WO2019020928A1 - Système de capture de valeurs ponctuelles pour constituer une image avec des rayonnements terahertz - Google Patents

Système de capture de valeurs ponctuelles pour constituer une image avec des rayonnements terahertz Download PDF

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WO2019020928A1
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transistor
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thz
sensor
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Christophe ARCHIER
Benoit MOULIN
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Terahertz Waves Technologies
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Terahertz Waves Technologies
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/04—Simple or compound lenses with non-spherical faces with continuous faces that are rotationally symmetrical but deviate from a true sphere, e.g. so called "aspheric" lenses

Definitions

  • the present invention aims a system for capturing point values, to constitute an image with Terahertz radiation. It concerns, in particular, the field of imaging, for example for the control of qualities of manufactured parts.
  • the Terahertz domain designates electromagnetic waves whose frequency is between 0.075 THz and 10 THz, in terms of wavelength from 4 mm to 30 ⁇ . These waves are said to be millimeters, they are located between far infrared (or FIR for Far InfraRed), and radar waves (microwave).
  • the invention more particularly relates to the range 75-700 GHz. Indeed, in this frequency range, a large part of the non-conductive plastic and composite materials are transparent to the radiation. And the radiation sources are relatively accessible in terms of the ratio between the price of the source and the available optical power.
  • ⁇ is the wavelength
  • ON is the numerical aperture.
  • a diffraction limit of 2.44 mm is the order of one millimeter. This diffraction limit of the order of one millimeter corresponds to the average spatial resolution of a THz imaging system.
  • THz beam is invisible to the eye, and, unlike the near infrared, there is no photosensitive map allowing the conversion of radiation to wavelengths visible to the eye. This aspect has an impact on the tuning and alignment of the systems.
  • THz radiation generation methods for continuous THz radiation exist and can be used in a device that is the subject of the invention, for example:
  • Impatt diode associated with a frequency multiplier to go beyond 0.2
  • Oscillator fixed or variable between 0 and 0.02 THz associated with a frequency multiplier
  • Quantum Cascade Laser QCL
  • the signal generated by the sources usually used in the THz domain has a very pure coherence, the width of the emission line is very fine. This coherent radiation is not conducive to image formation because interference fringes are generated with a very large amplitude on each system allowing it. Typically, these sources have an accuracy of 0.001 Hz with a bandwidth of 1 kHz to -118dBc / Hz.
  • the present invention aims to remedy all or part of these disadvantages.
  • the present invention aims a device for capturing point values for constituting an image, which comprises:
  • an incoherent source of rays whose frequency is between 0.075 THz and 10 THz to illuminate an object
  • a radiation sensor originating from the object which comprises a zone sensitive to the radiation coming from the source and which emits an electrical signal representative of the intensity of the rays coming from the source reaching the sensitive zone of the sensor and
  • At least one less than one aperture focusing optical system located on the optical path of the rays emitted by the source from the source to the ray sensor passing through the object.
  • the imaging device is not subject to the presence of standing waves due to the inconsistency of the source.
  • the inventor has determined that this combination of optical and electronic means makes it possible to perform precise point measurements, the relative displacement of these means and the object making it possible to produce linear or matrix images.
  • the source used has a bandwidth of several GHz, preferably:
  • the source illuminates the object with a broad enough emission spectrum to scan the standing wave in a shorter time than the acquisition time of the sensor.
  • At least one optical system has an aspheric optical lens.
  • the dispersion (in percentage) of the indices of the materials used on the frequency ranges of the source is less than 1%.
  • the dispersion in HDPE high density polyethylene
  • HDPE high density polyethylene
  • the aspheric lens simplifies optical design, compared to the use of parabolic mirrors.
  • At least one optical component of an optical system has an antireflection coating with cone or crater-like microstructures.
  • the advantage of this method is that it makes it possible to perform anti-reflective treatments very broadband and insensitive to the orientation of the surface.
  • At least one optical system includes an optical lens and wherein the incoherent ray source is configured to illuminate the entirety of the optical lens closest to said source.
  • the transmission frequency of the incoherent source is modulated.
  • the incoherent source includes a noise source of thermal noise type in a resistor or impedance diode.
  • the device comprises a proximity electronics for biasing a nano-transistor comprising the photosensitive zone, by a gate voltage close to its swing voltage where the conventional operation of the transistor is the most nonlinear.
  • the rectified signal from the nano-transistor is amplified by forcing asymmetry of the charges in the nano-transistor channel by injecting a current in the transistor channel, between the drain and the source and / or using metallic patterns acting as antennas.
  • the rectified signal is a continuous potential difference between the drain and the source of the nano-transistor measured in common or differential mode.
  • the proximity electronics comprise a compensation circuit of the offset generated by the injection of the current between the drain and the source, for example by using a subtractor mounting.
  • the photosensitive area is a nano-transistor
  • the signal generated by the radiation THz is a continuous potential difference between the drain and the source of the nano-transistor measured in common or differential mode.
  • the device comprises a proximity electronics for biasing the nano-transistor by a gate voltage close to its swing voltage where the conventional operation of the transistor is the most nonlinear.
  • the rectified signal from the nano-transistor is amplified by forcing asymmetry of the charges in the nano-transistor channel by injecting a current in the transistor channel, between the drain and the source and / or using metallic patterns acting as antennas.
  • the device comprises at least one low noise and low drift amplifier that amplifies the signal on the dynamics of an analog digital converter.
  • the device comprises means for synchronizing the demodulation of the signal with the amplitude modulation signal of the source.
  • the device comprises means for synchronizing the digital output of the device with the THz source.
  • the sensor and the source are synchronized by a digital clock signal.
  • the source is modulated in amplitude by this clock signal which makes it possible to measure and compensate for the signal residue (offset) present at the terminals of the sensor in the absence of THz.
  • the compensation is both digital by high frequency subtraction of the signal measured with THz and without THz, but also by adjusting the voltage to subtract from the sensor signal to maintain the overall level within a certain voltage range.
  • This architecture guarantees greater sensitivity, improved signal-to-noise ratio.
  • the device comprises an encoder of the absolute positions of the object to be imaged, these measured position data being synchronized with the data from the sensor for use over the entire stroke of the displacement of the object. , including in the zones of accelerations, and an exploitation of the displacement back and forth of the object, by the setting of the even and odd lines avoiding a phenomenon of shearing.
  • the device according to the invention comprises a splitter plate, the polarization incident on the splitter plate being the polarization in TM mode (acronym for transverse mode for transverse mode) in which the field is parallel to the plane of impact.
  • TM mode acronym for transverse mode for transverse mode
  • the separating blade is, for example, a blade made of Si-HRFZ whose thickness is calculated to ensure optimal separation. Thanks to these provisions, it is possible to perform measurements in reflectometry. Polarization in TM mode provides better stability of the separation efficiency when the thickness of the separating blade varies in its manufacturing tolerance.
  • the device includes means for measuring the intensity of radiation from the object, and / or polarization of the rays from the object, and / or the difference in ray steps from the object.
  • the device object of the invention thus allows several types of measurements.
  • FIG. 1 represents, schematically and in section, a first embodiment of an incurent terahertz source
  • FIG. 2 represents, schematically and in section, a second embodiment of an incurent terahertz source
  • FIG. 3 represents, schematically and in section, a first embodiment of an imaging objective implemented in devices that are the subject of the invention
  • FIG. 4 represents, schematically and in section, a second embodiment of an imaging objective implemented in devices that are the subject of the invention
  • FIG. 5 represents, schematically and in section, a third embodiment of an imaging objective implemented in devices that are the subject of the invention
  • FIG. 6 represents, schematically and in section, a fourth embodiment of an imaging objective implemented in devices that are the subject of the invention.
  • FIG. 7 represents, schematically and in perspective, a first means of linear illumination of an object, implemented in devices that are the subject of the invention
  • FIG. 8 represents a non-uniform illumination curve
  • FIG. 9 represents an emission curve of a light source to compensate for the non-uniform illumination shown in FIG. 8,
  • FIG. 10 represents an optical system providing substantially the emission curve illustrated in FIG. 9,
  • FIG. 11 represents a substantially uniform illumination curve provided by the optical system illustrated in FIG. 10, with the linear illumination means illustrated in FIG. 7,
  • FIG. 12 represents, schematically and in perspective, a second linear illumination means having non-symmetrical surfaces
  • FIG. 13 represents, schematically and in section, a first particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 14 represents, schematically and in section, a second particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 15 represents, schematically and in section, a third particular embodiment of the device which is the subject of the invention.
  • FIG. 16 represents, schematically, a point sensor
  • FIG. 17 represents, schematically, a multi-pixel sensor
  • FIG. 18 represents an electronic diagram for a THz microscope. DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION
  • the indices of the materials are constant. within a few percent, or less as discussed above, for HDPE.
  • the systems that are the subject of the invention therefore do not have a problem of chromaticity, that is to say that there is no change in the optical behavior of the diopters when the wavelength changes.
  • the imaging device that is the subject of the invention uses an incoherent terahertz source (THz) 100.
  • THz incoherent terahertz source
  • An incoherent THz source 100 is, according to a first example, constituted, as illustrated in FIG.
  • a broadband TeraHertz 105 (f ⁇ 200 GHz) transmitter (0.1 GHz ⁇ Ai ⁇ 40 GHz), a filter 1 10 for limiting the emission band,
  • An incoherent THz source 100 is, according to a second example, constituted, as illustrated in FIG. 2:
  • a transmitter 130 in the low band that is to say in the frequency range from 0.1 GHz to 40 GHz, emitting on a narrow band (f ⁇ 1 GHz),
  • the emitter 110 or 130 generates an incoherent signal such that, in a time shorter than the acquisition time of the sensor, the emitter emits a sufficiently broad emission spectrum to scan the standing wave.
  • the source used has a bandwidth of several GHz, preferably:
  • the transmitter 110 or 130 is a noise source of thermal noise type in a resistance or impedance diode. In embodiments, the transmitter 110 or 130 is a tunable source such as a variable frequency oscillator or JIG.
  • the modulator 135 is tuned so that, once multiplied by each frequency multiplier 145, the generated signal has a transmission bandwidth preferably in the 0.1 GHz ⁇ Af ⁇ 10 GHz range. Note that the modulator 135 is flexible over a very narrow band (for example 200 MHz).
  • the amplifiers 1 15, 140 or attenuators are used to adjust the input power of the signal before each frequency multiplier 120 or 145.
  • the multipliers, amplifiers and attenuators can use structures on PCB (acronym of printed circuit board circuit board) or well guided (at the frequencies considered, we can manipulate these electromagnetic waves confined in metal waveguides).
  • the choice of the antenna 125 or 150 makes it possible to parameterize the optical properties of the beam coming out of the last multiplier 120 or 145: polarization, TEM mode (transverse electromagnetic mode for transverse electromagnetic mode), divergence and size of the emission point.
  • the source presented in FIGS. 1 and 2 uses an emission spectrum which ensures a scan at least equal to ⁇ / 4, which makes it possible to reduce the sensitivity to standing waves in the image while allowing the choice of the working frequency and the polarization.
  • the spatial resolution is related to the size of the smallest spot that can be focused through the system.
  • the spatial resolution is therefore proportional to the wavelength ⁇ , and to the numerical aperture ON used in the focusing system.
  • the numerical aperture ON is physically limited to a value of 0.5. But in the air with realistic optical indices (of a value of 1, 5 for example), it is very difficult to reach openings smaller than 0.7.
  • the divergence of the source is taken into account in order to choose the focal length f of the first lens so that the beam completely fills this first lens.
  • the diameter D of the beam is equal to the diameter of the first lens, and the numerical aperture parameter ON is optimized.
  • the imaging device that is the subject of the invention uses aspherical lenses (FIGS. 3 to 6 and 13 to 15).
  • a spherical lens is a lens whose shape of each surface follows a sphere.
  • spherical aberration an aberration related to the curvature of the lens, called "spherical aberration”.
  • Marginal rays passing near the edge of the lens
  • paraxial rays passing in the center of the lens.
  • This effect counterbalances the gain in resolution with the increase of the diameter of the beam, because the focused beam with spherical aberration no longer follows the Airy law mentioned above.
  • the introduction of this spherical aberration disrupts the entire propagation of the THz beam by creating rings of light instead of a point of focus ("spot”) well circular: there is a loss of energy in addition to 'a loss of information.
  • aspherical lenses For an aspheric lens the shape of the curvature follows a sphere at the center, but out of the center, the curvature is corrected to cancel the spherical aberration. In visible and infrared optics, these lenses are very expensive to manufacture because of their complex shape.
  • THz THz
  • 3D printing and / or micromachining with a residual roughness between 0.02 and 0.1 mm is carried out.
  • the measurement of the source propagation parameters makes it possible to define the illumination at the input of the system: divergence, distribution of the energy
  • the dispersion (in percentage) of the indices of the materials used for the lens, on the frequency ranges of the source is less than 1%.
  • the dispersion in HDPE is of the order of 0.5% over the frequency range and, more particularly:
  • the system is optimized by varying the distances between the optics, the radius of curvature of the surfaces as well as the conicity coefficients (hence the asphericity)
  • the system optimization criterion can be defined for example on the minimization of the spot size at several points of the field, or the minimization of the wavefront difference at several points of the field.
  • a roughness of 1/100 is sufficient to ensure good transmission efficiency. These roughnesses are compatible with microfraises used on modern lathes and milling machines and 3D wire deposition printing.
  • the focus lenses are designed to work in infinite focus mode, ie the incident beam must be collimated (parallel rays) and its diameter must be the same. than the active diameter of the lens.
  • the focal point where the beam is the smallest is defined and then the beam diverges again is captured by another lens.
  • a first method consists in depositing one or more layers of dielectric material whose optical index is lower than the optical index of the treated lens, for example the optical index of the treatment material is close to the square root of the optical index of the lens.
  • the thickness of the layer to be deposited is of the order of a quarter of the average wavelength used. This thickness of the treatment material is relatively large in THz, compared to the infra-red, which poses problems on the deposition technique.
  • a second method, preferably used in the imaging device of the invention is to form cone-shaped or crater-shaped microstructures using a micro-machining method, for example "laser drilling” ( laser milling) using a second femto laser.
  • laser drilling laser milling
  • These microstructures of dimensions smaller than the wavelength create an index gradient apparent on the surface of the diopters which cancels the reflection on the face because there is no longer the index discontinuity that causes the reflection.
  • the advantage of this method is that it makes it possible to perform anti-reflective treatments very wide band and less sensitive to the orientation of the surface, unlike the case of layer deposition.
  • This type of treatment increases the energy efficiency of multi-lens optical systems by increasing the transmission of each optical diopter. Thanks to antireflection treatments, the energy projected on the sensor is increased by several tens of percent. Antireflection treatments also help eliminate unwanted images and standing waves.
  • the THz detector is an RF nano-transistor in GAAS, GAN or INP in a technology less than 0.25 ⁇ which by plasma effect in its channel straightens the THz waves in the 0.1 THz bands. at 2.5 THz; - A proximity electronics 610 for biasing the detector.
  • the nano-transistor to be an efficient rectifier must be biased by a gate voltage close to its swing voltage where the conventional operation of the transistor is the most nonlinear.
  • the rectified signal is amplified by forcing asymmetry of the charges in the channel by injecting a current in the transistor channel between the drain and the source, which has the effect of increasing the sensitivity of the transistor;
  • the rectified signal is a continuous potential difference between the drain and the source of the nano-transistor measured in common or differential mode.
  • the proximity electronics 615 has a high impedance so as not to attenuate the amplitude of the signal and to force the injection of the bias current into the transistor and not into the amplification circuit.
  • a subtractor assembly compensates for the offset generated by the current injection between the drain and the source.
  • One or more low noise and low drift amplifiers amplifies the signal on the dynamics of the Digital Analog Converter ("CAN") 620;
  • the analog-to-digital converter has a large dynamic amplitude (> 12 bits) and is fast (> 100 thousand samples per second);
  • a central processing unit 625 implementing a signal demodulation algorithm.
  • the useful signal is placed at a frequency greater than 100 Hz by modulating the THz source.
  • the useful signal at the output of the sensor is derived from the demodulation of the signal received by the electronics.
  • the function of the point sensor 600 and its proximity electronics is to straighten the THz wave and to provide a suitable impedance signal for the following electronic stages.
  • the subtracter followed by an amplifier, or the differential amplifier makes it possible to amplify the useful signal differentially with respect to the offset signal generated by the injection of the current into the transistor.
  • the signal is digitized at a high rate (acquisition frequency> 1 kHz) as close as possible to the analog output.
  • Signal demodulation is performed synchronously with the source modulation signal, which provides a maximized signal-to-noise ratio by eliminating all additive noises at a frequency other than the source modulation frequency.
  • the digital output of the sensor is synchronized with the absolute positions of the object to be imaged.
  • an injection of a current into the channel of the transistor is carried out.
  • a current of the order of a few tens of ⁇ is injected into the transistor channel. This has the effect of increasing by several orders of magnitude the electrical response in the presence of THz radiation.
  • the injection is done by a current generating component directly connected to the transistor by its drain, the component may be for example a LM334 associated with a resistor, the choice of the value of the resistor allows to set the amount of current injected.
  • the useful signal at the terminals of the transistor in the presence of radiation THz being the voltage between its drain and its source, it is necessary to isolate the transistor and the component injecting the current from the rest of the amplification chain by a follower mounting having a very strong impedance.
  • the injected current can propagate only in the transistor and not in the amplification chain.
  • the resistance of the transistor channel is of the order of kOhm
  • the injection of the current into the channel generates a continuous offset across it.
  • This offset is present whether there is THz or not.
  • This offset can be of the order of several hundred mV which is problematic for the amplification chain. Indeed the amplifiers amplify as much the useful signal generated by the THz as the continuous offset: beyond a certain level the offset causes a saturation of the inputs of the different amplifiers. It is therefore necessary to subtract a DC voltage of the same order of magnitude as the offset voltage to the signal generated by the transistor to allow the amplification chain to remain in its input operating range.
  • the amplification is chosen such that the noise generated by it is low, it has a drift as low as possible, and a sufficient bandwidth for the working frequencies.
  • an OPA735 amplifier from Texas Instruments has the required performance.
  • Two amplification stages are conventionally chosen: the first of fixed gain of 10 or 100 near the sensitive surface, which ensures the transport of a signal several orders of magnitude higher than the level of noise induced by the circuit.
  • the second variable gain amplifier (for example between 1 and 10) near the analog-digital converter (ADC). This allows the total to reach a maximum amplification factor of 1000 while being able to adapt the amplification to fill the conversion range of the ADC.
  • FIG. 18 shows a transistor 815 receiving a gate voltage 805 and a current injection 810 on its drain, the voltage on the drain being supplied to a follower 820.
  • a subtractor 830 subtracts a voltage 825, then two amplifiers 835 and 840 amplify the signal.
  • the noise generated by the transistor increases greatly when current is injected. It is no longer interesting to operate in continuous mode (DC) because the noise level is too important, especially the low frequency noise related to the offset voltage. However, by placing the useful signal at a frequency of the order of kHz, a signal-to-noise ratio greater than 60 dB is obtained, compared to approximately 45 dB in continuous mode without injected current. The advantage of current injection is in this signal to noise ratio which is better with the current for a working frequency between 100Hz and 100kHz.
  • the procedure is as follows: the source is modulated externally by a programmable electronic component (for example an FPGA) which controls a radiofrequency amplitude modulator.
  • the programmable component controls the high and low states of the modulation: on one, the THz is emitted by the source; on the other, no signal is emitted.
  • the signal received by the sensor is either the useful signal related to the presence of THz radiation, or the background noise in the absence of THz.
  • the programmable component samples the signal from the sensor during the high and low states, it produces two averages: one corresponding to the average signal level on the high state, the other at the average signal level on the state low.
  • This architecture ensures greater sensitivity, reduced signal noise and signal synchronization with the optimal object position.
  • this multipixel sensor 700 is constituted, as illustrated in FIG. 17:
  • Each detector THz is a nano-RF transistor in GAAS, GAN, or INP in a technology less than 0.25 ⁇ which, by plasma effect, in its channel straightens the waves THz in the 0.1 THz bands at 2.5 THz.
  • Each nano-transistor is packaged in a micro surface packaging ⁇ 0.5 mm 2 ;
  • a nano-transistor for being an efficient rectifier is biased by a gate voltage close to its swing voltage where the conventional operation of the transistor is the most nonlinear.
  • the rectified signal is amplified by forcing asymmetry of the charges in the channel by injecting a current between the drain and the source; a proximity electronics 720 for formatting the THz signal.
  • the rectified signal is a continuous potential difference between the drain and the source of the nano-transistor measured in common or differential mode.
  • the proximity electronics 720 has a high impedance so as not to attenuate the amplitude of the signal and to force the injection of the bias current into the transistor and not into the amplification circuit.
  • a subtractor assembly compensates for the offset generated by the current injection between the drain and the source.
  • One or more low noise and low drift amplifiers amplifies the signal on the dynamics of the Digital Analog Converter (ADC) 725;
  • This digital-to-digital converter 725 has a large dynamic amplitude (> 12 bits) and is fast (> 100 kSamples / s or thousands of samples per second);
  • the THz source is modulated in amplitude which makes it possible to perform an averaged differential measurement.
  • a high-speed communication system 735 via an Ethernet, USB or cameralink communication protocol (registered trademarks).
  • the sensor and the source are synchronized by a digital clock signal.
  • the source is modulated in amplitude by this clock signal which makes it possible to measure and compensate for the signal residue (offset) present at the terminals of the sensor in the absence of THz.
  • the compensation is both digital by high frequency subtraction of the signal measured with THz and without THz, but also by adjusting the voltage to subtract from the sensor signal to maintain the overall level within a certain voltage range.
  • the absolute positions of the object to be imaged are measured by an encoder. These position data are then synchronized with the data from the THz sensor for use over the entire travel path including in the acceleration zones, but also the exploitation of the outward and return displacement by the calibration of the lines. even and odd, avoiding a shear phenomenon. And lastly, a averaging of the data calibrated on the absolute positions and not on the time allows an adaptation at any speed of displacement This architecture guarantees the highest sensitivity, reduced signal noise and synchronization of the signal with the optimal object position.
  • the multipixel 700 sensor makes it possible to enlarge the field of view spatially and thus to produce high resolution images with a high refresh rate (line frequency> 1 kHz).
  • Each sensor 700 including its proximity electronics is in charge of straightening the THz wave it receives locally and provide a suitable impedance signal for the following electronic stages.
  • each subtracter circuit followed by an amplifier, or differential amplifier, amplifies the useful signal.
  • the signal is digitized at a high rate (acquisition frequency> 1 kHz) as close as possible to the analog output.
  • the signal demodulation is performed synchronously with the source modulation signal on the signals from each pixel, providing a maximized signal-to-noise ratio by eliminating all additive noises at a frequency other than the modulation frequency of the signal. source.
  • the multipixel sensor 700 is located in the focal plane of the imaging optical system. Each point sensor is in charge of straightening the THz wave, amplifying the useful signal. The signal is digitized at a high rate (acquisition frequency> 1 kHz) as close as possible to the analog output
  • the small surface of the sensors allows a great compactness and thus it results a high spatial resolution.
  • the photosensitive components are arranged in line with, for example, a space between two components of the order of 300 ⁇ and an interpixel of 800 ⁇ , each component having a dimension of 500 ⁇ ⁇ 1 mm.
  • the individual polarization of each sensor makes it possible to guarantee uniform sensor-to-sensor sensitivity while maintaining high sensitivity.
  • Parallel management of all signals ensures a very high acquisition speed.
  • Embedded signal processing provides real-time filtering for the best signal-to-noise ratio. Communication via an Ethernet, USB or cameralink communication protocol allows packet management to send high-speed lines to link several muiti pixels sensors without loss of data.
  • the starting point for the design of linear sensor imaging systems is the spatial resolution imposed by the sensor.
  • the imaging device object of the invention has, in its multipixel embodiments, an inter-pixel of 800 ⁇ , and according to the model, a line of 64, 1 28 or 192 pixels. By choosing the field of view on the side of the object to be imaged, the optimal spatial resolution of the sensor and lens assembly is imposed.
  • the optimal spatial resolution of the camera is 0.53 pl / mm (pairs of lines per millimeter) in frequency.
  • a higher optical resolution of the system could not be sampled correctly by the camera, a lower optical resolution would lead to having an excessive pixel / mm number so not to benefit from all the available resource.
  • This approach also directly indicates the magnification required for the optical system, here 1, 71 x.
  • the objective to be designed to answer the problem is a microscope-type objective.
  • the microscope objective contrary to the objective of photography or to a telescope (distant telescope), the microscope objective has the following overall characteristics: the scene to be imaged is smaller than the size of the sensor, the pixels of the sensor are of the same order of magnitude as the average details of the scene. The reproduction ratio is much higher than one (a scene of 100 ⁇ x 100 ⁇ will be reproduced on a 10 mm x 10mm sensor: magnification of 100).
  • the objective works at a short distance from the object, and its object aperture can reach values such as 0.7.
  • microscopic optics makes it possible both to grow the object to be observed, and to separate the details of this object so that it is observable. It is the combination of magnification and resolving power that characterizes such an optical system.
  • the scene In the context of microscope objective imaging systems in THz imaging, on the one hand the scene is generally smaller than the size of the detector array, and the detector is on the order of magnitude of the scene details it is therefore necessary to have a magnification of the scene and its details to image it.
  • the image of the scene must be formed by ensuring sufficient resolution of the object to be able to observe its details, which generally implies working with large openings, so close to the object and with large diameter optics compared to the stage.
  • the pixels of the sensor are large compared to the details of the image to be formed
  • the sensor is large:> 150 mm for 192 pixels and
  • the resolution to be achieved requires very large openings.
  • the consequence of this choice is that the lens is large, of a similar size, or larger than the objects to be imaged.
  • the lenses have at least two lens groups:
  • 1st group near the object, allows the collection of the light coming from the object with the targeted opening and
  • - 2nd group close to the image, allows to form the image of the object with the target image opening.
  • the lens actually has three lens groups, the second group being divided into two separate subgroups of a large air space, which is particularly the case when the lens is telecentric. side image.
  • Example 1 40 mm object field, magnification 1, 3x, 235 GHz
  • the objective 200 has two groups 205 and 210 of a lens each, it is not telecentric side image.
  • This 200 lens has been designed with the constraint of an object print larger than 50 mm.
  • the MTF (acronym for "modulation transfer function" for modulation transfer function) shows a resolution of 0.4 pl / mm, ie 1.92 mm of resolution relative to the object.
  • the spot diagram shows that the system is limited by diffraction on the whole field: the image is not disturbed by the aberrations.
  • Example 2 Figure 4: object field 30 mm, magnification 1, 7x, 235 GHz
  • the objective 215 has three lenses 220, 225 and 230, the second group being divided into two subgroups of a lens. Telecentric lens on the image side.
  • the MTF image shows a resolution of 0.45 pl / mm, ie 1.3 mm of resolution reported to object.
  • the spot diagram shows that the system is limited by diffraction on the whole field: the image is not disturbed by the aberrations.
  • Goal 235 has a second group divided into two subgroups. Four lenses 240, 245, 250 and 255 are necessary to obtain the magnification of 1 and the telecentricity on the image side.
  • the MTF image shows a resolution of 0.40 pl / mm, or 2.5 mm resolution reported object.
  • the spot diagram shows that the system is limited by diffraction except at the edge of the field (slight defect).
  • the objective 260 of great increase in two groups, with a compensator of field in the first group.
  • This objective with three lenses 265, 270 and 275 makes it possible to reach resolutions below the wavelength.
  • the image-wise MTF shows a resolution of 0.41 pl / mm, ie 780 ⁇ of resolution referred to object.
  • the spot diagram shows that the system is limited by diffraction except at the edge of the field (slight defect).
  • the THz imaging lens is used to image an object in the field to an image plane located opposite the lens.
  • the condition for operating in the specifications is to have a THz signal input sufficient for the detection sensitivity in the image plane.
  • this objective is integrated in a string including a source, a projection system of the illumination of the source, the objective itself, a multi-pixel sensor, and a computerized analysis system (no represent).
  • the objective is therefore an element is key in the chain described above because it is he who ensures the optical spatial resolution on the object to be imaged.
  • the dimensions of the lens are intrinsically related to its performance: the higher the desired resolution, the larger the lenses, and the length of the lens is important.
  • the use of a line of pixels as a sensor requires the use of lighting on a line of the scene in order to focus the energy of the source on the part of the object observed by the linear sensor.
  • the source emits radiation on an emission cone determined by its horn.
  • the distribution of energy in the emission cone presents a non-uniform and circular energy distribution because it is generally of Gaussian distribution and symmetry of revolution.
  • the linearization system of the source has two objectives:
  • the illumination of the scene is designed parallel in one direction, and focused in the perpendicular direction.
  • the use of a cylindrical lens 290 is a solution to achieve this goal.
  • the beam 285 from the source is enlarged to the same diameter as the scene to be illuminated, then with a lens whose curvature is aspherical with a cylindrical geometry (and not with a geometry of revolution) the radiation is focused in a single direction of the space, as shown in Figure 7.
  • the linearization 280 by the preceding method has a non-uniform illumination because the distribution of the illumination of the source is not.
  • the focusing of the energy distribution of the source in a single direction of space keeps the same inhomogeneous distribution carried along the line of illumination.
  • FIG. 8 represents a power distribution 300 at source output 100.
  • optical design software it is possible to calculate the optimal revolution geometry distribution to ensure uniform illumination once transformed by the cylindrical lens. Since this distribution is known, the software uses it as a target for optimizing the beam shaping lenses at the output of the source 100. For example, an illumination having a distribution 305, illustrated in FIG. 9, forms a uniform distribution after a cylindrical lens.
  • a three-lens system 310, 315, 320, 325 is formed:
  • the distribution 305 necessary for the entry of the cylindrical lens 325 is calculated
  • optimization is made of a system with two aspherical lenses 315, 320 to form this distribution 305.
  • FIG. 11 illustrates the distribution 330 resulting from the implementation of the optical system 310.
  • the two beamforming lenses 315 and 320 are replaced by a single lens, having at least one non-symmetrical surface of revolution (sphere, asphere), but representing splines or polynomials.
  • a set of two lenses 335 and 340 makes the illumination linear and uniform, as illustrated in FIG. 12:
  • the lens 335 is used for shaping the beam to prepare the energy distribution (XY polynomial surface lens, for example)
  • the aspherical cylindrical lens 340 achieves the focusing of the beam in only one direction.
  • the advantage of this method is that it is simpler to implement in a computation software: a macro of passage of the Gaussian circular illumination of the source to the uniform linear illumination is directly implemented at the level of the optimization without going through an intermediate step of calculating the illumination necessary for the entry of the cylindrical lens 340.
  • the computation of the macro complex for a system with symmetry of revolution, breaks this symmetry from the first lens. This brings the advantage of reducing the number of lenses needed.
  • the design of the illumination takes into account the source used (wavelength, divergence).
  • the illumination system projects enough THz energy onto a plane of space and then uses a collection lens and a sensor to form an image of an object placed in that plane of space.
  • the linearization system allows you to choose how to distribute the energy from the source to illuminate the scene most effectively.
  • a system benefiting from this type of illumination has the greatest energy efficiency, which makes it possible to use less sensitive sensors, or to make images of very opaque or low-reflective objects.
  • the illumination may be a rectangle whose widths and heights may be chosen by the designer.
  • the illumination is collimated on the object to be studied which allows on the one hand to have a greater depth in which the illumination is optimal and on the other hand to have the exit pupil of the system. illumination to infinity to avoid having a part of the image of the source that is superimposed with the image of the object.
  • This macro is implemented in the design software to optimize two non-symmetrically revolving surface lenses that generate rectangular illumination at the object as defined by the designer.
  • a first group realizes the shaping of the beam to reach the desired resolution
  • a second group carries out the collection of the stream transmitted through the object to be imaged.
  • the spatial resolution is only related to the first optical group located before the object.
  • the stream collection part has no impact on the spatial resolution of the formed image.
  • the optimization of the second group is based on the principle of energy flow collection: the goal is to concentrate the energy on the sensor as much as possible in order to obtain the largest signal-to-noise ratio.
  • Two imaging modes are used depending on the types of objects to be imaged.
  • the transmission mode through the object: transmitted measurement of the intensity, and / or polarization, or difference in operation by the sample.
  • the reflection mode on the object reflected measurement of the intensity, and / or polarization, or difference in the surface or depth of the sample.
  • the proposed punctual imager makes it possible to make images of the object in reflection and in transmission simultaneously. For this purpose, it uses two flow collection groups located upstream and downstream of the object. It can also control the amplitude of the source for calibration to perform absolute measurements.
  • the point imaging system can integrate the following elements:
  • One or more point or multi-pixel sensors linear
  • a computer system that creates the image by synchronizing with the absolute position of the Cartesian table the signal synchronized with the modulation of the source.
  • the maximum resolution is obtained for a focusing lens with a very short focal length, of the order of 10 or 20 mm.
  • the space available for inserting the sample may be very limited for large samples.
  • the proposed imager presents a solution to this problem thanks to a modular system allowing to change resolution according to the dimension of the object to be imaged.
  • the beam from the source is first collimated by a first lens.
  • the collimated beam propagates with parallel rays as a result of this lens, which makes it possible to place the lens that focuses the radiation at any distance from the collimating lens.
  • the plane of focus on the object is chosen such as a short focal lens allowing a high resolution, and thus placed close to the object, or a lens of long focal length allowing a lower resolution but making it possible to measure a larger object. voluminous, the lens being placed close to the source, focus the beam at the same place on the optical axis.
  • the collection of flows is done by a group of two lenses placed after the object.
  • the collector used has a numerical aperture at least equal to that of the first group, to ensure maximum efficiency.
  • the first lens may be identical to that of focusing. It collects the flux coming from the object, and makes the beam with parallel rays (collimated).
  • the modularity of resolution described above is preserved thanks to this system by allowing to dispose the second lens at any distance from the first.
  • the second lens in front of the detector focuses the THz beam on the photosensitive surface by concentrating the energy to maximize the signal-to-noise ratio.
  • the aperture used for this lens is for example 1, 25. This value can be chosen to make a compromise between energy concentration (lower aperture value), and focusing stability: a larger aperture makes it possible to make the focusing on the sensor less dependent on any beam distortions associated with the images. mechanical dilatations or the simple disturbance of the beam by the object.
  • the collection of the flow is done by adding a splitter blade and a lens.
  • the assembly is placed before the focusing lens on the sample.
  • the separating blade makes it possible to let the incident THz beam pass between the source and the object. Once reflected on the object, the THz signal is collected by the focusing lens, then reflected on the splitter plate to be sent at 90 ° to the lens in front of the sensor.
  • the lens in front of the sensor is the same as the lens used in transmission mode.
  • the splitter blade introduces a loss of signal at each passage by a reflection of a portion of the energy of the source to the go, and by a transmission of a portion of the reflected energy of the object back.
  • the THz wave is an electromagnetic wave that can be polarized specifically to study a specific response of materials, such as birefringence.
  • a delay component can be used to transform a linear polarization into a circular one, for example:
  • the analyzer analyzes the ellipticity, the phase shift of the ellipse and the direction of rotation of the ellipse.
  • the techniques used are:
  • Modularity offers a very flexible platform for measuring the thickness of samples (objects to be imaged) through print management, the need for adapted spatial resolution, transmission mode imaging for completely transparent materials, reflection for objects with one material opaque, polarization for materials that have a preferential axis of propagation (we speak of birefringence).
  • THz source modulation and broadband
  • sensors very sensitive, fast
  • encoders of the Cartesian table absolute position
  • acquisition system synchronization, filtering
  • the high-resistivity silicon is very commonly used in the THz domain for the manufacture of optical windows, beam splitter or lens hemispherical collection.
  • the image capture system object of the invention uses this material for its semi-reflective blades.
  • the very high index of 3.41 makes it possible to obtain on a single material face a separation of the beam in two components reflected and transmitted by 45% and 55% respectively.
  • the blade must be carefully designed because the passage through both sides of the blade causes interference of the beam with itself which makes vary significantly the performance of the component.
  • the separating blade is the object of antireflection treatment on one side of its material.
  • a material with an index close to 1.8 is preferably chosen, and its thickness is adapted to a submultiple of the wavelength.
  • a separation efficiency of 50% is obtained by choosing the thickness of the blade: by calculating the components of the incoming wave interference it is possible to determine which thickness leads to an efficiency of 50%.
  • the polarization is used in TM mode (acronym of transverse mode for transverse mode) in which the field is parallel to the plane of incidence.
  • TM mode acronym of transverse mode for transverse mode
  • the inventor has in fact determined that the polarization in TM mode ensures a better stability of the separation efficiency when the thickness of the separating blade varies in its manufacturing tolerance.
  • the splitter blade is used on a weakly diverging beam to be most effective. Preferably, it is inserted into a collimated beam.
  • the separating blade is crossed twice by the optical beam: once when it comes from the source, a second time when it returns from the object to the detector.
  • the splitter blade is used to design an optical system in reflection, where the illumination of the object and the recovery of the flux from the object are on the same side of the object.
  • a multipixel imaging device integrates the following elements:
  • an optical system consisting of lenses for performing linear illumination
  • an optical system consisting of lenses for collecting the illumination after transmission through the object or reflection on the object
  • the reflection mode is therefore commonly used. There are several ways to arrange the lighting and the lens to set up this mode.
  • the complete optical system has two separate parts 400 and 410, one for linear lighting, the other for the imaging lens.
  • the free space makes it possible to insert the object 405 whose images must be captured by the sensor 415.
  • the opening of the lighting is adapted to the opening of the lens to not lose energy outside the lens.
  • the three right-hand lenses 420 form the illumination which is projected at the level of the image plane of the objective 430. then the objective 430 to be projected onto the object 425. Finally the objective 430 forms the image of the object 425 which is projected at 90 ° on the sensor 415 through a semi-reflective plate 435.
  • the lighting is then designed to uniformly illuminate the object 425 through the lens
  • the illumination 440 takes into account an additional lens 460 after the cylindrical lens 465: the last lens of the lens 450.
  • the illumination is inserted directly at the exit of the objective 450.
  • the objective 450 operates thanks to a semi-reflective plate 455 which reflects the light reflected at 90 ° to the other two lenses and the linear sensor 470.
  • the advantage of this design is to be more compact, and to introduce fewer losses with fewer lenses crossed by the THz beam between the source and the sensor.
  • the illumination system provides a uniform illumination of the scene, the collection system a very high resolution exploited by the extreme compactness of the pixels of the multi-pixel sensor.

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Abstract

Le dispositif (40) de capture de valeurs ponctuelles pour constituer une image, comporte : - une source (100) incohérente de rayons dont la fréquence est comprise entre 0,075 THz et 10 THz pour éclairer un objet, - un capteur (415) de rayonnement provenant de l'objet, qui comporte une zone sensible au rayonnement issu de la source et qui émet un signal électrique représentatif de l'intensité des rayons issus de la source atteignant la zone sensible du capteur et - au moins un système optique (400, 410) de focalisation de nombre d'ouverture (F- Number) inférieur à un, situé sur le chemin optique des rayons émis par la source allant de la source au capteur de rayons en passant par l'objet. Préférentiellement, la source (100) éclaire l'objet avec un spectre d'émission suffisamment étendu pour balayer l'onde stationnaire dans une durée plus courte que le temps d'acquisition du capteur. Préférentiellement, la source incohérente possède une largeur de bande de plusieurs GHz, préférentiellement au moins égale à 12 GHz à -100dB.

Description

SYSTÈME DE CAPTURE DE VALEURS PONCTUELLES POUR CONSTITUER UNE IMAGE AVEC DES RAYONNEMENTS TERAHERTZ
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention vise un système de capture de valeurs ponctuelles, pour constituer une image avec des rayonnements TéraHertz. Elle concerne, en particulier, le domaine de l'imagerie, par exemple pour le contrôle de qualités de pièces manufacturées.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Le domaine TéraHertz (THz) désigne les ondes électromagnétiques dont la fréquence est située entre 0,075 THz et 10 THz, soit en termes de longueur d'onde de 4 mm à 30 μηι. Ces ondes sont dites millimétriques, elles sont situées entre l'infrarouge lointain (ou FIR pour Far InfraRed), et les ondes radar (hyperfréquences). L'invention concerne plus particulièrement la gamme 75-700 GHz. En effet dans cette gamme de fréquence, une grande partie des matériaux plastiques et composites non-conducteurs sont transparents au rayonnement. Et les sources de rayonnement sont relativement accessibles en termes de ratio entre le prix de la source et la puissance optique disponible.
Tous les principes optiques utilisés en conception de système visible ou infrarouge s'appliquent au rayonnement THz avec le même rapport de proportion des phénomènes vis- à-vis de la longueur d'onde. Par exemple la limite de diffraction suit la loi d'Airy : Rdiff = 1 ,22 λ ON, dans laquelle λ est la longueur d'onde et ON l'ouverture numérique. Soit pour une ouverture numérique ON de 2, et une longueur d'onde de 1 mm, une limite de diffraction de 2,44 mm. Cette limite de diffraction de l'ordre du millimètre correspond à la résolution spatiale moyenne d'un système d'imagerie THz.
Cependant, les systèmes connus n'atteignent pas cette résolution, qui permettrait d'atteindre les performances optimales.
Les systèmes THz existant utilisent des miroirs paraboliques hors axe comme moyen de propagation du faisceau. Ce choix s'explique car, dans beaucoup d'applications, le niveau de puissance de la source est si faible que les pertes introduites par chaque lentille ne sont pas acceptables (pertes par absorption, et surtout pertes par réflexions sur les interfaces).
Cependant l'utilisation de ces miroirs pose de nombreux problèmes :
- difficulté d'alignement avec beaucoup de renvois d'angle,
- prix très élevé des optiques,
- gamme de focale restreinte en particulier sur les fortes ouvertures et
- obligation de travailler en conjugaison infini-foyer et sur l'axe optique. Par ailleurs, un faisceau THz est invisible à l'œil, et, contrairement à l'infrarouge proche, il n'existe pas de carte photosensible permettant la conversion du rayonnement vers des longueurs d'onde visibles à l'œil. Cet aspect à un impact sur le réglage et l'alignement des systèmes.
On décrit, ci-dessous, des types de sources disponibles dans le domaine THz.
Plusieurs méthodes de génération de rayonnement THz de rayonnement THz continu existent et sont utilisables dans un dispositif objet de l'invention, par exemple :
Diode Gunn associée à un multiplieur de fréquence pour aller au-delà de 0,2 THz, par exemple 2 THz,
- Diode Impatt associée à un multiplicateur de fréquence pour aller au-delà de 0,2
THz,
Oscillateur fixe ou variable entre 0 et 0,02 THz associé à un multiplicateur de fréquence,
Conversion de fréquence par battement de deux lasers en proche infrarouge, - Tube HT appelé BWO (acronyme de Backward-wave oscillator),
Excitation d'une cavité de gaz par un laser infrarouge lointain ou
Laser à Cascade Quantique (QCL).
On connaît le document Chernomyrdin Nikita et Al : « Wide-aperture asphérical lens for high-resolution terahertz imaging" (Review of Scientific Instruments, AIP, Melville, NY, US, vol. 88, no. 1 , 12 janvier 2017, XP012215296, ISSN: 0034-6748, DOI: 10.1063/1 .4973764.
Dans ce document, le signal généré par les sources habituellement utilisées dans le domaine THz présente une cohérence très pure, la largeur de la raie d'émission est très fine. Ce rayonnement cohérent n'est pas propice à la formation d'image car des franges d'interférences sont générées avec une amplitude très grande sur chaque système le permettant. Typiquement, ces sources ont une précision à 0,001 Hz avec une largeur de bande de 1 kHz à -1 18dBc/Hz.
Utiliser une source cohérente dans un système d'imagerie alors que la scène à observer n'est pas perpendiculaire en tout point du champ génère une modulation d'amplitude proportionnelle aux variations d'altitudes modulo λ/4. Ce qui est préjudiciable à la qualité de l'image formée.
EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients.
A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de capture de valeurs ponctuelles pour constituer une image, qui comporte :
- une source incohérente de rayons dont la fréquence est comprise entre 0,075 THz et 10 THz pour éclairer un objet, - un capteur de rayonnement provenant de l'objet, qui comporte une zone sensible au rayonnement issu de la source et qui émet un signal électrique représentatif de l'intensité des rayons issus de la source atteignant la zone sensible du capteur et
- au moins un système optique de focalisation de nombre d'ouverture (F-Number) inférieur à un, situé sur le chemin optique des rayons émis par la source allant de la source au capteur de rayons en passant par l'objet.
Grâce à ces dispositions, le dispositif d'imagerie n'est pas sujet à la présence d'ondes stationnaires du fait de l'incohérence de la source. L'inventeur a déterminé que cette combinaison de moyens optiques et électronique permet de réaliser des mesures ponctuelles précises, le déplacement relatif de ces moyens et de l'objet permettant de réaliser des images linéaires ou matricielles.
La source utilisée possède une largeur de bande de plusieurs GHz, préférentiellement :
- entre 100 et 200 GHz la largeur de bande est 12 GHz à -1 OOdB
- entre 220 et 320 GHz la largeur de bande est 15 GHz à -1 OOdB
- entre 560 et 640 GHz la largeur de bande est 15 GHz à -1 OOdB.
Dans des modes de réalisation, la source éclaire l'objet avec un spectre d'émission suffisamment étendu pour balayer l'onde stationnaire dans une durée plus courte que le temps d'acquisition du capteur.
Dans des modes de réalisation, au moins un système optique comporte une lentille optique asphérique.
Dans des modes de réalisation, la dispersion (en pourcentage) des indices des matériaux utilisés sur les plages de fréquences de la source est inférieure à 1 %.
Par exemple, la dispersion dans le HDPE (Polyéthylène haute densité) est de l'ordre de 0,5% sur la plage de fréquence et, plus particulièrement :
- de 0,2 %, de 100 à 300 GHz et
- de 0,5% de 100 à 700 GHz
La lentille asphérique simplifie le dessin optique, par rapport à l'utilisation de miroirs paraboliques.
Dans des modes de réalisation, au moins un composant optique d'un système optique présente un traitement anti-reflet comportant des microstructures en forme de cônes ou de cratères.
L'avantage de cette méthode est qu'elle permet de réaliser des traitements anti-reflets très large bande et peu sensibles à l'orientation de la surface.
Dans des modes de réalisation, au moins un système optique comporte une lentille optique et dans lequel la source incohérente de rayons est configurée pour éclairer l'intégralité de la lentille optique la plus proche de ladite source. Dans des modes de réalisation, la fréquence d'émission de la source incohérente est modulée.
Dans des modes de réalisation, la source incohérente comporte une source de bruit de type bruit thermique dans une résistance ou diode impatt.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte une électronique de proximité pour polariser un nano-transistor comportant la zone photosensible, par une tension de grille proche de sa tension de swing où le fonctionnement classique du transistor est le plus non linéaire.
Dans des modes de réalisation, le signal redressé issu du nano-transistor est amplifié en forçant une asymétrie des charges dans le canal du nano-transistor en injectant un courant dans le canal du transistor, entre le drain et la source et /ou en utilisant des motifs métallisés jouant le rôle d'antennes.
Dans des modes de réalisation, le signal redressé est une différence de potentiel continue entre le Drain et la Source du nano-transistor mesuré en mode commun ou différentiel.
Dans des modes de réalisation, l'électronique de proximité comporte un circuit de compensation de l'offset généré par l'injection du courant entre le drain et la source par exemple en utilisant un montage soustracteur.
Dans des modes de réalisation, la zone photosensible est un nano-transistor, le signal généré par la radiation THz est une différence de potentiel continue entre le Drain et la Source du nano-transistor mesuré en mode commun ou différentiel.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte une électronique de proximité pour polariser le nano-transistor par une tension de grille proche de sa tension de swing où le fonctionnement classique du transistor est le plus non linéaire.
Dans des modes de réalisation, le signal redressé issu du nano-transistor est amplifié en forçant une asymétrie des charges dans le canal du nano-transistor en injectant un courant dans le canal du transistor, entre le drain et la source et /ou en utilisant des motifs métallisés jouant le rôle d'antennes.
On augmente ainsi la sensibilité du dispositif.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte au moins un amplificateur faible bruit et faible drift qui amplifie le signal sur la dynamique d'un convertisseur analogique numérique.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un moyen de synchronisation de la démodulation du signal avec le signal de modulation d'amplitude de la source.
Ceci assure un rapport signal à bruit maximisé en éliminant tous les bruits additifs à une fréquence autre que la fréquence de modulation de la source. Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un moyen de synchronisation de la sortie numérique du dispositif avec la source THz.
Le capteur et la source sont synchronisés par un signal d'horloge numérique. La source est modulée en amplitude par ce signal d'horloge ce qui permet de mesurer et de compenser le résidu de signal (offset) présent aux bornes du capteur en l'absence de THz. La compensation est à la fois numérique par une soustraction à haute fréquence du signal mesuré avec THz et sans THz, mais aussi analogique en ajustant la tension à soustraire au signal du capteur pour maintenir le niveau global dans une certaine gamme de tension.
Cette architecture garantie une plus grande sensibilité, un rapport signal/bruit signal amélioré.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un encodeur des positions absolues de l'objet à imager, ces données de position mesurées étant synchronisées avec les données issues du capteur pour une utilisation sur l'ensemble de la course du déplacement de l'objet, y compris dans les zones d'accélérations, et une exploitation du déplacement aller et retour de l'objet, par le calage des lignes paires et impaires en évitant un phénomène de cisaillement.
Un moyennage des données calé sur les positions absolues et non sur le temps permet une adaptation à toute vitesse de déplacement
Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l'invention comporte une lame séparatrice, la polarisation incidente sur la lame séparatrice étant la polarisation en mode TM (acronyme de transverse mode pour mode transversal) dans lequel le champ est parallèle au plan d'incidence.
La lame séparatrice est, par exemple, une lame constituée de Si-HRFZ dont l'épaisseur est calculée pour assurer la séparation optimale. Grâce à ces dispositions, il est possible d'effectuer des mesures en réflectométrie. La polarisation en mode TM assure une meilleure stabilité de l'efficacité de séparation lorsque l'épaisseur de la lame séparatrice varie dans sa tolérance de fabrication.
Dans des modes de réalisation, le dispositif comporte un moyen de mesure de l'intensité des rayonnements provenant de l'objet, et/ou de polarisation des rayons provenant de l'objet, et/ou de la différence de marches des rayons provenant de l'objet.
Le dispositif objet de l'invention permet ainsi plusieurs types de mesures.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente, schématiquement et en coupe, un premier exemple de réalisation d'une source TéraHertz incohérente,
- la figure 2 représente, schématiquement et en coupe, un deuxième exemple de réalisation d'une source TéraHertz incohérente,
- la figure 3 représente, schématiquement et en coupe, un premier mode de réalisation d'un objectif d'imagerie mis en œuvre dans des dispositifs objets de l'invention,
- la figure 4 représente, schématiquement et en coupe, un deuxième mode de réalisation d'un objectif d'imagerie mis en œuvre dans des dispositifs objets de l'invention,
- la figure 5 représente, schématiquement et en coupe, un troisième mode de réalisation d'un objectif d'imagerie mis en œuvre dans des dispositifs objets de l'invention,
- la figure 6 représente, schématiquement et en coupe, un quatrième mode de réalisation d'un objectif d'imagerie mis en œuvre dans des dispositifs objets de l'invention,
- la figure 7 représente, schématiquement et en perspective, un premier moyen d'éclairement linéaire d'un objet, mis en œuvre dans des dispositifs objets de l'invention, - la figure 8 représente une courbe d'éclairement non uniforme,
- la figure 9 représente une courbe d'émission d'une source de lumière pour compenser l'éclairement non uniforme représenté en figure 8,
- la figure 10 représente un système optique fournissant sensiblement la courbe d'émission illustrée en figure 9,
- la figure 1 1 représente une courbe d'éclairement sensiblement uniforme fournie par le système optique illustré en figure 10, avec le moyen d'éclairement linéaire illustré en figure 7,
- la figure 12 représente, schématiquement et en perspective, un deuxième moyen d'éclairement linéaire présentant des surfaces n'étant pas à symétrie de révolution,
- la figure 13 représente, schématiquement et en coupe, un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
- la figure 14 représente, schématiquement et en coupe, un deuxième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
- la figure 15 représente, schématiquement et en coupe, un troisième mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
- la figure 16 représente, schématiquement, un capteur ponctuel,
- la figure 17 représente, schématiquement, un capteur multipixels et
- la figure 18 représente un schéma électronique pour un microscope THz. DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L'INVENTION
On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l'échelle. Dans les systèmes de capture d'images objets de l'invention, on met en œuvre des optiques réfractives (lentilles), qui présentent une modularité plus importante que les miroirs, et donnent l'accès à l'utilisation des puissants outils de conception optique assistée par ordinateur.
Dans le domaine de fréquences 100-700 GHz, domaine préférentiel d'utilisation de la présente invention, les indices des matériaux (Polyéthylène haute densité (HDPE), Polyméthylpentène (PMP), Polycarbonate (PC), Silicium HRFZ (Si)) sont constants à quelques pourcents près, voire moins comme exposé ci-dessus, pour le HDPE. Les systèmes objets de l'invention ne présentent donc pas de problème de chromaticité, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de modification du comportement optique des dioptres lorsque la longueur d'onde change.
Préférentiellement, le dispositif d'imagerie objet de l'invention met en œuvre une source TéraHertz (THz) incohérente 100.
Une source THz incohérente 100 est, selon un premier exemple, constituée, comme illustré en figure 1 :
- d'un émetteur TéraHertz 105 (f < 200 GHz) de large bande (0,1 GHz< Ai < 40 GHz), d'un filtre 1 10 pour limiter la bande d'émission,
- d'amplificateurs ou atténuateurs 1 15,
- de multiplieurs 120 de fréquence et
d'une antenne émettrice 125.
Une source THz incohérente 100 est, selon un second exemple, constituée, comme illustré en figure 2 :
- d'un émetteur 130 en bande basse, c'est-à-dire dans l'intervalle de fréquence allant de 0,1 GHz à 40 GHz, émettant sur une bande étroite (f < 1 GHz),
d'un modulateur 135 sur une bande 0,1 GHz< Af < 40 GHz,
- d'amplificateurs ou atténuateur 140,
- de multiplieurs 145 de fréquence et
- d'une antenne émettrice 150.
L'émetteur 1 10 ou 130 génère un signal incohérent tel que, dans une durée plus courte que le temps d'acquisition du capteur, l'émetteur émet un spectre d'émission suffisamment étendu pour balayer l'onde stationnaire.
La source utilisée possède une largeur de bande de plusieurs GHz, préférentiellement :
- entre 100 et 200 GHz la largeur de bande est 12 GHz à -1 OOdB
- entre 220 et 320 GHz la largeur de bande est 15 GHz à -1 OOdB
- entre 560 et 640 GHz la largeur de bande est 15 GHz à -1 OOdB.
Dans des modes de réalisation, l'émetteur 1 10 ou 130 est une source de bruit de type bruit thermique dans une résistance ou diode impatt. Dans des modes de réalisation, l'émetteur 1 10 ou 130 est une source accordable telle qu'un oscillateur à fréquence variable ou JIG.
Le modulateur 135 est accordé pour que, une fois multiplié par chaque multiplieur de fréquences 145, le signal généré ait une largeur de bande d'émission préférentiellement dans l'intervalle 0,1 GHz< Af < 10 GHz. On note que le modulateur 135 est modulable sur une bande très étroite (par exemple de 200 MHz).
Les amplificateurs 1 15, 140 ou atténuateurs servent à ajuster la puissance d'entrée du signal avant chaque multiplieur de fréquences 120 ou 145. Les multiplieurs, amplificateurs et atténuateurs peuvent utiliser des structures sur PCB (acronyme de printed circuit board pour circuit imprimé) ou bien guidées (aux fréquences considérées, on peut manipuler ces ondes électromagnétiques confinées dans des guides d'onde métallique).
Le choix de l'antenne 125 ou 150 permet de paramétrer les propriétés optiques du faisceau qui sort du dernier multiplieur 120 ou 145 : polarisation, mode TEM (transverse electromagnetic mode pour mode électromagnétique transverse), divergence et taille du point d'émission.
La source présentée en figures 1 et 2 utilise un spectre d'émission qui assure un balayage au moins égal à λ/4 ce qui permet de réduire la sensibilité aux ondes stationnaires dans l'image tout en permettant de choisir la fréquence de travail et la polarisation.
Concernant les optiques d'imagerie la résolution spatiale est liée à la dimension du plus petit spot que l'on peut focaliser à travers le système. Le rayon du spot est donné par la loi d'Airy Rdiff = 1 ,22 λ ON, dans laquelle λ est la longueur d'onde et ON l'ouverture numérique.
La résolution spatiale est donc proportionnelle à la longueur d'onde λ, et à l'ouverture numérique ON utilisée dans le système de focalisation. Cette ouverture ON se calcule grâce au diamètre D de l'optique de focalisation et à la focale f de cette optique ON = f / D.
Pour une longueur d'onde λ fixe, on peut donc optimiser la résolution du système en choisissant un diamètre D d'optique plus grand, ou une focale d'optique f plus courte.
L'ouverture numérique ON est physiquement limitée à une valeur de 0,5. Mais dans l'air avec des indices optiques réalistes (d'une valeur de 1 ,5 par exemple), il est très difficile d'atteindre des ouvertures inférieures à 0,7.
Pour maximiser le diamètre D du faisceau, on prend en compte la divergence de la source afin de choisir la focale f de la première lentille de façon que le faisceau emplisse entièrement cette première lentille. Ainsi le diamètre D du faisceau est égal au diamètre de la première lentille, et le paramètre ouverture numérique ON est donc optimisé.
Préférentiellement, le dispositif d'imagerie objet de l'invention utilise des lentilles asphériques (figures 3 à 6 et 13 à 15).
On rappelle ici qu'une lentille sphérique est une lentille dont la forme de chaque surface suit une sphère. Lorsqu'on utilise des lentilles sphériques sur des grands diamètres, il apparaît une aberration liée à la courbure de la lentille, appelée « aberration sphérique ». Les rayons marginaux (passant à proximité du bord de la lentille) ne se focalisent pas au même endroit que les rayons paraxiaux (passant au centre de la lentille). Cet effet vient contrebalancer le gain en résolution avec l'augmentation du diamètre du faisceau, car le faisceau focalisé avec aberration sphérique ne suit plus la loi d'Airy citée plus haut. De plus, l'introduction de cette aberration sphérique perturbe toute la propagation du faisceau THz en créant des anneaux de lumière au lieu d'un point de focalisation (« spot ») bien circulaires : il y a une perte d'énergie en plus d'une perte d'information.
Il existe plusieurs solutions pour résoudre ce phénomène, la plus simple est d'utiliser des lentilles dites asphériques. Pour une lentille asphérique la forme de la courbure suit une sphère au niveau du centre, mais en dehors du centre, la courbure est corrigée afin d'annuler l'aberration sphérique. En optique visible et infrarouge, ces lentilles sont très coûteuses à fabriquer du fait de leur forme complexe.
En THz, étant donné les méthodes de fabrication utilisées, il est aussi simple de fabriquer une lentille sphérique qu'une lentille asphérique.
On réalise une impression 3D et/ou du micro-usinage avec une rugosité résiduelle entre 0,02 et 0,1 mm. La mesure des paramètres de propagation de la source permet de définir l'éclairement en entrée du système : divergence, répartition de l'énergie
Dans des modes de réalisation, la dispersion (en pourcentage) des indices des matériaux utilisés pour la lentille, sur les plages de fréquences de la source, est inférieure à 1 %.
Par exemple, la dispersion dans le HDPE est de l'ordre de 0,5% sur la plage de fréquence et, plus particulièrement :
- de 0,2 %, de 100 à 300 GHz et
- de 0,5% de 100 à 700 GHz
On optimise le système en faisant varier les distances entre les optiques, les rayons de courbures des surfaces ainsi que les coefficients de conicité (d'où l'asphéricité)
Le critère d'optimisation du système peut être défini par exemple sur la minimalisation de la taille du spot en plusieurs points du champ, ou bien la minimisation de la différence de front d'onde en plusieurs points du champ.
La longueur d'onde du faisceau étant millimétrique une rugosité de 1/100 est suffisante pour assurer une bonne efficacité de transmission. Ces rugosités sont compatibles des microfraises utilisés sur les tours et fraiseuses modernes et de l'impression 3D par dépôt de fil.
Dans la conception de l'imageur toutes les lentilles sont donc conçues asphériques afin d'atteindre les performances optiques maximum en termes d'aberration sphérique et de limiter le nombre de lentilles utilisées. Dans le cas des dispositifs pour l'imagerie ponctuelle, les lentilles de focalisation sont conçues pour travailler en mode infini-foyer, c'est-à-dire que le faisceau incident doit être collimaté (rayons parallèles) et son diamètre doit être le même que le diamètre actif de la lentille. En sortie de lentille de focalisation on définit le point focal où le faisceau est le plus petit, puis le faisceau diverge à nouveau est donc capté par une autre lentille.
Grâce à l'utilisation de lentilles de focalisation d'ouverture numérique élevées, on fait des images avec la résolution spatiale la plus forte que permettent les lois physiques, avec une vision de détails de dimensions inférieures à la longueur d'onde utilisée.
Concernant les traitements antireflets des lentilles et, le cas échéant, de la lame séparatrice, leur structure consiste en une structure de surface sur les optiques réfractives qui a pour effet de diminuer la réflexion de chaque dioptre en agissant sur l'indice optique à la surface de la lentille.
Une première méthode consiste à déposer une ou plusieurs couches de matériau diélectrique dont l'indice optique est plus faible que l'indice optique de la lentille traitée, par exemple l'indice optique du matériau de traitement est proche de la racine carrée de l'indice optique de la lentille. L'épaisseur de la couche à déposer est de l'ordre du quart de la longueur d'onde moyenne utilisée. Cette épaisseur du matériau de traitement est relativement grande en THz, comparé à l'infra-rouge, ce qui pose des problèmes sur la technique de dépôt.
Une deuxième méthode, utilisée préférentiellement dans le dispositif d'imagerie objet de l'invention consiste à former des microstructures en forme de cônes ou de cratères à l'aide d'une méthode de micro-usinage, par exemple le « laser drilling » (fraisage laser) à l'aide d'un laser femto seconde. Ces microstructures de dimensions inférieures à la longueur d'onde, créent un gradient d'indice apparent à la surface des dioptres qui annule la réflexion sur la face car il n'y a plus la discontinuité d'indice qui cause la réflexion. L'avantage de cette méthode est qu'elle permet de réaliser des traitements anti-reflets très large bande et moins sensibles à l'orientation de la surface, contrairement au cas du dépôt de couche.
L'utilisation de ce type de traitement augmente le rendement énergétique des systèmes optiques à plusieurs lentilles en augmentant la transmission de chaque dioptre optique. Grâce aux traitements antireflets, on augmente l'énergie projetée sur le capteur de plusieurs dizaines de pourcents. Les traitements anti-reflets participent également à l'élimination des images parasites et des ondes stationnaires.
Dans le cas de l'utilisation d'un capteur ponctuel 600 dans le dispositif d'imagerie de l'invention, sa structure est constituée, comme représenté en figure 16 :
- d'un détecteur THz 605. Le détecteur THz est un nano-transistor RF en GAAS, GAN ou INP dans une technologie inférieure à 0,25 μηι qui par effet plasma dans son canal redresse les ondes THz dans les bandes 0,1 THz à 2,5 THz ; - d'une électronique de proximité 610 pour polariser le détecteur. Le nano-transistor pour être un redresseur efficace doit être polarisé par une tension de grille proche de sa tension de swing où le fonctionnement classique du transistor est le plus non linéaire. Le signal redressé est amplifié en forçant une asymétrie des charges dans le canal en injectant un courant dans le canal du transistor entre le drain et la source, ce qui a pour effet d'augmenter la sensibilité du transistor ;
- d'une électronique de proximité 615 pour mettre en forme le signal THz. Le signal redressé est une différence de potentiel continue entre le Drain et la Source du nano-transistor mesuré en mode commun ou différentiel. L'électronique de proximité 615 est à haute impédance pour ne pas atténuer l'amplitude du signal et pour forcer l'injection du courant de polarisation dans le transistor et non dans le circuit d'amplification. Un montage soustracteur compense l'offset généré par l'injection du courant entre le drain et la source. Un ou des amplificateurs faible bruit et faible drift amplifie le signal sur la dynamique du Convertisseur Analogique Numérique (« CAN ») 620 ;
- d'une électronique 620 pour digitaliser le signal. Le convertisseur analogique- numérique possède une grande dynamique en amplitude (> 12 bits) et est rapide (> 100 milliers d'échantillons par seconde) ;
- d'une unité centrale de traitement 625 mettant en œuvre un algorithme de démodulation du signal. Afin de limiter les bruits BF et HF (« offset ») on place le signal utile à une fréquence supérieure à 100 Hz en modulant la source THz. Le signal utile à la sortie du capteur est issu de la démodulation du signal reçu par l'électronique.
La fonction du capteur ponctuel 600 et de son électronique de proximité est de redresser l'onde THz et de fournir un signal adapté en impédance pour les étages électroniques suivants. Dans l'électronique 615, le soustracteur suivi d'un amplificateur, ou l'amplificateur différentiel, permet d'amplifier le signal utile de manière différentielle par rapport au signal d'offset généré par l'injection du courant dans le transistor.
Le signal est numérisé à haute cadence (Fréquence d'acquisition > 1 kHz) au plus près de la sortie analogique. La démodulation du signal est réalisée de manière synchrone avec le signal de modulation de la source, ce qui assure un rapport signal à bruit maximisé en éliminant tous les bruits additifs à une fréquence autre que la fréquence de modulation de la source. La sortie numérique du capteur est synchronisée avec les positions absolues de l'objet à imager.
En ce qui concerne l'électronique du capteur mono ou multi-pixel, pour le circuit analogique, on réalise une injection d'un courant dans le canal du transistor. Pour augmenter la sensibilité du capteur THz à base de HEMT on injecte un courant de l'ordre de quelques dizaines de μΑ dans le canal du transistor. Cela a pour conséquence d'augmenter de plusieurs ordres de grandeur la réponse électrique en présence de rayonnement THz. L'injection se fait par un composant générateur de courant directement relié au transistor par son drain, le composant peut être par exemple un LM334 associé à une résistance, le choix de la valeur de la résistance permet de paramétrer la quantité de courant injecté.
Le signal utile aux bornes du transistor en présence de rayonnement THz étant la tension entre son drain et sa source, il est nécessaire d'isoler le transistor et le composant injectant le courant du reste de la chaîne d'amplification par un montage suiveur ayant une impédance très forte. Ainsi le courant injecté ne peut se propager que dans le transistor et non dans la chaîne d'amplification.
Correction analogique de l'offset généré par le courant
La résistance du canal du transistor étant de l'ordre du kOhm, l'injection du courant dans le canal génère un offset continu aux bornes de celui-ci. Cet offset est présent qu'il y ait du THz ou non. Cet offset peut être de l'ordre de plusieurs centaines de mV ce qui est problématique pour la chaîne d'amplification. En effet les amplificateurs amplifient autant le signal utile généré par le THz que l'offset continu : au-delà d'un certain niveau l'offset provoque une saturation des entrées des différents amplificateurs. Il est donc nécessaire de soustraire une tension continue du même ordre de grandeur que la tension d'offset au signal généré par le transistor afin de permettre à la chaîne d'amplification de rester dans sa gamme de fonctionnement en entrée.
Amplification
L'amplification est choisie telle que le bruit généré par celle-ci est faible, qu'il ait une dérive la plus faible possible, et une bande passante suffisante pour les fréquences de travail. Par exemple un amplificateur OPA735 de Texas Instruments présente les performances requises. On choisit classiquement deux étages d'amplification : le premier de gain fixe de 10 ou 100 à proximité de la surface sensible, qui assure le transport d'un signal plusieurs ordre de grandeur plus fort que le niveau de bruit induit par le circuit. Puis le deuxième amplificateur de gain variable (par exemple entre 1 et 10) à proximité du convertisseur analogique numérique (ADC). Ce qui permet au total d'atteindre un facteur maximal d'amplification de 1000 tout en étant capable d'adapter l'amplification pour remplir la plage de conversion de l'ADC.
On observe, en figure 18, un transistor 815 recevant une tension de grille 805 et une injection de courant 810 sur son drain, la tension sur le drain étant fournie à un suiveur 820. En sortie du suiveur 820, un soustracteur 830 soustrait une tension 825, puis deux amplificateurs 835 et 840 amplifient le signal. Modulation/Démodulation du signal
Le bruit généré par le transistor augmente fortement lorsqu'on injecte du courant. Il n'est plus intéressant de le faire fonctionner en mode continu (DC) car le niveau de bruit est trop important, en particulier le bruit basse fréquence lié à la tension d'offset. Cependant en plaçant le signal utile à une fréquence de l'ordre du kHz on obtient un rapport signal à bruit supérieur à 60dB, contre environ 45dB en mode continu sans courant injecté. L'intérêt de l'injection du courant se trouve dans ce rapport signal à bruit qui est meilleur avec le courant pour une fréquence de travail située entre 100Hz et 100kHz.
Il existe plusieurs méthodes pour moduler et démoduler un signal, en particulier celle de la détection synchrone qui est largement utilisée dans les systèmes THz. Cette méthode présente un inconvénient : elle nécessite des temps d'intégration long qui diminuent fortement la vitesse d'acquisition.
Dans le cas présent, on procède de la façon suivante : la source est modulée de manière externe par un composant électronique programmable (par exemple un FPGA) qui commande un modulateur d'amplitude radiofréquence. Le composant programmable maîtrise les états haut et bas de la modulation : sur l'un, le THz est émis par la source ; sur l'autre, aucun signal n'est émis. Alternativement, le signal reçu par le capteur est soit le signal utile lié à la présence de rayonnement THz, soit le bruit de fond en l'absence de THz. Le composant programmable échantillonne le signal provenant du capteur durant les états haut et les états bas, il produit deux moyennes : l'une correspondant au niveau de signal moyen sur l'état haut, l'autre au niveau de signal moyen sur l'état bas. Par soustraction de ces deux moyennes on obtient le signal correspondant au THz seul filtré de ses composantes basses fréquences grâce à la différence haut - bas, et filtré de ses composantes hautes fréquences grâce à la moyenne sur chaque état haut et bas. C'est ce signal différentiel moyenné qui est produit en sortie du capteur.
L'avantage de cette méthode est qu'on peut conserver des vitesses d'acquisition élevées à condition d'avoir des ADC rapides (200.000 échantillons par seconde, par exemple), des bandes passantes d'amplification adaptées. De plus cette méthode est peu coûteuse en calculs, ce qui permet de l'implémenter pour toute une matrice de détecteur, le calcul étant fait indépendamment sur chaque capteur.
Cette architecture garantit une plus grande sensibilité, un bruit signal réduit et une synchronisation du signal avec la position de l'objet optimale.
Dans le cas de l'utilisation d'un capteur linéaire possédant une ou plusieurs lignes de photosites (ou pixels), ce capteur multipixel 700 est constitué, comme illustré en figure 17 :
- d'une ou plusieurs rangées 705 de détecteurs THz 710. Chaque détecteur THz est un nano-transistor RF en GAAS,GAN, ou INP dans une technologie inférieure à 0,25 μηι qui, par effet plasma, dans son canal redresse les ondes THz dans les bandes 0,1 THz à 2,5 THz. Chaque nano-transistor est packagé dans un micro packaging de surface < 0,5 mm2 ;
- d'une électronique de proximité 715 pour polariser chaque détecteur. Un nano- transistor pour être un redresseur efficace est polarisé par une tension de grille proche de sa tension de swing où le fonctionnement classique du transistor est le plus non linéaire. Le signal redressé est amplifié en forçant une asymétrie des charges dans le canal en injectant un courant entre le drain et la source ; d'une électronique de proximité 720 pour mettre en forme le signal THz. Le signal redressé est une différence de potentiel continu entre le Drain et la Source du nano- transistor mesuré en mode commun ou différentiel. L'électronique de proximité 720 est à haute impédance pour ne pas atténuer l'amplitude du signal et pour forcer l'injection du courant de polarisation dans le transistor et non dans le circuit d'amplification. Un montage soustracteur compense l'offset généré par l'injection du courant entre le drain et la source. Un ou des amplificateurs faible bruit et faible drift amplifie le signal sur la dynamique du Convertisseur Analogique Numérique (CAN) 725 ;
- d'une électronique 725 pour digitaliser parallèlement le signal. Ce convertisseur analogique -numérique 725 possède une grande dynamique en amplitude (> 12 bits) et est rapide (> 100 kSamples/s ou milliers d'échantillons par seconde) ;
- d'un système 730 d'acquisition et de traitement du signal pour la réduction du bruit.
De la même façon que dans le cas du capteur ponctuel, la source THz est modulée en amplitude ce qui permet de réaliser une mesure différentielle moyennée.
- d'un système 735 de communication haute vitesse via un protocole de communication Ethernet, USB ou cameralink (marques déposées).
Le capteur et la source sont synchronisés par un signal d'horloge numérique. La source est modulée en amplitude par ce signal d'horloge ce qui permet de mesurer et de compenser le résidu de signal (offset) présent aux bornes du capteur en l'absence de THz. La compensation est à la fois numérique par une soustraction à haute fréquence du signal mesuré avec THz et sans THz, mais aussi analogique en ajustant la tension à soustraire au signal du capteur pour maintenir le niveau global dans une certaine gamme de tension.
Dans le cas du capteur monopixel, les positions absolues de l'objet à imager sont mesurées par un encodeur. Ces données de position sont alors synchronisées avec les données issues du capteur THz pour une utilisation sur l'ensemble de la course du déplacement y compris dans les zones d'accélérations, mais aussi l'exploitation du déplacement aller et retour par le calage des lignes paires et impaires en évitant un phénomène de cisaillement. Et enfin un moyennage des données calé sur les positions absolues et non sur le temps permet une adaptation à toute vitesse de déplacement Cette architecture garantie la plus grande sensibilité, un bruit signal réduit et une synchronisation du signal avec la position de l'objet optimal.
Le capteur multipixel 700 permet d'agrandir spatialement le champ de vue et donc de réaliser des images à haute résolution avec une grande fréquence de rafraîchissement (fréquence ligne > 1 kHz). Chaque capteur 700, y compris son électronique de proximité est en charge de redresser l'onde THz qu'il reçoit localement et de fournir un signal adapté en impédance pour les étages électroniques suivants. Dans l'électronique 720, chaque circuit soustracteur suivi d'un amplificateur, ou amplificateur différentiel, permet d'amplifier le signal utile.
Le signal est numérisé à haute cadence (Fréquence d'acquisition > 1 kHz) au plus près de la sortie analogique.
La démodulation du signal est réalisée de manière synchrone avec le signal de modulation de la source sur les signaux provenant de chaque pixel, ce qui assure un rapport signal à bruit maximisé en éliminant tous les bruits additifs à une fréquence autre que la fréquence de modulation de la source.
Le capteur multipixel 700 est situé dans le plan focal du système optique d'imagerie. Chaque capteur ponctuel est en charge de redresser l'onde THz, d'amplifier le signal utile. Le signal est numérisé à haute cadence (Fréquence d'acquisition > 1 kHz) au plus près de la sortie analogique
La faible surface des capteurs permet une grande compacité et donc il résulte une grande résolution spatiale. Les composants photosensibles sont disposés en ligne avec, par exemple, un espace entre deux composants de l'ordre de 300 μηι et un interpixel de 800 μηι, chaque composant ayant une dimension de 500 μηι x 1 mm. La polarisation individuelle de chaque capteur permet de garantir une homogénéité de sensibilité capteur à capteur en conservant une haute sensibilité. La gestion parallèle de tous les signaux permet de garantir une très haute vitesse d'acquisition. Un traitement du signal embarqué permet un filtrage temps réel pour obtenir le meilleur rapport signal à bruit. Une communication par via un protocole de communication Ethernet, USB ou cameralink permet par gestion des paquets de d'envoyer les lignes à haute cadence de chaîner plusieurs capteurs muiti pixels sans perte de données.
Le point de départ de la conception des systèmes d'imagerie pour capteur linéaire est la résolution spatiale imposée par le capteur. Le dispositif d'imagerie objet de l'invention présente, dans ses modes de réalisation multipixels, un inter-pixel de 800 μηι, et selon le modèle, une ligne de 64, 1 28 ou 192 pixels. Par choix du champ de vision du côté de l'objet à imager, on impose la résolution spatiale optimale de l'ensemble capteur et objectif.
Par exemple, dans le cas d'un champ de vision de 30 mm coté objet, il est nécessaire d'assurer un échantillonnage correct de la scène selon de critère de Shannon (quatre pixels pour une paire de lignes à la résolution maximale). Ainsi la résolution spatiale optimale de la caméra (capteur et objectif) est de 0,53 pl/mm (paires de lignes par millimètre) en fréquence. Une résolution optique supérieure du système ne pourrait pas être échantillonnée correctement par la caméra, une résolution optique inférieure conduirait à disposer d'un nombre de pixel/mm excessif donc de ne pas bénéficier de toute la ressource disponible. Cette approche indique également directement le grandissement nécessaire au système optique, ici 1 ,71 x.
Suite à ce préalable, on est capable de donner une cible de performance au système optique. Connaissant la fréquence de travail, par exemple 255 GHz, on calcule par la loi d'Airy que l'objectif à concevoir doit avoir une ouverture numérique coté objet de 1 ,31 , une ouverture numérique coté image de 2,23. On peut également estimer la dimension du diamètre de l'objectif nécessaire pour atteindre cette ouverture numérique : ici 75 mm.
Compte tenu des paramètres optiques déterminés ci-dessus, on voit que l'objectif à concevoir pour répondre à la problématique est un objectif de type microscope. En effet, contrairement à l'objectif de photographie ou à une lunette de vision lointaine (télescope), l'objectif de microscope présente les caractéristiques globales suivantes : la scène à imager est plus petite que la taille du capteur, les pixels du capteur sont du même ordre de grandeur que les détails moyens de la scène. Le rapport de reproduction est bien supérieur à un (une scène de 100 μηι x 100 μηι sera reproduite sur un capteur de 10 mm x 10mm : grandissement de 100). L'objectif travaille à faible distance de l'objet, et son ouverture objet peut atteindre des valeurs telles que 0,7.
En ce qui concerne l'utilisation d'un objectif de microscope, on rappelle qu'une optique de microscopie permet à la fois de grandir l'objet à observer, et de séparer les détails de cet objet afin qu'il soit observable. C'est la combinaison d'un grandissement et d'un pouvoir de résolution qui caractérise un tel système optique.
Dans le cadre des systèmes d'imagerie à objectif de microscope en imagerie THz, d'une part la scène est généralement plus petite que la taille de la matrice de détecteur, et le détecteur est de l'ordre de grandeur des détails de la scène, il est donc nécessaire d'avoir un grandissement de la scène et de ses détails pour l'imager. D'autre part l'image de la scène doit se former en assurant un pouvoir de résolution de l'objet suffisant pour pouvoir observer ses détails, ce qui implique en général de travailler avec des fortes ouvertures, donc à proximité de l'objet et avec des optiques de grand diamètre comparativement à la scène.
Pour répondre à la problématique de l'imagerie de champ THz, l'objectif de microscope est le meilleur candidat :
- les pixels du capteur sont gros comparés aux détails de l'image à former,
- le capteur est de grande dimension : > 150 mm pour 192 pixels et
- la résolution à atteindre nécessite de très fortes ouvertures. La conséquence de ce choix est que l'objectif est volumineux, d'une dimension similaire, ou plus grande que les objets à imager.
Les résultats en termes de nombre de lentilles de l'optique, leurs formes, et leurs dimensions dépend beaucoup du grandissement visé, et de la résolution attendue, ainsi que du tirage de l'objectif (distance entre objet et première lentille)
Les objectifs présentent au minimum deux groupes de lentilles :
1 er groupe : à proximité de l'objet, permet la collection de la lumière issue de l'objet avec l'ouverture ciblée et
- 2ème groupe : à proximité de l'image, permet de former l'image de l'objet avec l'ouverture image ciblée.
Pour des objectifs faiblement contraints (par exemple grandissement de deux, et longueur d'onde faible), il est possible de concevoir un objectif sur ce principe avec une seule lentille par groupe, donc seulement deux lentilles en tout. Cela est rendu possible en particulier grâce à la capacité de fabriquer des lentilles asphériques.
Pour des objectifs plus contraints (par exemple grandissement de 1 et longueur d'onde élevée) il est nécessaire d'utiliser plus d'une lentille par groupe :
- compensateur de champ dans le premier groupe pour limiter la courbure de champ et
- deux ou trois lentilles dans le deuxième groupe pour limiter les épaisseurs et les aberrations
Dans certains modes de réalisation, l'objectif présente en réalité trois groupes de lentilles, le deuxième groupe étant divisé en deux sous-groupes séparés d'un espace d'air important, c'est le cas en particulier lorsque l'objectif est télécentrique coté image.
Exemples de réalisation
Exemple 1 , figure 3 : champ objet 40 mm, grandissement 1 ,3x, 235 GHz
L'objectif 200 possède deux groupes 205 et 210 d'une lentille chacun, il n'est pas télécentrique coté image. Cet objectif 200 a été conçu avec la contrainte d'un tirage objet supérieur à 50 mm. La MTF (acronyme de « modulation transfer fonction » pour fonction de transfert de modulation) montre une résolution de 0,4 pl/mm, soit 1 ,92 mm de résolution rapporté à l'objet. Le spot diagramme montre que le système est limité par diffraction sur tout le champ : l'image n'est pas perturbée par les aberrations.
Exemple 2, figure 4 : champ objet 30 mm, grandissement 1 ,7x, 235 GHz
L'objectif 215 possède trois lentilles 220, 225 et 230, le deuxième groupe étant divisé en deux sous-groupes d'une lentille. Objectif télécentrique coté image. La MTF coté image montre une résolution de 0,45 pl/mm, soit 1 ,3 mm de résolution rapporté à objet. Le spot diagramme montre que le système est limité par diffraction sur tout le champ : l'image n'est pas perturbée par les aberrations. Exemple 3, figure 5 : champ objet 52 mm, grandissement 1 x, 140 GHz
L'objectif 235 présente un deuxième groupe divisé en deux sous-groupes. Quatre lentilles 240, 245, 250 et 255 sont nécessaires pour obtenir le grandissement de 1 et la télécentricité coté image. La MTF coté image montre une résolution de 0,40 pl/mm, soit 2,5 mm de résolution rapporté à objet. Le spot diagramme montre que le système est limité par diffraction sauf en bord de champ (défaut léger).
Exemple 4, figure 6 : champ objet 50 mm, grandissement 3,1 , 235 GHz
L'objectif 260, de fort grandissement en deux groupes, avec un compensateur de champ dans le premier groupe. Cet objectif, à trois lentilles 265, 270 et 275 permet d'atteindre des résolutions inférieures à la longueur d'onde. La MTF coté image montre une résolution de 0,41 pl/mm, soit 780 μηι de résolution rapportée à objet. Le spot diagramme montre que le système est limité par diffraction sauf en bord de champ (défaut léger).
L'objectif d'imagerie THz sert à faire l'image d'un objet situé dans le champ vers un plan image situé à l'opposé de l'objectif. La condition pour fonctionner dans les spécifications est d'avoir en entrée un signal THz suffisant pour la sensibilité de détection dans le plan image. Dans une réalisation classique, cet objectif est intégré dans une chaîne incluant une source, un système de projection de l'éclairement de la source, l'objectif lui-même, un capteur multi- pixel, et un système d'analyse informatisé (non représenté).
L'objectif est donc un élément est clé dans la chaîne décrite ci-dessus car c'est lui qui assure la résolution spatiale optique sur l'objet à imager. Les dimensions de l'objectif sont intrinsèquement liées à ses performances : plus la résolution désirée est grande plus les lentilles sont de grande dimension, et la longueur de l'objectif est importante.
L'utilisation d'une ligne de pixels comme capteur nécessite l'utilisation d'un éclairage sur une ligne de la scène afin de concentrer l'énergie de la source sur la partie de l'objet observée par le capteur linéaire. La source émet un rayonnement sur un cône d'émission déterminé par son cornet. La répartition de l'énergie dans le cône d'émission présente une distribution d'énergie non uniforme et circulaire car celle-ci est en général de distribution gaussienne et à symétrie de révolution. Le système de linéarisation de la source vise deux objectifs :
- rendre l'éclairement de la source linéaire et
rendre l'éclairement de la source uniforme sur la scène.
Dans des modes de réalisation, l'éclairement de la scène est conçu parallèle dans une direction, et focalisé dans la direction perpendiculaire. L'utilisation d'une lentille cylindrique 290 est une solution pour atteindre cet objectif. Le faisceau 285 issu de la source est agrandi sur le même diamètre que la scène à éclairer, puis avec une lentille dont la courbure est asphérique à géométrie cylindrique (et non à géométrie de révolution) on focalise le rayonnement dans une seule direction de l'espace, comme illustré en figure 7. La linéarisation 280 par la méthode précédente présente un éclairement non-uniforme car la distribution de l'éclairement de la source ne l'est pas. La focalisation de la distribution d'énergie de la source dans une seule direction de l'espace garde la même distribution inhomogène reportée long de la ligne d'éclairement.
La figure 8 représente une distribution d'énergie 300 en sortie de source 100.
Avec un logiciel de conception optique, il est possible de calculer la distribution à géométrie de révolution optimale pour assurer un éclairement uniforme une fois transformé par la lentille cylindrique. Cette distribution étant connue, le logiciel l'utilise comme cible pour optimiser les lentilles de mise en forme du faisceau à la sortie de la source 100. Par exemple un éclairement présentant une distribution 305, illustrée en figure 9, forme une distribution uniforme après une lentille cylindrique.
Pour réaliser une uniformisation de l'éclairement sur la ligne observée par le capteur d'image linéaire, en deux étapes de conception, on forme un système 310 à trois lentilles 315, 320, 325 :
- au cours d'une première étape, on calcule la distribution 305 nécessaire à l'entrée de la lentille cylindrique 325,
- au cours d'une deuxième étape, on réalise une optimisation d'un système à deux lentilles asphériques 315, 320 pour former cette distribution 305.
La figure 1 1 illustre la distribution 330 résultant de la mise en œuvre du système optique 310.
Dans une autre méthode de linéarisation, on remplace les deux lentilles 315 et 320 de mise en forme du faisceau par une seule lentille, présentant au moins une surface n'étant pas à symétrie de révolution (sphère, asphère), mais représentant des splines ou des polynômes. Dans ce cas, un ensemble de deux lentilles 335 et 340 permet de rendre l'éclairement linéaire et uniforme, comme illustré en figure 12 :
- la lentille 335 sert à la mise en forme du faisceau pour préparer la distribution d'énergie (lentille à surface polynomiale XY, par exemple)
- la lentille 340 cylindrique asphérique réalise la focalisation du faisceau dans une seule direction.
L'avantage de cette méthode est qu'elle est plus simple à mettre en œuvre dans un logiciel de calcul : une macro de passage de l'éclairement circulaire gaussien de la source à l'éclairement linéaire uniforme est directement implémentée au niveau de l'optimisation sans passer par une étape intermédiaire de calcul de l'éclairement nécessaire à l'entrée de la lentille cylindrique 340. Le calcul de la macro, complexe pour un système à symétrie de révolution, on brise cette symétrie dès la première lentille. Cela apporte l'avantage de diminuer le nombre de lentilles nécessaires. La conception de l'éclairement prend en compte la source utilisée (longueur d'onde, divergence). Le système d'éclairement permet de projeter assez d'énergie THz sur un plan de l'espace pour ensuite utiliser un objectif de collection et un capteur pour former une image d'un objet placé dans ce plan de l'espace.
Le système de linéarisation permet de choisir comment répartir l'énergie issue de la source afin d'éclairer le plus efficacement la scène. Un système bénéficiant de ce type d'éclairement a la plus grande efficacité énergétique, ce qui permet d'utiliser des capteurs moins sensibles, ou de faire des images d'objets très opaques ou peu réfléchissants.
Dans un autre mode de réalisation l'éclairement peut être un rectangle dont les largeurs et hauteurs peuvent être choisies par le concepteur. Dans ce cas l'éclairement est collimaté sur l'objet à étudier ce qui permet d'une part d'avoir une plus grande profondeur dans laquelle l'éclairement est optimale et d'autre part d'avoir la pupille de sortie du système d'éclairement à l'infini afin d'éviter d'avoir une partie de l'image de la source qui se superpose avec l'image de l'objet.
Pour réaliser un éclairement rectangulaire on procède selon la deuxième méthode décrite ci-dessus : un calcul photométrique permet de déterminer une macro de passage entre un éclairement gaussien de révolution et un éclairement rectangulaire uniforme (ou rectangulaire avec un profil d'intensité particulier. De plus, on impose l'angle d'incidence des rayons nul ponctuel sur l'objet afin de rendre l'éclairement collimaté). Cette macro est implémentée dans le logiciel de conception pour faire l'optimisation de deux lentilles à surface n'étant pas à symétrie de révolution qui génèrent au niveau de l'objet un éclairement rectangulaire tel que défini par le concepteur.
Dans le cas de l'utilisation d'un capteur ponctuel (à un seul photosite ou pixel), le principe de l'imageur ponctuel repose sur deux groupes de lentilles :
- un premier groupe réalise la mise en forme du faisceau pour atteindre la résolution voulue et
- un deuxième groupe effectue la collection du flux transmis à travers l'objet à imager. Dans ce mode d'imagerie, la résolution spatiale est uniquement liée au premier groupe optique situé avant l'objet. La partie collection de flux n'a pas d'impact sur la résolution spatiale de l'image formée. L'optimisation du deuxième groupe est basée sur le principe de la collection de flux d'énergie : le but est de concentrer au maximum l'énergie sur le capteur afin d'obtenir le plus grand rapport signal à bruit.
Deux modes d'imagerie sont utilisés selon les types objets à imager.
Le mode transmission, à travers l'objet : mesure transmise de l'intensité, et/ou polarisation, ou différence de marche par l'échantillon.
Le mode réflexion sur l'objet : mesure réfléchie de l'intensité, et/ou polarisation, ou différence de marche par l'échantillon en surface ou dans sa profondeur. L'imageur ponctuel proposé permet de faire des images de l'objet en réflexion et en transmission simultanément. Il utilise pour cela deux groupes de collection de flux situés en amont et en aval de l'objet. Il peut également contrôler l'amplitude de la source pour un calibrage afin de réaliser des mesures absolues.
En plus de ses composants optiques, le système d'imagerie ponctuel peut intégrer les éléments suivants :
Une source THz CW ou modulé
Un ou plusieurs capteur ponctuels ou multipixels (linéaire)
Une table cartésienne pour déplacer l'échantillon avec au moins un encodeur sur l'axe de déplacement rapide.
Un système informatique qui crée l'image en synchronisant avec la position absolue de la table cartésienne le signal synchronisé avec la modulation de la source La résolution maximale est obtenue pour une lentille de focalisation de focale très courte, de l'ordre de 10 ou 20 mm. Par conséquent, l'espace disponible pour insérer l'échantillon peut s'avérer très limité pour des échantillons de grande taille. L'imageur proposé présente une solution à ce problème grâce à un système modulaire permettant de changer de résolution en fonction de la dimension de l'objet à imager.
Le faisceau issu de la source est d'abord collimaté par une première lentille. Le faisceau collimaté se propage avec des rayons parallèles à la suite de cette lentille, ce qui permet de placer la lentille qui focalise le rayonnement à n'importe quelle distance de la lentille de collimation.
Le plan de focalisation sur l'objet est choisi tel qu'une optique de courte focale permettant une haute résolution, et donc placée proche de l'objet, ou une lentille de longue focale permettant une résolution plus faible mais permettant de mesurer un objet plus volumineux, la lentille étant placée proche de la source, focalisent le faisceau au même endroit sur l'axe optique.
Grâce à ce système on facilite l'intégration mécanique et on améliore l'ergonomie du système car on peut facilement modifier la résolution du système, en changeant la lentille de focalisation, mais en conservant la même distance entre la source et l'objet.
En mode transmission, la collection de flux se fait par un groupe de deux lentilles placées après l'objet. Le collecteur utilisé possède une ouverture numérique au moins égale à celle du premier groupe, afin d'assurer une efficacité maximale.
La première lentille peut être identique à celle de focalisation. Elle collecte le flux issu de l'objet, et rend le faisceau à rayons parallèles (collimaté). La modularité de résolution décrite haut dessus est conservée grâce à ce système en permettant de disposer la deuxième lentille à n'importe quelle distance de la première. La deuxième lentille située devant le détecteur permet de focaliser le faisceau THz sur la surface photosensible en concentrant l'énergie pour maximiser le rapport signal à bruit. L'ouverture utilisée pour cette lentille est par exemple de 1 ,25. Cette valeur peut être choisie pour faire un compromis entre concentration d'énergie (valeur d'ouverture plus faible), et stabilité de la focalisation : une ouverture plus grande permet de rendre la focalisation sur le capteur moins dépendante des éventuelles distorsions du faisceau liées aux dilatations mécaniques ou à la simple perturbation du faisceau par l'objet.
En mode réflexion, la collection du flux se fait par l'ajout d'une lame séparatrice et d'une lentille. L'ensemble est placé avant la lentille de focalisation sur l'échantillon. La lame séparatrice permet de laisser passer le faisceau THz incident entre la source et l'objet. Une fois réfléchi sur l'objet, le signal THz est collecté par la lentille de focalisation, puis réfléchi sur la lame séparatrice pour être envoyé à 90° sur la lentille située devant le capteur. La lentille devant le capteur est la même que la lentille utilisée en mode transmission.
La lame séparatrice introduit une perte de signal à chaque passage par une réflexion d'une partie de l'énergie de la source à l'aller, et par une transmission d'une partie de l'énergie réfléchie de l'objet au retour.
Concernant le mode polarisation, l'onde THz est une onde électromagnétique qui peut être polarisée spécifiquement afin d'étudier une réponse spécifique des matériaux, telle que la biréfringence.
Pour ce faire, l'onde incidente doit être à polarisée circulairement. Un composant retardateur pourra être utilisé pour transformer une polarisation linéaire en circulaire, par exemple :
- une lame ¼ d'onde,
- un cornet ou
- un montage à prisme 120°.
L'analyseur analyse l'ellipticité, le déphasage de l'ellipse et le sens de rotation de l'ellipse. Les techniques utilisées sont :
- rotation d'un retardateur ½ onde + Polariseur et acquisition de l'énergie sur 180° au moins pour reconstituer les paramètres de l'ellipse et
- décomposition de l'onde transmise sur au moins trois capteurs munis de polariseurs qui analysent au moins trois directions privilégiées de polarisation. On réalise l'analyse sur un capteur unique qui intègre :
- la mesure d'amplitude sur deux directions de polarisation perpendiculaires à l'aide de deux nano-transistors plasmoniques munis de leur antenne et
- la mesure de déphasage de l'ellipse et son sens de rotation à l'aide d'un nano- transistor muni d'antennes croisées. La modularité offre une plateforme très flexible pour effectuer des mesures sur l'épaisseur des échantillons (objets à imager) au travers de la gestion du tirage, le besoin de résolution spatiale adaptée, d'imagerie en mode transmission pour les matériaux complètement transparents, réflexion pour les objets dont un des matériaux serait opaque, polarisation pour les matériaux qui ont un axe préférentiel de propagation (on parle de biréfringence).
L'utilisation combinée de la source THz (modulation et large bande), des capteurs (très sensible, rapide), des encodeurs de la table cartésienne (position absolue) et du système d'acquisition (synchronisation, filtrage) permet de former une image avec une très haute sensibilité, sans artefact de mouvement, sans onde stationnaire et avec un très faible bruit BF et HF.
En ce qui concerne la lame séparatrice, par exemple les lames 435 et 455 illustrées en figures 14 et 15, le silicium Haute Résistivité est très couramment utilisé dans le domaine THz pour la fabrication de fenêtres optique, de séparateur de faisceau, ou de lentilles de collection hémisphériques. Préférentiellement, le système de capture d'images objet de l'invention utilise ce matériau pour ses lames semi-réfléchissantes. En effet, l'indice très élevé de 3,41 permet d'obtenir sur une seule face de matériau une séparation du faisceau en deux composantes réfléchie et transmise de 45% et 55% respectivement.
Pour assurer la fonction de lame-séparatrice (idéalement 50% de transmission et 50% de réflexion) la lame doit être conçue avec soin, car le passage à travers les deux faces de la lame provoque des interférences du faisceau avec lui-même qui fait varier notablement les performances du composant.
Préférentiellement, la lame séparatrice est l'objet d'un traitement antireflet sur une seule face de son matériau. Ainsi il n'apparait pas de réflexion sur cette face, et les interférences ne se produisent pas. Pour le traitement, on choisit préférentiellement un matériau d'un indice proche de 1 ,8, et on adapte son épaisseur à un sous-multiple de la longueur d'onde.
Dans des modes de réalisation, on obtient une efficacité de séparation de 50% en choisissant l'épaisseur de la lame : par calcul des composants de l'onde entrant en interférence on est capable de déterminer quelle épaisseur conduit à une efficacité de 50%.
En ce qui concerne la polarisation incidente sur la lame séparatrice, préférentiellement on utilise la polarisation en mode TM (acronyme de transverse mode pour mode transversal) dans lequel le champ est parallèle au plan d'incidence. L'inventeur a, en effet, déterminé que la polarisation en mode TM assure une meilleure stabilité de l'efficacité de séparation lorsque l'épaisseur de la lame séparatrice varie dans sa tolérance de fabrication.
La lame séparatrice est utilisée sur un faisceau faiblement divergent pour être la plus efficace. Préférentiellement, on l'insère dans un faisceau collimaté. La lame séparatrice est traversée deux fois par le faisceau optique : une fois lorsqu'il provient de la source, une deuxième fois lorsqu'il revient de l'objet vers le détecteur.
La lame séparatrice est utilisée pour concevoir un système optique en réflexion, où l'éclairement de l'objet et la récupération du flux provenant de l'objet se font du même côté de l'objet.
Un dispositif d'imagerie multipixel objet de l'invention intègre les éléments suivants :
- une source THz,
- un système optique constitué de lentilles pour réaliser l'éclairement linéaire,
- un système optique constitué de lentilles pour réaliser la collection de l'éclairement après transmission à travers l'objet ou réflexion sur l'objet,
- d'une lame séparatrice dans le cas de la réflexion,
- un capteur multipixel et
- une unité de traitement du signal sortant du capteur.
De manière générale il est compliqué d'utiliser le mode transmission soit à cause des dimensions de l'objet, soit à cause de contraintes d'environnement industriel. Le mode réflexion est donc couramment utilisé. Il existe plusieurs manières d'agencer l'éclairage et l'objectif pour mettre en place ce mode.
En mode transmission, le système optique complet présente deux parties 400 et 410 séparées, l'une pour l'éclairage linéaire, l'autre pour l'objectif d'imagerie. Par exemple, dans le système optique du dispositif 40 illustré en figure 13, les trois lentilles de gauche, partie 400, pour l'éclairage, les deux de droite, partie 410, pour l'objectif. Entre les deux, l'espace libre permet d'insérer l'objet 405 dont des images doivent être captées par le capteur 415.
L'ouverture de l'éclairage est adaptée à l'ouverture de l'objectif pour ne pas perdre d'énergie en dehors de l'objectif.
Dans un mode de réalisation du dispositif 42 illustré en figure 14, avec réflexion à travers tout l'objectif, les trois lentilles de droite 420 forment l'éclairage qui est projeté au niveau du plan image de l'objectif 430. L'éclairage passe ensuite par l'objectif 430 pour être projeté sur l'objet 425. Enfin l'objectif 430 forme l'image de l'objet 425 qui est projeté à 90° sur le capteur 415 grâce à une lame semi-réfléchissante 435.
L'éclairage est alors conçu pour éclairer uniformément l'objet 425 à travers l'objectif
430.
Dans un mode de réalisation du dispositif 44 illustré en figure 15, avec réflexion à l'intérieur de l'objectif, l'éclairage 440 prend en compte une lentille supplémentaire 460 après la lentille cylindrique 465 : la dernière lentille de l'objectif 450. Ainsi l'éclairage est inséré directement à la sortie de l'objectif 450. L'objectif 450 fonctionne grâce à une lame semi- réfléchissante 455 qui renvoie la lumière réfléchie à 90° vers les deux autres lentilles et le capteur linéaire 470. L'avantage de cette conception est d'être plus compacte, et d'introduire moins de pertes avec moins de lentilles traversées par le faisceau THz entre la source et le capteur.
Le système d'éclairement permet d'avoir un éclairement homogène de la scène, le système de collection une très grande résolution exploitée par l'extrême compacité des pixels du capteur multipixels.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif (40, 42, 44) de capture de valeurs ponctuelles pour constituer une image, caractérisé en ce qu'il comporte :
une source (100) incohérente de rayons dont la fréquence est comprise entre 0,075 THz et 10 THz pour éclairer un objet,
- un capteur (415, 470) de rayonnement provenant de l'objet, qui comporte une zone sensible au rayonnement issu de la source et qui émet un signal électrique représentatif de l'intensité des rayons issus de la source atteignant la zone sensible du capteur et
au moins un système optique (400, 410, 420, 430, 440, 450) de focalisation de nombre d'ouverture (F-Number) inférieur à un, situé sur le chemin optique des rayons émis par la source allant de la source au capteur de rayons en passant par l'objet.
2. Dispositif (40, 42, 44) selon la revendication 1 , dans lequel la source (100) éclaire l'objet avec un spectre d'émission suffisamment étendu pour balayer l'onde stationnaire dans une durée plus courte que le temps d'acquisition du capteur.
3. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la source incohérente possède une largeur de bande de plusieurs GHz.
4. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel la source incohérente possède une largeur de bande au moins égale à 12 GHz à -100dB.
5. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel au moins un système optique comporte une lentille optique asphérique.
6. Dispositif (40, 42, 44) selon la revendication 5, dans lequel la dispersion, en pourcentage, des indices des matériaux utilisés pour la lentille optique sur les plages de fréquences de la source est inférieure à 1 %.
7. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel la dispersion, en pourcentage, des indices des matériaux utilisés pour la lentille optique sur les plages de fréquences de la source est de 0,2 %, de 100 à 300 GHz.
8. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel la dispersion, en pourcentage, des indices des matériaux utilisés pour la lentille optique sur les plages de fréquences de la source est de 0,5% de 100 à 700 GHz
9. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel au moins un composant optique d'un système optique présente un traitement antireflet comportant des microstructures en forme de cônes ou de cratères.
10. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel au moins un système optique comporte une lentille optique et dans lequel la source (100) incohérente de rayons est configurée pour éclairer l'intégralité de la lentille optique la plus proche de ladite source.
1 1 . Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel la fréquence d'émission de la source (100) incohérente de rayons est modulée.
12. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans lequel la source (100) incohérente de rayons comporte une source de bruit de type bruit thermique dans une résistance ou diode impatt.
13. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 12, qui comporte une électronique de proximité pour polariser un nano-transistor comportant la zone photosensible, par une tension de grille proche de sa tension de swing où le fonctionnement classique du transistor est le plus non linéaire.
14. Dispositif (40, 42, 44) selon la revendication 13, dans lequel le signal redressé issu du nano-transistor est amplifié en forçant une asymétrie des charges dans le canal du nano- transistor en injectant un courant dans le canal du nano-transistor, entre le drain et la source et /ou en utilisant des motifs métallisés jouant le rôle d'antennes.
15. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 13 ou 14, dans lequel le signal redressé est une différence de potentiel continue entre le Drain et la Source du nano-transistor mesuré en mode commun ou différentiel.
16. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 13 à 15, dans lequel l'électronique de proximité comporte un circuit de compensation de l'offset généré par l'injection du courant entre le drain et la source du nano-transistor par exemple en utilisant un montage soustracteur.
17. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 16, dans lequel la zone photosensible est un nano-transistor, le signal généré par la radiation THz est une différence de potentiel continue entre le Drain et la Source du nano-transistor mesuré en mode commun ou différentiel.
18. Dispositif (40, 42, 44) selon la revendication 17, qui comporte une électronique de proximité pour polariser le nano-transistor par une tension de grille proche de sa tension de swing où le fonctionnement classique du transistor est le plus non linéaire.
19. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 17 ou 18, dans lequel le signal redressé issu du nano-transistor est amplifié en forçant une asymétrie des charges dans le canal du nano-transistor en injectant un courant dans le canal du transistor, entre le drain et la source et /ou en utilisant des motifs métallisés jouant le rôle d'antennes.
20. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 19, qui comporte au moins un amplificateur faible bruit et faible drift qui amplifie le signal sur la dynamique d'un convertisseur analogique numérique.
21 . Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 20, qui comporte un moyen de synchronisation de la démodulation du signal avec le signal de modulation d'amplitude de la source (100) incohérente.
22. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 21 , qui comporte un moyen de synchronisation de la sortie numérique du dispositif avec la source (100) incohérente.
23. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 22, qui comporte une lame séparatrice, la polarisation incidente sur la lame séparatrice étant la polarisation en mode TM
(acronyme de transverse mode pour mode transversal) dans lequel le champ est parallèle au plan d'incidence.
24. Dispositif (40, 42, 44) selon l'une des revendications 1 à 23, qui comporte un moyen de mesure de l'intensité des rayonnements provenant de l'objet, et/ou de polarisation des rayons provenant de l'objet, et/ou de la différence de marches des rayons provenant de l'objet.
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