposition of mixtures of oxides such as HfO ⁇ and Y 2 O 3 or of all the materials listed in the dictionaries of physical properties of materials (for example: Handbook of Optical constants of solids, Vol. 1-5, Académie Press, Ed. Palik and Ghosh (1997)) or in optical dictionaries (for example: Handbook of optics, McGraw-Hill Professional Publishing, New York, (2000)).
  • the thickness e ? is in Angstroms.
  • n ⁇ is the index of the material constituting the support. It is taken from “Hand Book of Optics, Me Graw Hill Professional Publishing New York 2000 in which a particular wavelength is defined for each material.
  • a second table is given for an angle of incidence of 5 °.
  • index values are taken from Born and Wolf's book, “Principles of Optics: Electromagnetic Theory of Propagation, Interference and diffraction of Light", Cambridge University Press (1999) and from E.D.
  • optical microscope Possible applications in the optical industries, in the improvement of measurements or the observation in reflection of thin films or very small objects under an optical microscope or under any other optical imaging instrument such as viewfinder, telescope, macroscope , magnifying glass, binocular magnifying glass, camera, camera, near field microscope, endoscope, confocal microscope, near field optical microscope (SNOM), biochip reader, magneto-optical reader, confocal microscope.
  • viewfinder telescope
  • macroscope magnifying glass, binocular magnifying glass
  • camera camera
  • near field microscope endoscope
  • confocal microscope near field optical microscope (SNOM)
  • biochip reader magneto-optical reader
  • magneto-optical reader confocal microscope.
  • the AR-X-Pol and Ampli-Pol supports can be used both as an anti-reflective background and as an object holder for all microscopy work in polarized light in reflection, whether the observation is done in the open air, immersion, or through the support. They allow optimal visualization not only of objects placed on the surface of the support, but also of the interface between the substrate 1 and the layer 2.
  • the substrate 1 has a magneto-optical susceptibility (longitudinal or transverse Kerr effect, polar Kerr effect), the AR-Pol coatings bringing a considerable improvement in contrast and in sensitivity of the magneto-optical reading methods.
  • AR-Pol supports are particularly effective for observations in differential interference contrast in reflection, whatever the variant of the technique used, and whatever the type of polarization used (linear or circular) and allow the combination of all these techniques. of interference contrast with all the other visualization, detection, or measurement techniques mentioned.
  • AR-Pol coatings with a layer 2 exist for all types of substrates 1. They allow a detection more sensitive than with all the other techniques of the modifications which occur at the end of an optical fiber, and in particular the detection of a species captured by a sensitive layer 2 installed at the end of such a fiber.
  • They are also ideal supports for carrying out optical monitoring in situ or a posteriori quality control of deposits of ultra-thin layers 2 carried out by all the available deposition techniques, for example by Langmuir-Blodgett techniques, by plasma, ion deposition, spin-coating, dip-coating, MBE techniques, etc.
  • AR-Pol supports are also advantageously used as object holders in all micro-manipulation devices under an optical microscope: optical tweezers, magnetic tweezers, piezoelectric tweezers.

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Abstract

L'invention concerne un support destiné à l'observation entre polariseurs croisés d'un objet placé à son voisinage dans un milieu (3) d'indice n0 avec un éclairage incohérent convergent incident sous un angle theta0 à une longueur d'onde lambda. Ledit support comprend un substrat (1) d'indice de réfraction complexe n2 et une couche (2) d'indice de réfraction complexe n1 et d'épaisseur e1. Selon l'invention, la valeur de l'épaisseur e1 de la couche (2) est à 2% près telle que (I) avec (II). L'invention concerne aussi des dispositifs d'observation incorporant un tel support.

Description

SUPPORTS ANTI-REFLECHISSANTS ET SUPPORTS AMPLIFICATEURS DE CONTRASTE POUR LA LUMIERE POLARISEE EN REFLEXION La présente invention concerne des supports porte-objet destinés à améliorer les mesures ou l'observation en réflexion de films minces ou d'objets très petits sous microscope optique ou sous tout autre instrument d'imagerie optique: viseur, lunette, macroscope, loupe, loupe binoculaire, caméra, appareil photo, microscope à champ proche, endoscope, microscope confocal, microscope à champ proche optique (SNOM), lecteur de biopuces, lecteur magnéto-optique, microscope confocal. Ces supports sont en particulier destinés à être utilisés dans les techniques de visualisation et de mesure en contraste interférentiel différentiel (DIC) par réflexion. Ils sont également destinés à être utilisés dans toutes les techniques d'observation et de mesure par réflexion en lumière polarisée.
Ces supports sont définis soit par un ensemble de caractéristiques qui peuvent concerner leur nature (exemple: une couche diélectrique sur un substrat de silicium) ou leur fonction (exemple: support amplificateur de contraste pour les observations entre polariseurs croisés), et qui si elles sont communes à un certain nombre de ces supports les classent dans des familles de supports, soit par un ensemble de paramètres ajustables qui permettent de reconnaître individuellement les membres d'une famille donnée. L'objectif de la présente invention est donc de proposer un support, présentant en fonction de l'épaisseur ei et de l'indice ni de la couche formée sur un substrat d'indice de réfraction complexe n2, dans un milieu ambiant d'indice n0, soit une fonction amplificatrice de contraste pour une observation en lumière polarisée, soit une fonction anti-réfléchissante pour la lumière polarisée.
A cet effet, l'invention concerne un support destiné à l'observation entre polariseurs croisés d'un objet placé sur le support ou à son voisinage dans un milieu d'indice no avec un éclairage spatialement incohérent convergent incident sous un angle ΘQ à une longueur d'onde Λ, comportant - un substrat d'indice de réfraction complexe n2,
- une couche d'indice de réfraction complexe ni et d'épaisseur e La valeur de l'épaisseur ei de la couche est à 2% près telle que : -lnlσl2 = 0 de. avec
Figure imgf000004_0001
formule dans laquelle σ?y et π,y représentent respectivement la somme et le produit des coefficients de Fresnel des différents interfaces [(i,j)=(0,1) ou (1.2)]: nj cos θi - nt cos 0. rϋ(P) n} cosθi +nt cosθj et n. cos#;- —Hj cosθj r - nt cos θi + tij cos θj
. , , u n 2πn,e. cosό1, et dans laquelle βi = — ,
Λ
Figure imgf000004_0002
L'invention concerne également un support destiné à l'observation entre polariseurs croisés d'un objet placé sur le support ou à son voisinage dans un milieu d'indice no avec un éclairage incohérent convergent incident sous un angle ΘQ à une longueur d'onde λ, comportant - un substrat d'indice de réfraction complexe n2l - une couche d'indice de réfraction complexe ni et d'épaisseur e-i.
La valeur de l'épaisseur ei de la couche est à 2% près telle que :
Figure imgf000004_0003
deχ avec
_ σ0I + σa (1 + πM )e'~2JM + σmπae M σ- + 01(p) + ri2(p)e ' )(l + r01(j)r!2(s)e ) formule dans laquelle σy et π/y représentent respectivement la somme et le produit des coefficients de Fresnel des différents interfaces [(i,j)=(0,1 ) ou (1 ,2)]:
_ nj cos #,. - ni cos θj nj cos θ( + n . cos θj et nj Cosθi -nj cos θj rϋ(s) ~ «,. cos#(- + nj cos θj
. . . „ n 2me, cos#, et dans laquelle β-, = - -Λ ' λ avec cosθi = l- sin2 ( n
V / «ι
L'invention concerne également un support destiné à l'optimisation du coefficient d'extinction utile d'un microscope polarisant pour l'observation d'un objet placé sur le support ou au-dessus du support dans un milieu d'indice no avec un éclairage incohérent convergent incident sous un angle θ0 à une longueur d'onde λ, comportant
- un substrat d'indice de réfraction complexe n2>
- une couche d'indice de réfraction complexe ni et d'épaisseur e-f La valeur de l'épaisseur ei de la couche est à 2% près telle que :
avec
et
Figure imgf000005_0001
et σ0I + σI2(l + r0 ™ + σ-01^12e Λ-4Jβι) σ= rp+rs
(l + rc (rWù βt
°-{p) "*" ri2(p)e )α+ι -υ
01(.) 2(.)C formule dans laquelle σjy et π;y représentent respectivement la somme et le produit des coefficients de Fresnel des différents interfaces [(i,j)=(0,1 ) ou (1.2)]: nj cos θj - n- cos θj rϋ(p)
Hj co θj +ni cosθj et n osθ -fij o θj
Figure imgf000006_0001
+ nj cosθj
et dans laquelle # = m& cos - t avec cos^ = Al -ry ) sin2 θ0 .
La présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniques possibles :
- les valeurs de l'indice de réfraction n? et de l'épaisseur ei de la couche sont à 2% près tels que : σ= 0
- le substrat et la couche sont diélectriques ou faiblement absorbants, le module de la partie imaginaire de leur indice complexe étant inférieur à
0.01 , les conditions générales se réduisant aux conditions :
nieicosθi = — + k—
4 2 et
Figure imgf000006_0002
avec k entier et avec une incertitude de 2 % sur les valeurs de ni et e? ;
- 0o est inférieur à 5°, les conditions générales se réduisant à
Figure imgf000007_0001
et nήθïcosθi = — + k—
4 2 avec k entier et avec une incertitude de 2 % sur les valeurs de ni et e-t ;
- le support est destiné à un usage en éclairage incident annulaire avec un angle d'incidence θo qui est unique à ± 2.5° près ;
- le support est destiné à un usage en éclairage incident et axial convergent avec un angle d'incidence moyen o lié à son ouverture angulaire totale Δθo par la relation :
Figure imgf000007_0002
- l'éclairage est monochromatique ou quasi-monochromatique à la longueur d'onde Λ ;
- l'éclairage est à spectre large continu ou polychromatique d'étendue maximale ± 0.3 λ autour de sa longueur d'onde moyenne λ ;
- le support étant destiné à un usage dans l'air comme milieu ambiant, avec θ0 = 30° et λ= 589,3 nm, le substrat est en cadmium avec n2= 1.13-
5.01j, la couche ayant pour indice ni = 1.42 et eι= 1084 Angstrôms ;
- le substrat et la couche ont les spécificités du tableau suivant dans lequel n-i et ei sont l'indice et l'épaisseur de la couche, n2 l'indice de réfraction complexe du substrat, pour l'air comme milieu ambiant, 0O = 5° et λ= 540 nm
Figure imgf000007_0003
- 0o est un angle d'incidence moyen valant 20° et le substrat et la couche ont les spécificités du tableau suivant dans lequel ni et ei sont l'indice et l'épaisseur de la couche, n2 l'indice de réfraction complexe du substrat, pour l'air comme milieu ambiant (3) et λ= 540 nm
Figure imgf000008_0001
- 0o vaut 5° et le substrat et la couche ont les spécificités du tableau suivant dans lequel ni et ei sont l'indice et l'épaisseur de la couche à 2% près, n2 l'indice de réfraction complexe du substrat, no l'indice du milieu ambiant, λ= 589,3 nm quand la couche est en cadmium et λ= 540 nm dans les autres cas
Figure imgf000008_0002
Figure imgf000009_0001
- les paramètres définis par les revendications 10 à 14 sont conservés à l'exception de la longueur d'onde λ et de l'épaisseur ei de la couche 2 qui sont modifiés proportionnellement, — n'étant pas modifié.
L'invention concerne également un accessoire destiné à l'observation d'un échantillon préférentiellement liquide constitué d'une boîte de Pétri et d'un support destiné à recevoir ledit échantillon, le support étant le fond de cette boîte.
L'invention concerne également les dispositifs ayant les caractéristiques suivantes :
- dispositif d'observation d'un échantillon comprenant un microscope optique, un support destiné à recevoir ledit échantillon et deux polariseurs croisés ;
- dispositif d'observation d'un échantillon comprenant un microscope optique, un accessoire destiné à recevoir ledit échantillon et deux polariseurs croisés ;
- dispositif d'observation d'un échantillon comprenant un microscope optique, un support destiné à recevoir ledit échantillon, un polariseur et une lame quart-d'onde ;
- dispositif d'observation d'un échantillon comprenant un microscope optique, un accessoire destiné à recevoir ledit échantillon, un polariseur et une lame quart-d'onde ;
- dispositif d'observation d'un échantillon dont le microscope optique est muni d'un dispositif de contraste interférentiel différentiel.
Dans différents modes de réalisation possibles, l'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique de la transmission et de la réflexion obliques d'une onde plane à l'interface plane entre deux milieux semi-infinis 0 et 1 ;
- la figure 2 est une représentation schématique d'un support, selon l'invention.
Pour décrire complètement l'invention, le support qu'elle concerne est présenté, ci-après, dans son contexte en reprenant à la fois les définitions des éléments impliqués et des dispositifs proches par rapport auxquels il est utile de le situer.
I. Conventions:
Les conventions de signe adoptées sont celles représentées à la figure 1 et décrites également dans le livre de Azzam et Bashara intitulé "ellipsometry and polarised light", North-Holland, p 271. Cette figure représente la transmission et la réflexion obliques d'une onde plane à l'interface plan entre deux milieux semi-infinis 0 et 1. θo et θi sont respectivement les angles d'incidence et de réfraction, p et s sont respectivement les polarisations parallèle et perpendiculaire au plan d'incidence. Le vecteur produit p x s des vecteurs unités le long de ces axes est parallèle à la direction de propagation et orienté dans le sens de la propagation. II. Définitions:
• Par "support", on entend l'association d'un substrat 1 solide d'indice complexe de réfraction n∑ et d'un revêtement comportant au moins une couche 2 d'épaisseur e-i et d'indice de réfraction complexe n-i. Ce support est placé dans un milieu ambiant 3 d'indice no.
• Par "échantillon", on entend l'association du support porte-objet et de l'objet qu'il porte, ledit support étant l'objet de l'invention.
• Par "observation", on entend une observation oculaire directe à travers un instrument ou l'acquisition d'une image ou d'un signal par des moyens de détection comprenant un dispositif d'enregistrement tel qu'appareil photo analogique ou numérique, caméra CCD, ou un dispositif de mesure tel qu'un détecteur (cellule photovoltaïque, photomultiplicateur) ou une matrice de détecteurs (barrette de photodiodes, CCD ) placés dans un plan où se forme l'image de l'échantillon. • Un support parfaitement réfléchissant est défini par les relations r,| = kl = 1 (E ) sur ses coefficients de Fresnel rp et rs.
• "L'intensité normalisée" de l'image d'un support ou d'un échantillon obtenue au moyen d'un dispositif d'imagerie fonctionnant en réflexion et incluant éventuellement un ou plusieurs éléments polarisants et/ou modifiant la polarisation de la lumière et recueillie par des moyens de détection ou d'observation est définie par le rapport R = — où / = l(x, y) désigne
l'intensité recueillie en un point (x, y) de l'image et où lo = lo(x, y) désigne l'intensité recueillie en un point (x, y) de l'image par les mêmes moyens de détection ou d'observation réglés de la même façon en l'absence de tout polariseur et en utilisant un support parfaitement réfléchissant.
• Un support "anti-réfléchissant" (AR) est défini comme ayant un coefficient de réflexion minimal sur l'ensemble de ses paramètres ajustables. Il est relatif aux conditions de l'observation ou de la mesure. Un support antiréfléchissant idéal est tel que son coefficient de réflexion soit nul.
• Un support "amplificateur de contraste" est défini tel que l'objet qu'il porte soit observé avec un contraste rendu maximal ou qu'une grandeur physique de l'objet soit mesurée avec une sensibilité rendue maximale sur l'ensemble de ses paramètres ajustables. Il est également relatif aux conditions de l'observation ou de la mesure. Il est de plus relatif à la nature de l'objet observé. Lorsque la nature de l'objet n'est pas précisée, l'objet sera défini par défaut comme un film mince d'épaisseur 1 Angstrδm (A) et d'indice n identique à celui de la surface du support, c'est à dire du matériau constituant la couche 2 en contact avec l'objet.
III. Conditions d'éclairage:
"L'éclairage axial convergent" est convergent et à symétrie radiale autour de la normale à la surface, défini comme "l'axe" dans la suite de la description, avec un angle d'ouverture θmax. Les angles d'incidence participant au cône d'éclairage sont donc tous les angles compris entre 0 et θmax.
« L'éclairage annulaire » possède aussi une symétrie radiale autour de la normale à la surface, i.e. l'axe, mais il est défini par un angle d'incidence θ unique à mieux que 5 degrés près. L'éclairage "anisotrope" est défini par le fait que a symétrie radiale des azimuts φ est brisée mais la symétrie par rapport à l'axe conservée, et enfin "l'éclairage oblique" est défini par un seul angle d'incidence 0et un seul azimut φ.
Excepté lorsque spécifié, l'éclairage sera considéré comme annulaire dans le reste de la description. Cependant, les supports décrits pour un usage sous éclairage annulaire avec un angle d'incidence 0o sont également destinés à être utilisés avec un éclairage axial convergent avec un angle d'incidence moyen 0O .
Lorsque l'éclairage est axial convergent, on appelle "angle moyen" 0o l'angle défini par le cercle séparant le cône d'éclairage en deux angles solides de même valeur. Le support est donc destiné à être utilisé sous un éclairage convergent d'ouverture angulaire Δθo et centré sur 0o, où 0o est l'angle d'incidence moyen compris entre 0 et Δθo défini par la relation cos0o =
(Figure 2).
Figure imgf000012_0001
Par défaut, la collection de la lumière par les moyens de détection ou d'observation est supposée à symétrie radiale autour de la normale à la surface, avec le même angle unique de collection ou le même angle d'ouverture que l'éclairage, dans le reste de la description. L'éclairage est spatialement incohérent, ce qui signifie qu'un rayon lumineux contribuant à l'éclairage ne peut interférer qu'avec lui-même. Dans ces conditions, les contributions à la formation de l'image doivent être ajoutées en amplitude le long d'un faisceau et en intensité sur l'ensemble des faisceaux, c'est à dire sur l'ensemble des angles d'incidence 0 et des azimuts φ contribuant à l'éclairage. Les coefficients de Fresnel rp et rs sont des fonctions complexes de 0. Dans le cas de supports anisotropes, ce sont de plus des fonctions de φ. Mais le support est supposé isotrope dans le reste de la description excepté lorsque spécifié.
De même, l'éclairage est supposé monochromatique ou quasi- monochromatique, le faisceau lumineux étant centré sur une longueur d'onde λ. Cependant, les supports décrits pour un usage sous éclairage quasi- monochromatique à la longueur d'onde λ sont également destinés à être utilisés avec un éclairage en lumière blanche ou poly-chromatique, le spectre de l'éclairage étant alors centré sur λ. IV. Conditions de polarisation IV.1) Lumière non polarisée: L'intensité normalisée RNP s'écrit:
1_ i \ -
R NNPP -= vP + \r. (E2) 2
Elle vaut 1 pour un support parfaitement réfléchissant. Le coefficient de réflexion du support est défini par cette intensité normalisée en lumière non polarisée. Il dépend des conditions d'éclairage. IV.2) Lumière polarisée:
L'échantillon est placé entre un premier et un deuxième polariseurs.
Dans un mode de réalisation préférentielle et pour le reste de la description lesdits polariseurs seront considérés comme linéaires. Lorsque ledit échantillon est éclairé par un faisceau lumineux, le faisceau traverse sur son trajet optique le premier polariseur qui définit sa polarisation, puis après interaction avec l'échantillon, le faisceau lumineux traverse le deuxième polariseur. Le premier polariseur est appelé "polariseur d'éclairage". Le deuxième polariseur est le polariseur d'analyse ou "analyseur". Le premier et le deuxième polariseurs forment entre eux un angle φ modulo π.
L'intensité normalisée R(φ) s'écrit :
4 R(φ) = cos2φ \r + rs ? (E3)
Figure imgf000013_0001
ou, de façon équivalente :
4 R(φ) = - (\r J2 + kl2 + S l \r - r s f = RNP + SSUl
Figure imgf000013_0002
(E4)
Dans le cas particulier où le premier et deuxième polariseurs sont parallèles, elle s'écrit :
4 R(0) = (\. r+Ha +rs 2RNP - l \rp + r, (E5)
ou, de façon équivalente :
4 R(0) = R
Figure imgf000013_0003
' w NP + - 1 \rp -rsf (E6)
Dans le cas particulier où les premier et deuxième polariseurs sont perpendiculaires, c'est à dire croisés, elle s'écrit :
4 *φ '7 \ -≈ i 1 r, +r.\ |2 (E7) ou, de façon équivalente:
Figure imgf000014_0001
Dans le cas particulier où les deux polariseurs font entre eux un angle^ π- elle s'écrit:
Figure imgf000014_0002
Ainsi, l'intensité normalisée peut être modulée autour de sa valeur moyenne /^ avec une amplitude r |^ -^ 2 Par rotation relative de l'analyseur et du polariseur d'éclairage.
Si on pose R+ ≡ r r„ +r„ et R" ≡ r P — r s \
Alors:
4R(φ) = 2RNPcos2φ - R+cos2φ = RNP + R'cos2φ = R+ + 2R"cos2^ (E3-E4 bis)
4R(Oj = 2RNP - R+ = RNP + (E5-E6 bis)
4 R(^J = R+ = RNP - (E7-E8 bis)
Le support de l'invention est destiné à être utilisé entre un premier et un deuxième polariseurs croisés. Le faisceau lumineux incident sur le support est donc polarisé.
V. Supports et revêtements anti-réfléchissants V.1) lumière non polarisée.
Il est connu qu'en lumière non polarisée, un support anti-réfléchissant (AR) placé dans un milieu ambiant d'indice n0 présente un coefficient RNP qui est minimum. Le support anti-réfléchissant idéal, qui vérifie RNP = 0 ne peut être obtenu que pour un seul angle d'incidence θo = 0 et ne peut être réalisé sur un substrat 1 d'indice n2 différent de no où n∑ est l'indice de réfraction complexe du substrat 1 , qu'en déposant une seule couche 2 d'épaisseur optique ^ et d'indice optique rii tel que:
Figure imgf000014_0003
n0 étant l'indice optique du milieu incident.
L'épaisseur optique j- signifie que l'épaisseur physique e-i de la couche 2 est liée à la longueur d'onde λ du faisceau lumineux permettant l'éclairage et à la direction 0? dudit faisceau par rapport à la normale à la surface après réfraction dans la couche 2, ou angle d'incidence réfracté, par la relation:
Figure imgf000015_0001
avec k entier et cos0? = l - 1 n°/ sin2 0n j Dans, le cas considéré, cette relation se réduit donc à:
Figure imgf000015_0002
Rappelons que l'angle réfracté θi est lié à l'angle incident 0O sur le support par la relation de Snell: nιs nθι = t?osin0o où r?0 est l'indice optique du milieu incident. De même, nous avons π2sin02 = t?osin0o. Rappelons enfin que sin20, + cos20; = 1 dans tous les milieux.
En pratique, il est souvent préférable d'utiliser des supports AR non idéaux mais peu sensibles à la longueur d'onde λ ou à l'angle d'incidence 0O du faisceau lumineux incident. Ces supports sont obtenus par des empilements multicouches appelés traitements anti-reflets. Dans un mode de réalisation, ces traitements sont utilisés pour éliminer les reflets sur les verres de lunettes ou pour éliminer la lumière parasite générée par les réflexions sur les dioptres des systèmes optiques. II existe cependant d'autres cas où les supports AR plus sélectifs et plus efficaces sont recherchés, par exemple pour l'élaboration de filtres interférentiels passe-bande étroits en transmission. V.2) supports et revêtements "AR-Pol"en lumière polarisée.
L'invention concerne des supports similaires aux supports anti- réfléchissants, mais destinés à être utilisés en lumière polarisée. Ils se différencient des supports anti-réfléchissants par leur composition et par leurs propriétés optiques. Nous les désignons par l'appellation "AR-Pol". Ces nouveaux supports forment un ensemble encore plus vaste et plus diversifié que les supports anti-réfléchissants classiques, et peuvent intervenir comme accessoires ou comme composants dans de nombreux procédés ou dispositifs. Cet ensemble est le premier objet de la présente invention. Il se subdivise en familles correspondant à des regroupements par nature ou par fonction dont nous donnons ici quelques exemples. Chaque famille est désignée par une appellation "AR-( )-Pol-( )-( )... ", où les parenthèses successives représentent les précisions supplémentaires permettant de la définir. Des équations E2 à E9 découlent les relations d'ordre suivantes:
Figure imgf000016_0001
pour tout ^ ,et:
4 R(&) ≤ 4 R = RNP ≤ 4R(0) (\2)
Ainsi que le montrent les inégalités 11 et 12, l'intensité normalisée de l'image d'un support ou d'un échantillon isotrope est toujours plus faible entre deux polariseurs croisés que pour toute autre orientation relative des polariseurs et qu'en l'absence de polariseur. V.3) Microscope polarisant:
Comme il est bien connu, le coefficient d'extinction Ce d'un microscope polarisant, est l'une de ses caractéristiques techniques importantes. Il doit être aussi faible que possible. Dans le cas d'un microscope fonctionnant en réflexion, il est défini comme le rapport des intensités réfléchies par un support parfaitement réfléchissant placé d'une part entre un premier et un deuxième polariseurs croisés et d'autre part, entre un premier et un deuxième polariseurs parallèles, soit:
Cθ ≈ î i (£14)
L'examen des équations E5 et E7 montre que la définition du support parfaitement réfléchissant donnée par les équations E1 n'est pas suffisante car l'intensité recueillie l(φ) dépend des phases relatives des deux coefficients de Fresnel rD et rs à travers leur somme. Comme le but du coefficient d'extinction est de caractériser le microscope lui-même, il est nécessaire d'introduire davantage de précision dans la définition du support parfaitement réfléchissant en considérant soit la condition virtuelle rp = rs = 1 , soit la condition rp = -rs =1. La première condition n'étant par physiquement réaliste, elle est donc éliminée pour ne retenir que la seconde. De plus, on a toujours rp = - rs pour un angle d'incidence du faisceau lumineux sur le support tel que θo = 0, ce qui permet d'associer le coefficient Ce = 0 au microscope idéal. Nous définissons le Coefficient d'extinction utile de l'ensemble formé par le microscope et l'échantillon comme le rapport:
Figure imgf000017_0001
l'échantillon étant au minimum constitué d'un support.
Pour un microscope polarisant fonctionnant en réflexion, la valeur de Cu découle directement des équations E6 et E8:
Figure imgf000017_0002
qui s'écrit encore:
Figure imgf000017_0003
puisque:
RNP = l
Figure imgf000017_0004
+ rs\ + l rp -r, = R+ + R' (E16 ter)
Maximisation du coefficient d'extinction:
Le support anti-réfléchissant idéal correspond à RNP = 0. D'après l'équation E2, cela implique à la fois rp = 0 et rs = 0, et donc R(φ) = 0 quel que soit φ. Le coefficient d'extinction utile n'est plus défini. On peut alors par prolongement le définir comme:
Cu = lim Cu (E17),
RNP→0 ce qui permet d'englober le cas limite du support anti-réfléchissant idéal dans la discussion qui suit. D'après l'équation E16 bis, le coefficient d'extinction utile Cu est une
fonction croissante du Pour améliorer le coefficient
Figure imgf000018_0001
d'extinction, et donc l'abaisser, c'est ce rapport qu'il faut minimiser. VI. supports anti-réfléchissants entre polariseurs croisés AR-X-Pol Nous définissons la famille des supports AR-X-Pol comme la famille
| 2
\r + rs des supports pour lesquels le rapport — est rendu minimal, ce qui
RNP représente une règle de conception dudit support. De façon équivalente, nous en donnons la définition fonctionnelle suivante: c'est la famille des supports qui optimisent le coefficient d'extinction utile de l'ensemble [microscope + support] pour un microscope polarisant idéal.
Les supports AR-X-Pol idéaux s'obtiennent lorsque ce minimum est nul. Ils sont donc donnés par la condition σ- 0.
Nous définissons le revêtement AR-X-Pol comme la couche 2 qui permet de transformer un substrat 1 donné en un support AR-X-Pol. VI.1 ) supports AR-X-Pol-SD-1 D
Ces supports correspondent au cas où les matériaux utilisés pour le substrat 1 et la couche 2 sont non absorbants, ce qui signifie que le module de la partie imaginaire de leur indice est inférieur à 0,01.
L'expression de rp et rs pour un solide d'indice optique n∑ recouvert d'une seule couche 2 d'indice ni et d'épaisseur e-i dans un milieu ambiant d'indice no est classiquement donnée par :
Figure imgf000018_0002
[ Azzam et Bashara, "ellipsometry and polarised light", North-Holland, 1987], avec: soit m = s, soit m = p, selon la polarisation considérée et avec:
_ 2πn1el cos0j
(E18) βl = λ
Figure imgf000018_0003
Cette équation nous permet d'écrire „ - r Λ.r - σ- rp+rs -
Figure imgf000019_0001
où σ,j et π/y représentent respectivement la somme et le produit des coefficients de Fresnel:
nj cos 0(. + n, cos 07
et
«, cos0, - ra , cos0, n,. cos 0. + « . cos 07
VI.1 -1) Les supports AR- X-Pol- SD-1D idéaux
Ces supports sont obtenus lorsque σ= 0 (E19 bis) Contrairement à la condition [RNP = 0] qui définit les supports antiréfléchissants classiques idéaux, la condition σ= 0 est toujours vérifiée en incidence normale. Les cas dans lesquels cette condition est également vérifiée pour un angle d'incidence non nul, seront examinés ci-dessous.
Les matériaux considérés étant diélectriques ou quasi-diélectriques, p et ηj(S) sont réels, et donc σjy et πy sont réels. La situation recherchée correspond donc au cas où g2j^' est réel, ce qui entraîne, soit :
2βi = (2k + ^π (E22) soit: 2β1 = 2kπ (E23)
avec k entier, c'est à dire soit:
Figure imgf000019_0002
soit:
Figure imgf000020_0001
La condition E24 est identique à la condition E11 qui est l'une des relations définissant les supports anti-réfléchissants classiques. On a donc g~2Ψι = ±- . La recherche des solutions de l'équation (E19 bis) se réduit à la résolution des équations:
σiw(1 + π12) - σ12( + πoi) = 0 (E26) et: σiw(1 + J-12) + + π0ι) = 0 (E27)
On note cl = cos2 /< et si = sin20/c pour tous les milieux.
Rappelons la relation de Snell: n/(sin0/c = nosin0o
Il est facile d'établir:
Figure imgf000020_0002
et:
d'où:
Figure imgf000020_0003
L'équation E26 se réduit ainsi à: c0c∑ = c? (E31 ) qui s'écrit encore:
2nè n% - n? (riξ + n$ ) = (nξ ni - n? )sin20f (E32)
Cette équation peut être résolue sans difficulté par rapport à chacun de ses paramètres. Elle n'est jamais satisfaite avec un support anti-réfléchissant classique. Dans le cas où l'angle d'incidence est très petit, cette condition se réduit à:
Figure imgf000021_0001
Le couple d'équations E25 et E27 n'a pas de solution pour n0 ≠n∑. Les deux formules E24 et E32 (ou de façon équivalente E35 bis) définissent la famille de supports AR-X-Pol-SD-1 D idéaux pour un angle d'incidence arbitraire défini indifféremment par sa valeur 0O dans le milieu ambiant (3) ou par sa valeur réfractée θi dans la couche (2) et également pour un éclairage axial convergent défini par un angle réfracté moyen <θι>. Les deux formules E24 et E33 définissent la sous-famille de supports
AR-X-Pol-SD-1 D idéaux pour un instrument d'optique avec un éclairage annulaire défini par un angle d'incidence réfracté Θ1 ou avec un éclairage axial convergent d'ouverture faible et définie par un angle réfracté moyen <θ1>. Propriétés des équations E32 et E33 et conséquences: n Les 4 variables no, n∑, ni et sin ? = — sin0o ne sont pas n,
indépendantes. Il suffit de considérer les variables réduites x = V2 et y =
\no
pour décrire toutes les situations.
Figure imgf000021_0002
L'équation E32 devient alors: x2 (y -. cl ) - 2 xy +ysi = 0 (E34)
dont les solutions sont données par i) les solutions en x :
X „ _ +^y(y-s0)
(E35) y+c0 2
que nous pouvons aussi écrire:
Figure imgf000021_0003
ii) les solutions en y: iii) les solutions en 0O :
Figure imgf000022_0001
iv) la variation de x avec l'angle d'incidence θo :
Figure imgf000022_0002
qui montre que l'indice optimal ni de la couche 2 décroît quand l'angle d'incidence augmente. Pour des incidences faibles, l'évolution de ni avec 0O est décrite par l'approximation:
Figure imgf000022_0003
soit:
Figure imgf000022_0004
qui montre à nouveau que l'indice optimal décroît quand l'angle d'incidence augmente.
Cette dépendance est d'autant plus faible que y est proche de 1.
Or, pour un microscope parfait (Ce = 0), le coefficient d'extinction utile est toujours nul en incidence normale (Cu = 0).
Un support AR-X-POL optimisé pour un angle non nul, par exemple de l'ordre de 20 degrés, est optimal pour travailler avec un éclairage annulaire correspondant. Mais de plus, puisqu'il permet d'obtenir Cu = 0 à la fois pour une incidence nulle et pour une incidence non nulle, il permet de conserver un excellent coefficient d'extinction utile sur l'ensemble du cône d'ouverture d'un éclairage axial convergent, de 0 à 30 degrés par exemple. Cela constitue un avantage considérable des revêtements AR-X-POL sur les revêtements antiréfléchissants classiques pour toutes les applications des supports antiréfléchissants compatibles avec l'utilisation d'une lumière polarisée. Cette flexibilité sur l'angle d'incidence se traduit par une flexibilité analogue sur la longueur d'onde de l'éclairage à faible incidence. En effet, par différenciation logarithmique de l'équation E24 par exemple, nous obtenons:
- tan^ Δ^ ≈ ^ qui montre qu'une variation de longueur d'onde aussi grande que 30% avec un éclairage annulaire est équivalente à une ouverture de 30 degrés sur un éclairage convergent avec une longueur d'onde fixe. Cette variation de longueur d'onde couvre l'ensemble du spectre visible autour de λ = 0.55μm.
Si l'on veut au contraire exploiter les effets de couleur à des fins de détection, l'utilisation d'un éclairage annulaire avec un angle d'incidence élevé permet d'apporter une grande sensibilité à la longueur d'onde.
Les supports et revêtements AR-X-Pol sont donc particulièrement avantageux pour des utilisations en lumière blanche. L'indice n-i de la couche 2 est intermédiaire entre l'indice n2 du substrat 1 sur lequel elle est formée et l'indice no du milieu ambiant. Les équations E32 et E33 sont symétriques en no et n∑.
Cela montre que ladite couche 2 possède les mêmes propriétés que la lumière se réfléchisse du milieu de faible indice vers le milieu de fort indice ou du milieu de fort indice vers le milieu de faible indice. Ainsi, on peut éteindre la réflexion d'une lumière polarisée lorsque le substrat 1 est l'extrémité d'une fibre optique, ou bien une lame ou le fond d'une boîte de Pétri lorsqu'on les observe par en-dessous sur un microscope inversé. VI.1-2) supports AR-Pol-X-SD-1 D approchés Lorsque les trois indices (no, n-i et n∑) sont imposés ou contraints, le minimum de |σ| par rapport à e-i n'est plus nul si la condition E32 ne se trouve pas vérifiée, mais ce minimum existe néanmoins et correspond à la meilleure extinction possible compte tenu des contraintes.
La meilleure extinction possible entre polariseurs croisés s'obtient alors en recherchant le minimum de |σ| (ou de façon équivalente celui de |σ|2 ) par rapport à e-,. Avec 0? et n-j fixés, cela revient à les chercher par rapport à /??. Posons z =
Figure imgf000023_0001
L'expression de σ donnée par l'équation E19 est le rapport de 2 polynômes de degré 2 en z. Puisque
Figure imgf000023_0002
= 1 , le carré du module de chacun de ces polynômes ne contient que des termes constants, des termes en COS2 ?Ï, et des termes en cos4/?? . La dérivée de leur rapport est donc proportionnelle = 0 sont
donc des solutions de l'équation solutions
Figure imgf000024_0001
données par les équations E24 et E25. Ainsi, même lorsque les conditions E32 ou E33 ne sont pas satisfaites, on peut optimiser l'épaisseur de la couche
2 pour optimiser le coefficient d'extinction utile sous un microscope polarisant, et cet optimum correspond soit à une couche 2 "à ^-", soit à une couche 2 "à
A. » 2 •
VI.2) supports AR-X-Pol-1 Nous décrivons ici les règles de construction des supports AR-X-Pol constitués d'un substrat 1 solide recouvert d'une seule couche 2 dans le cas général où le support, la couche 2, et le milieu incident 3 ont des indices optiques complexes quelconques (milieux éventuellement absorbants). VI.2-1) supports AR-X-Pol-1 idéaux Parmi ceux-ci, les supports idéaux pour l'angle θo sont obtenus lorsque σ = 0, où la quantité σ est donnée par l'équation E19, où βi est lié à l'angle θi par la relation E18, 02, 0? et θ0 étant toujours liés par la relation de Snell étendue aux fonctions complexes. L'équation: σ0ι + σ*2(1 + π01)z + σoim z2 = 0 (E19 ter) a toujours 2 solutions Zή et z∑ ordonnées selon leur module, jz^ <|z2J , qui s'expriment en fonction des coefficients σoi, σ-i∑, πoi et πi∑ eux mêmes fonctions des trois indices no, n1t n∑ et de l'angle θo.
Le milieu 1 n'étant pas amplificateur, la solution zi est la seule acceptable. Son expression se traduit par une relation qui définit numériquement la famille des supports AR-X-POL-1 idéaux. Cette famille est bornée par la condition |z,|≤ 1.
VI.2-2) supports AR-X-Pol-1 approchés.
Lorsque les trois indices sont imposés ou contraints et que l'un d'entre eux au moins est complexe, le minimum de |σ|par rapport à e? n'est plus nul si la condition E42 n'est pas vérifiée par la solution de plus petit module de l'équation E19ter, mais il existe néanmoins puisque Iσ est une fonction quasi- périodique de e-j. On entend ici par "quasi-périodique" que n-t étant complexe, le module de e"4^1 s'amortit quand e* augmente.
Le meilleur coefficient d'extinction possible compte tenu des contraintes est obtenu en recherchant le minimum de |σj (ou de façon équivalente celui de |σ|2) par rapport à e?. A θi et ni fixés, cela revient à le chercher par rapport à la quantité complexe βi, ce qui peut être fait numériquement. L'épaisseur e-, est ensuite donnée par l'équation:
Figure imgf000025_0001
qui est une généralisation de l'équation E18. VI.2- 3) revêtement diélectrique idéal sur support absorbant.
Un cas particulier utile est celui où seul le support est absorbant, les indices des autres milieux restant réels. Alors βi est réel, et |σ| est une fonction périodique de β
Mais comme σi∑ et πi∑ sont complexes, 2jβ1 n'est plus réel. L'épaisseur optimale qui
Figure imgf000025_0002
est donc donnée par:
Figure imgf000025_0003
où la plus petite des solutions ec n'est plus égale ni à ^ ni à ^ .
4 λ
Cette équation généralise les équations E24 et E25.
Ainsi, dans le cas d'un substrat 1 absorbant, le revêtement AR-X-POL se différencie d'un revêtement anti-réfléchissant classique non seulement par son indice, mais aussi par son épaisseur.
VII. Supports amplificateurs de contraste idéaux
Pour la visualisation du bord d'un objet d'étude ayant la forme d'un film mince posé sur la surface du support, il convient d'exploiter d'une part la différence entre les intensités recueillies en observant le film et d'autre part la surface du substrat 1 nue qui sont notées /> et ls (ou de façon équivalente /(F) et l(S)). Ces intensités sont proportionnelles aux intensités normalisées correspondantes.
Le contraste du bord du film est donné par la relation suivante: Cf = ^~ ^ (E50) IF et ls étant positifs, Cf est une fonction strictement croissante du rapport
Pour bien visualiser le film, il faut maximiser Cf et donc rendre le rapport — maximal (ls → 0, pour tendre vers un contraste de 1) ou minimal
(IF → 0, pour tendre vers un contraste de -1). II faut donc éteindre soit la surface, soit le film.
Une méthode de visualisation sensible repose d'une part sur une bonne extinction, et d'autre part sur une extinction critique, c'est à dire très sensible à l'épaisseur de la dernière couche 2 de l'empilement. Les supports anti-réfléchissants AR-X-Pol présentent ces qualités et sont donc également des supports amplificateurs de contraste.
Les performances d'une méthode de visualisation peuvent être quantifiées par le contraste obtenu lorsque le film observé devient extrêmement mince. Dans ce cas, IF et ls deviennent voisins et dl = / - ls s'apparente à un élément différentiel.
Pour un film d'épaisseur très mince Δe posé sur le support, on peut écrire au premier ordre en Δe :
/JL = 1 + ^L Ae ≈1 + Δe — In / (E51 ) -ls Js de de où on a supposé que l'indice optique du film est identique à celui de la couche 2 supérieure, c'est à dire de la dernière couche 2 de l'empilement, et où — de est la dérivée de l'intensité réfléchie par le substrat 1 nu par rapport à l'épaisseur e de cette couche 2.
Dans le cas où le substrat 1 est composé d'un support solide recouvert d'une seule couche 2 diélectrique, e est donc l'épaisseur de la couche 2 unique. Le film apparaît donc comme une simple fluctuation d'épaisseur de la couche 2 supérieure.
Un contraste optimal est donc obtenu pour les deux situations: i) — In / → +∞ (extinction du support, Q = +1) de ii) — In / = -1 (extinction du film, Cf = -1) de Le contraste optimal ne peut être atteint qu'avec une extinction totale. La sensibilité de la visualisation est, en Angstrδms'1 :
≤ = 1 ^ (E52)
Δe 2 de
Elle n'a de sens que lorsque le contraste est faible (quand Δe est très de petit devant 1 ) et permet de comparer des seuils de détection. VII.1) en lumière non polarisée
Dans l'équation E51 , ^- = Rflp <F) ≈1 + Δe — In RNP.
Is RNP(S) de
Puisque l'extinction totale n'est possible qu'avec un support antiréfléchissant parfait et puisque ce support n'existe que pour une incidence normale, les performances de ce support pour la visualisation en lumière convergente, c'est à dire pour l'imagerie, sont limitées. VII.2) entre polariseur et analyseur croisés
L'équation E51 devient
^ ≈1 + Δe ^-ln|σ|2 (E52) Rs(φ) de
Un contraste optimal est donc obtenu pour les deux situations: d I I 2 i) — In \σ\ → +∞ (extinction du support, Cf = +1 ) de d ι \ . ii) — In \σ = -1 (extinction du film, Cf = -1 ) de
Chacune de ces situations correspond à σ = 0 c'est à dire à un support AR-X- Pol idéal. Dans la première, l'épaisseur optimale e est celle du revêtement seul. Dans la seconde, c'est la somme des épaisseurs du revêtement et de l'objet. La sensibilité de la visualisation est donnée par, en [Angstrôms"1] :
CF _ d i i
- - = — In \ rp + rs \ Δe de
Il résulte des considérations précédentes que :
1) Les meilleurs supports amplificateurs de contraste sont les supports antiréfléchissants idéaux. 2) Les supports AR-X-Pol sont les seuls supports capables de fournir une extinction totale en éclairage annulaire et une extinction quasi-parfaite en éclairage faiblement convergent. L'utilisation de ces supports entre polariseurs croisés permet d'obtenir des contrastes nettement meilleurs que tous les autres supports dans tous les modes d'imagerie sans marquage en lumière incohérente.
VIII. supports amplificateurs de contraste non idéaux en lumière polarisée: VIII.1) entre polariseurs croisés Lorsque le support n'est plus idéal, l'équation E19 bis n'est plus satisfaite. C'est en particulier le cas quand l'indice de la couche 2 est imposé et qu'elle n'a plus de solution parce que la relation E26 n'est plus vérifiée. Alors, l'extinction totale n'est plus possible et la condition Cf = + 1 ne peut plus être atteinte (la condition Cf = - 1 peut encore l'être pour un objet très particulier). Nous montrons que le contraste n'est plus optimisé lorsque le minimum de l'intensité réfléchie est atteint mais pour des épaisseurs de couche 2 situées de part et d'autre de ce minimum, le minimum correspondant à l'inversion de signe du contraste. Dans ce cas le contraste est optimisé quand: i) -^-ln)σ|2 maximum (extinction partielle du support, Cf maximum) ii) - lnjσ|2 minimum (extinction partielle du film, Cf minimum) C'est à dire quand :
Figure imgf000028_0001
Nous nous limitons maintenant au cas de matériaux diélectriques et nous cherchons l'épaisseur optimale de la couche 2 diélectrique pour l'optimisation du contraste avec un revêtement amplificateur à une couche 2.
L'épaisseur d'inversion de contraste ei est donnée par l'équation E24 qui correspond à la condition que e'2Jβl soit réel. Afin d'explorer les épaisseurs situées de part et d'autre de e-i, nous posons β = — + ε . La relation E26 n'étant plus complètement vérifiée, nous posons :
Figure imgf000028_0002
Le développement en e de Iσl donne
Figure imgf000029_0001
expression dans laquelle:
A=Δ2 (E60)
B = (l - πn J 2 + A(l + πl2) C = (l - P + πMπl2) D = P + Pπ0lπ12 4π, 01^12
et où :
P = r0l{p)r12{p) + r0l{s)r12it) (E61 ) II s'ensuit:
SBε 8Dε
(E61 ) dε A + Bε2 C + Dε1
L'équation E57 a pour solution:
AC
4^2 = (E62)
BC + AD
Si le revêtement reste performant, Δ est petit, et dans ce cas e est proche de ^ .
La relation de définition E18 nous donne finalement les deux épaisseurs ei' et e-T' qui optimisent le contraste: o ' λ 2ε λ
1 + — + k (E63) β' = 4 \ π ) 2
Ω „ λ 2ε ^ λ θ1 = T 4 l 1,1 — + k— π j 2
Les formules E63 généralisent la formule E24 aux supports amplificateurs de contraste non idéaux.
Nous désignons la famille des supports amplificateurs de contraste par l'appellation supports Ampli-Pol lorsqu'il y a lieu de les distinguer des supports AR-Pol. Entre polariseurs croisés, ils deviennent les supports Ampli-X-Pol, etc.. IX. Supports AR-X-Pol et Ampli-X-Pol anisotropes
Dans toute utilisation d'un support AR-Pol ou d'un support Ampli-Pol, il est essentiel d'optimiser ses performances (taux d'extinction utile Cu ou contraste Cf). Pour cela, il faut satisfaire aux relations qui le définissent avec précision, ce qui engendre des difficultés de fabrication (tolérance sévère sur l'épaisseur e par exemple) et des difficultés de mise en oeuvre (réglage des paramètres du microscope pour une visualisation par exemple).
Afin de diminuer ces difficultés, il est avantageux d'introduire dans les supports un élément de réglage. Cet élément est apporté par l'utilisation de matériaux aux propriétés optiques anisotropes dans la réalisation des supports.
Par défaut, le matériau anisotrope est le substrat 1 , la couche 2 et le milieu incident restant isotropes. Les axes principaux (x, y, et z) du matériau anisotrope sont parallèles et perpendiculaire à la surface du support. Les coefficients de Fresnel du support sont remplacés par une matrice de réflexion:
PP P- (E70) rsp
dans laquelle compte tenu des orientations des axes principaux rps = rsp = 0, ce qui permet d'exprimer l'amplitude réfléchie en fonction de l'amplitude incidente comme:
quand l'axe x est d
Figure imgf000030_0001
quand l'axe y est dans le plan d'incidence. A l'interface entre le milieu isotrope i et le milieu anisotrope j, les coefficients px; , r^sxj , py; et syj sont donnés par nJxnβct - w,. (n2 z - n2s2)ï
'H J>x) (E72) njXnjzCi + n,. (»2. - n f ^
Figure imgf000031_0001
si le plan d'incidence est parallèle à x, et: njynj-Ci ~ nM- ~ nfsf )2 rϋ(py) (E73) njynj- i + ni (nl - «^ )2
Figure imgf000031_0002
La formule E17 restant toujours valide pour r(mx) et r(my) à la fois (avec m = p ou m = s) s'il est parallèle à y.
Les équations E72 montrent que, selon l'orientation relative φ = (P,x) de l'échantillon et du polariseur P en azimut, obtenue en effectuant une rotation de l'un par rapport à l'autre autour de la normale, on obtient des coefficients de Fresnel effectifs >; et s variables, donnés par les combinaisons linéaires suivantes: rv(P) = rϋW ∞s <P + rij(Py) sin <P (E74) rij(s) = ty„) cos φ + rij{sy) sin φ
Un raisonnement analogue s'applique au cas où le substrat 1 est isotrope et la couche 2 anisotrope.
Ainsi, un support optimal pour une visualisation sous microscope en lumière polarisée est anisotrope et tel que tel que la valeur optimale de ses coefficients de réflexion rp et rs soit obtenue pour un angle φ intermédiaire entre 0 et ^ et de préférence égal à ^ pour donner la latitude de réglage
2, 4 maximale.
X . Polarisation circulaire L'invention ne saurait être limitée à la description qui précède. Le faisceau lumineux utilisé a ainsi dans un autre mode de réalisation une polarisation circulaire et les supports AR-Pol et Ampli-Pol présentent avantageusement une même efficacité. Comme il est bien connu, les observations et mesures entre polariseur et analyseur croisés sont alors remplacées par des observations et mesures équivalentes entre [polariseur suivi d'une lame 1 d'onde] et [lame ^ d'onde identique suivie d'un polariseur
(ou analyseur) parallèle au premier, préférentiellement identique]. Ceci vaut aussi pour toutes les techniques de visualisation et de mesure en contraste interférentiel différentiel (DIC).
Le support de l'invention a fait l'objet de plusieurs mises en œuvre présentées dans les exemples suivants pour lesquels la longueur d'onde arbitraire d'éclairage est, sauf spécification contraire, λ - 540 nm.
On a constaté que lorsqu'un support conforme à l'invention a été déterminé, il est possible d'en déduire d'autres qui, du point de vue de l'invention, ont des propriétés comparables en modifiant l'épaisseur ei de la couche 2 et la longueur λ d'utilisation tout en maintenant leur rapport λ constant. Cela ouvre de très larges possibilités.
Exemple 1
Les supports AR-Pol, bien qu'obéissant à des règles de construction très pointues, se déclinent à l'infini. Quatre exemples (indice «; et épaisseur de couche ej(λ)) de supports AR-Pol-1 idéaux pour une incidence proche de la normale (0O =5°) sont présentés ci dessous. Ces exemples sont destinés à être utilisés comme supports porte-objet pour des observations et des mesures effectuées dans un milieu ambiant tel que l'air (le milieu incident étant l'air ou le substrat).
Figure imgf000032_0001
Nous donnons aussi pour ces substrats 1 les indices ni et les épaisseurs ei des revêtements à une couche 2 qui optimisent le contraste Cf de toute observation entre polariseurs croisés avec un éclairage axial convergent sous une incidence de 0,2° (par convention θ0 = 0) et nous donnons la valeur ni et la valeur absolue du contraste Cf obtenu avec un éclairage convergent d'ouverture 30° au bord d'un film de 1 nanomètre d'épaisseur ainsi que les épaisseurs e-T et e-i" telles que définies par les équations 63.
L'indice n∑ est l'indice du matériau constitutif du support. Il est extrait de
« Hand Book of Optics, Me Graw Hill Professional Publishing New York 2000 » dans lequel une longueur d'onde particulière est définie pour chaque matériau.
Figure imgf000033_0001
Par ailleurs, nous donnons aussi, pour ces substrats 1 , les indices n-i, épaisseurs ei des revêtements à une couche 2 qui optimise le contraste C/de toute observation entre polariseurs croisés avec un éclairage annulaire sous une incidence de 20°. Nous donnons la valeur absolue du contraste C/θbtenu dans ces conditions, avec un éclairage convergent d'ouverture 30° (π/6) au bord d'un film de 1 nanomètre d'épaisseur. Les épaisseurs e et e/" sont celles données par les équations E63.
Figure imgf000033_0002
Figure imgf000034_0001
Les indices ni sont très courants et les couches 2 peuvent être réalisées par toutes les techniques de dépôt classiques, par exemple dépôts d'oxydes réalisés par PECVD (Phase evaporation chemical vapor déposition).
Exemple 2
Des exemples (indice ni) de supports AR-Pol-1 sont présentés ci- dessous pour un substrat 1 de silicium et pour des utilisations soit dans un milieu ambiant tel que l'air, soit en immersion.
Des supports AR-Pol idéaux anisotropes peuvent être obtenus en déposant sur un substrat 1 de silicium (n∑ = 4.12 - 0.05/) dopé ou non, clivé selon un plan 100 une couche 2 d'épaisseur optique -^ au sens de la relation
E24 et d'indice n1 égal à: 1.37 quand le milieu incident est l'air (d'indice 1 )
1.79 quand le milieu incident est l'eau (d'indice 1.33) 1.99 quand le milieu incident est une huile d'indice 1.5.
Les couches 2 ont alors des indices moins courants qui s'obtiennent préférentiellement: - soit par des procédés sol-gel et aérogels conduisant à des silices poreuses (indice 1.37), l'indice étant également bien approché par une couche de MgF2 (indice 1.38).
- soit par des techniques d'oxydation avec des mélanges de gaz conduisant à des mélanges de matériaux SiO∑ - SiO (indice 1.79), ou à des couches d'oxynitrures SiOxNy (indices 1.79 et 1.99) avec les proportions suivantes: x= 0.4 et y= 0.6 pour obtenir n? = 1.79 ; x=0 et y= 1 pour obtenir n? = 1.99.
L'indice ni = 1.37 peut aussi s'obtenir par dépôt de polymères fluorés (tels que des trifluoroalkyl-alkylsiloxanes ou des copolymères de trifluoroalkyl- alkylsiloxanes et de dimethylsiloxanes), le dépôt pouvant s'effectuer par spin- coating à partir d'une solution. Les indices 1.79 et 1.99 peuvent aussi s'obtenir par toutes les techniques de dépôt, en particulier par dépôt PECVD de mélanges d'oxydes tels que HfO∑ et Y2O3 ou de tous les matériaux listés dans les dictionnaires de propriétés physiques des matériaux (par exemple: Handbook of Optical constants of solids, Vol. 1-5, Académie Press, Ed. Palik and Ghosh (1997)) ou dans les dictionnaires d'optique (par exemple: Handbook of optics, McGraw-Hill Professional Publishing, New-York, (2000)).
L'indice de certains matériaux change fortement avec la longueur d'onde de la lumière, et l'ajustement d'indice peut être remplacé par un ajustement de longueur d'onde; C'est par exemple le cas d'une couche 2 de SiO qui présente un indice utile de 1.95 pour 1 = 490 nm et de 1.99 pour 1 = 540 nm.
Exemple 3
Nous donnons ci-dessous quelques autres exemples de supports AR-
Pol idéaux (qui sont donc aussi Ampli-Pol idéaux) pour différents milieux incidents et pour un éclairage annulaire de très faible incidence (θ0 = 5 degrés). L'épaisseur e? est en Angstrôms.
Un premier tableau est donné pour un angle d'incidence de 0,2°. L'indice n∑ est l'indice du matériau constitutif du support. Il est extrait de « Hand Book of Optics, Me Graw Hill Professional Publishing New York 2000 dans lequel une longueur d'onde particulière est définie pour chaque matériau.
Figure imgf000035_0001
34
Figure imgf000036_0001
Un deuxième tableau est donné pour un angle d'incidence de 5°. La longueur d'onde est λ = 540 nm excepté pour le Cadmium où elle vaut 589,3 nm.
Figure imgf000036_0002
35
Figure imgf000037_0001
Exemple 4
Nous donnons enfin un exemple avec un éclairage annulaire à une longueur d'onde λ = 589,3 nm et un angle d'incidence important. Pour un support de cadmium et une observation dans un milieu ambiant tel que l'air sous un angle d'incidence unique de 30 degrés, la couche 2 idéale est obtenue pour ni = 1.42 et e-p 1084 Angstrôms.
Les valeurs des indices sont tirées du livre de Born and Wolf, intitulé "Principles of Optics : Electromagnetic Theory of Propagation, Interférence and diffraction of Light", Cambridge University Press (1999) et du livre de E.D.
Palik, intitulé « handbook of optical constants of solids », vol. 1 à 5, Académie
Press (1985).
Applications possibles dans les industries de l'optique, dans l'amélioration des mesures ou l'observation en réflexion de films minces ou d'objets très petits sous microscope optique ou sous tout autre instrument d'imagerie optique tel que viseur, lunette, macroscope, loupe, loupe binoculaire, caméra, appareil photo, microscope à champ proche, endoscope, microscope confocal, microscope à champ proche optique (SNOM), lecteur de biopuces, lecteur magnéto-optique, microscope confocal.
Les supports AR-X-Pol et Ampli-Pol sont utilisables à la fois comme fond anti-réfléchissant et comme support porte objet pour tous les travaux de microscopie en lumière polarisée en réflexion, que l'observation se fasse à l'air libre, en immersion, ou à travers le support. Ils permettent une visualisation optimale non seulement d'objets posés à la surface du support, mais aussi de l'interface entre le substrat 1 et la couche 2.
Ils permettent une visualisation et une mesure optimales de tous les effets de dichroïsme et de biréfringence à l'intérieur de la couche 2 elle- même.
Cela est particulièrement avantageux pour l'imagerie et la lecture parallèle de domaines magnétiques situés dans la couche lorsqu'elle possède une susceptibilité magnéto-optique à chacun des effets suivants: effet Faraday, effet Voigt, biréfringence magnétique linéaire.
Ils permettent une visualisation et une mesure optimales de tous les effets d'anisotropie de réflexion à l'interface entre le substrat 1 et la couche 2, ce qui est particulièrement avantageux pour la mise en oeuvre de la technique de microscopie de réflexion anisotrope (RAM).
Cela est aussi particulièrement avantageux si le substrat 1 présente une susceptibilité magnéto-optique (effet Kerr longitudinal ou transverse, effet Kerr polaire), les revêtements AR-Pol apportant une amélioration considérable en contraste et en sensibilité des procédés de lecture magnéto-optiques.
Les supports AR-Pol sont particulièrement efficaces pour les observations en contraste interférentiel différentiel en réflexion, quel que soit la variante de la technique utilisée, et quel que soit le type de polarisation utilisé (linéaire ou circulaire) et permettent la combinaison de toutes ces techniques de contraste interférentiel avec toutes les autres techniques de visualisation, de détection, ou de mesure mentionnées.
Les revêtements AR-Pol à une couche 2 existent pour tous les types de substrats 1. Ils permettent une détection plus sensible qu'avec toutes les autres techniques des modifications qui se produisent à l'extrémité d'une fibre optique, et notamment la détection d'une espèce capturée par une couche 2 sensible installée à l'extrémité d'une telle fibre.
Ce sont des supports porte-objet idéaux pour les techniques de microscopie à champ proche (AFM, STM, SNOM, et autres SPM) car ils permettent la détection, le repérage, et la visualisation de films ou objets invisibles par les techniques optiques conventionnelles.
Ce sont aussi des supports idéaux pour effectuer le suivi optique in situ ou le contrôle de la qualité a posteriori de dépôts de couches 2 ultra-minces effectués par toutes les techniques de dépôt disponibles, par exemple par les techniques de Langmuir-Blodgett, par les techniques de plasmas, de dépôt ionique, de spin-coating, de dip-coating, par MBE, etc..
Utilisés comme supports porte-objets, ils augmentent aussi l'efficacité des techniques des techniques magnéto-optiques, des techniques de microscopie confocale en lumière polarisée, des techniques SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy) en lumière polarisée, et de toutes les techniques de visualisation spectroscopiques (absorption infra-rouge, Raman, Fluorescence, Absorption ultra-violette, Microscopie à 2 photons.
Utilisés comme supports porte-objets, ils permettent d'accroître considérablement la qualité des mesures de réflectivité en lumière polarisée et d'ellipsomètrie sous microscope optique.
Les supports AR-Pol sont aussi avantageusement utilisés comme supports porte-objet dans tous les dispositifs de micro-manipulation sous microscope optique: pinces optiques, pinces magnétiques, pinces piézoélectriques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Support destiné à l'observation entre polariseurs croisés d'un objet placé sur le support ou à son voisinage dans un milieu (3) d'indice n0 avec un éclairage spatialement incohérent convergent incident sous un angle θo à une longueur d'onde λ, comportant
- un substrat (1) d'indice de réfraction complexe n2,
- une couche (2) d'indice de réfraction complexe ni et d'épaisseur ei caractérisé en ce que, la valeur de l'épaisseur ei de la couche (2) est à 2% près telle que :
avec
Figure imgf000040_0001
formule dans laquelle σ?y et π,y représentent respectivement la somme et le produit des coefficients de Fresnel des différents interfaces [(i,j)=(0,1) ou (1.2)] :
_ n . cos θt - «,. cos θj rU(P) = n} cos θ a~i +, n- cos θ~. et r
Figure imgf000040_0002
nt cos θ; + ιij cos θj
2mτxel cost9j et dans laquelle βt = λ
Figure imgf000040_0003
2. Support destiné à l'observation entre polariseurs croisés d'un objet placé sur le support ou à son voisinage dans un milieu (3) d'indice n0 avec un éclairage incohérent convergent incident sous un angle 0O à une longueur d'onde λ, comportant - un substrat (1 ) d'indice de réfraction complexe n2,
- une couche (2) d'indice de réfraction complexe ni et d'épaisseur e-i
caractérisé en ce que,
la valeur de l'épaisseur ei de la couche (2) est à 2% près telle que
0 de. avec
Figure imgf000041_0001
formule dans laquelle σy et π,y représentent respectivement la somme et le produit des coefficients de Fresnel des différents interfaces [(i,j)=(0,1 ) ou
(1.2)]: n; c sθ; - ni Cosθ,- rm = - ' > ' nj cosθi + n. cosθj et nt cos θj — nj cos θ r ~ n.- cosθ, + n: cost9,
. , . u n 2πn.e, cost . et dans laquelle βi = — — L avec cos θi = l - sin2 θ0 j
3. Support destiné à l'optimisation du coefficient d'extinction utile d'un microscope polarisant pour l'observation d'un objet placé sur le support ou au- dessus du support dans un milieu (3) d'indice n0 avec un éclairage incohérent convergent incident sous un angle 0O à une longueur d'onde λ, comportant - un substrat (1 ) d'indice de réfraction complexe n2,
- une couche (2) d'indice de réfraction complexe ni et d'épaisseur ei
caractérisé en ce que,
la valeur de l'épaisseur ei de la couche (2) est à 2% près telle que :
Figure imgf000042_0001
avec
RNP= ± 4 P s + 1 4 et
et
Figure imgf000042_0002
formule dans laquelle σ?y et π,y représentent respectivement la somme et le produit des coefficients de Fresnel des différents interfaces [(ij)=(0,1) ou (1.2)]: nj cos θj - n j cos θj rϋ(P) ~ njcosθj +nt osθj et njCO θj-njCo θj
Figure imgf000042_0003
n;Cθsθj +nj cosθj
et dans laquelle β. = 2m^cosθι , avec cos fl = Jl-fVY sin210.
4. Support selon la revendication 1 ou 2 ou 3, caractérisé en ce que les valeurs de l'indice de réfraction n7 et de l'épaisseur e^ de la couche (2) sont à
2% près tels que : σ=0
5. Support selon la revendication 4, caractérisé en ce que le substrat (1) et la couche (2) sont diélectriques ou faiblement absorbants, le module de la partie imaginaire de leur indice complexe étant inférieur à 0.01, les conditions générales de la revendication 4 se réduisant aux conditions: et
«2 + Λ/«2 cos2 θQ(nl -n sin2 θ0) n 2 = -f
1 2 2 9 Λ n2 +Hg cos t90 avec k entier et avec une incertitude de 2 % sur les valeurs de ni et e-\
6. Support selon la revendication 5, caractérisé en ce que 0O est inférieur à 5°, les conditions générales de la revendication 4 se réduisant à
2 1 + 1
? „ 2 ?
«! «0 «2 et nieicosθi = -4+ k^ avec / entier et avec une incertitude de 2 % sur les valeurs de n-i et e?.
7. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 ou 5 à 6, caractérisé en ce qu'il est destiné à un usage en éclairage incident annulaire avec un angle d'incidence θ0 qui est unique à ± 2.5° près.
8. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 ou 5 à 6, caractérisé en ce qu'il est destiné à un usage en éclairage incident et axial convergent avec un angle d'incidence moyen θo lié à son ouverture angulaire totale Δθo par la relation :
Figure imgf000043_0001
9. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'éclairage est monochromatique ou quasi-monochromatique à la longueur d'onde λ .
10. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'éclairage est à spectre large continu ou polychromatique d'étendue maximale ± 0.3 Λ autour de sa longueur d'onde moyenne λ. 42
11. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 7 à 10, destiné à un usage dans l'air comme milieu ambiant (3), avec 0O = 30° et λ = 589,3 nm, caractérisé en ce que le substrat (1 ) est en cadmium avec n2 = 1.13-5.01J, la couche (2) ayant pour indice n-ι = 1.42 et ei = 1084 Angstrôms.
12. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 7 à 10, caractérisé en ce que le substrat (1) et la (2) ont les spécificités du tableau suivant dans lequel ni et ei sont l'indice et l'épaisseur de la couche, n2 l'indice de réfraction complexe du substrat (1 ), pour l'air comme milieu ambiant (3), 0o = 5° et λ= 54O nm
Figure imgf000044_0001
13. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 7 à 10, caractérisé en ce que 0O est un angle d'incidence moyen valant 20° et en ce que le substrat (1) et la couche (2) ont les spécificités du tableau suivant dans lequel ni et ei sont l'indice et l'épaisseur de la couche (2), n2 l'indice de réfraction complexe du substrat (1), pour l'air comme milieu ambiant (3) et λ = 540 nm.
Figure imgf000044_0002
14. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 et 7 à 10, caractérisé en ce que 0O vaut 5° et en ce que le substrat (1 ) et la couche (2) ont les spécificités du tableau suivant dans lequel ni et ei sont l'indice et l'épaisseur de la couche (2) à 2% près, n2 l'indice de réfraction complexe du substrat (1), no l'indice du milieu ambiant (3) , λ= 589,3 nm quand la couche (2) est en cadmium et λ= 540 nm dans les autres cas.
Figure imgf000045_0001
15. Support selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les paramètres définis par les revendications 11 à 14 sont conservés à l'exception de la longueur d'onde λ et de l'épaisseur β de la couche 2 qui sont modifiés proportionnellement, — n'étant pas modifié.
16. Accessoire destiné à l'observation d'un échantillon préférentiellement liquide constitué d'une boîte de Pétri et d'un support destiné à recevoir ledit échantillon, caractérisé en ce que :
- le support est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 15,
- le support est le fond de cette boîte.
17. Dispositif d'observation d'un échantillon comprenant un microscope optique, un support destiné à recevoir ledit échantillon et deux polariseurs croisés, caractérisé en ce que le support est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 15.
18. Dispositif d'observation d'un échantillon comprenant un microscope optique, un accessoire destiné à recevoir ledit échantillon et deux polariseurs croisés, caractérisé en ce que l'accessoire est conforme à la revendication 16.
19. Dispositif d'observation d'un échantillon comprenant un microscope optique, un support destiné à recevoir ledit échantillon, un polariseur et une lame quart-d'onde, caractérisé en ce que le support est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 15.
20. Dispositif d'observation d'un échantillon comprenant un microscope optique, un accessoire destiné à recevoir ledit échantillon, un polariseur et une lame quart-d'onde, caractérisé en ce que l'accessoire est conforme à la revendication 16.
21. Dispositif d'observation d'un échantillon selon la revendication 16 ou 17 ou 17 ou 18, caractérisé en ce que le microscope optique est muni d'un dispositif de contraste interférentiel différentiel.
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