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WO1992000549A1 - Procede et dispositif de detection analogique multicanal - Google Patents

Procede et dispositif de detection analogique multicanal Download PDF

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Publication number
WO1992000549A1
WO1992000549A1 PCT/FR1991/000514 FR9100514W WO9200549A1 WO 1992000549 A1 WO1992000549 A1 WO 1992000549A1 FR 9100514 W FR9100514 W FR 9100514W WO 9200549 A1 WO9200549 A1 WO 9200549A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signal
values
modulated
phase
analog detection
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR1991/000514
Other languages
English (en)
Inventor
Danièle FOURNIER
François CHARBONNIER
Philippe GLEYZE
Albert-Claude Boccara
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority to DE4192191A priority Critical patent/DE4192191C1/de
Publication of WO1992000549A1 publication Critical patent/WO1992000549A1/fr
Priority to GB9204379A priority patent/GB2252406B/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means

Definitions

  • the present invention relates to a multichannel analog detection method and device.
  • Multichannel detectors such as arrays or arrays of photodiodes are developing very quickly and are now in common use.
  • a source most often a light source, is modulated.
  • the modulated signal is amplified and then multiplied by a reference whose mean value is zero.
  • a low-pass filter followed by a continuous amplifier provides information with good noise rejection. A rejection rate of more than 90 decibels is thus frequently obtained.
  • a first solution consists in coupling as many synchronous detectors as there are of elements in the multichannel detector. This solution requires parallel reading of the specialized circuit and quickly becomes impossible to implement for detectors comprising a large number of elements.
  • multichannel detectors currently widespread are arrays or arrays of diodes comprising from 256 to several million channels.
  • a second solution is to read in series each of the elements of the multichannel detector at a frequency higher than the modulation frequency, to digitize the information, to store it in different memories, then to process the signal thus average by a programmed computer device.
  • the objective of the invention is therefore to propose a method and a multi-channel analog detection device, the implementation of which is simple, which improve the signal / noise ratio of the measured signal and have good dynamics.
  • the signal to be detected is modulated, producing a modulated signal S (P) of frequency f accompanied by noise;
  • the modulated signal is subjected to a synchronous phase attenuation ⁇ producing a modulated attenuated signal;
  • the modulated-attenuated signal is received by a multipoint receiver which produces, for each point, a primary analog electrical signal;
  • each primary analog signal is integrated over N periods producing, for each point P, a value V (P, ⁇ );
  • phase ⁇ is successively increased (n-1) times by 2 ⁇ / n, and for each of these values the operations making it possible to store the values V (P, ⁇ );
  • the invention also relates to a multi-channel analog detection device for a signal to be detected, comprising:
  • - a multipoint receiver receiving the modulated-attenuated signal and producing for each point a primary analog signal
  • phase sequencer giving successively to ⁇ the values ⁇ Q + i2 ⁇ / n for i integer varying from 1 to n;
  • FIG. 1 is a schematic representation of a multipoint receiver used according to the invention.
  • FIG. 2 is a timing diagram of the detection method according to the invention.
  • FIG. 3 is an overall representation of the detection device according to the invention.
  • - Figure 4 shows the detection device of the invention in a first example of application.
  • - Figure 5 shows a second example of application of the detection device according to the invention.
  • FIG. 6 is a detailed schematic view of the detection device of the invention.
  • FIG. 7 is the diagram of a polarized light microscopy device with which the detection device of the invention is used.
  • FIG. 8 is an example of an image obtained with the devices of FIGS. 7 and 8.
  • the inventive multi-channel analog detection method and device can be used very generally for the detection of many types of signals. However, they are particularly well suited for carrying out light flux measurements with photodiodes in the form of bars or arrays. It is known in itself that in such a detector, each photodiode 1 is equivalent to the parallel mounting of a diode 2 and a capacitor 3. The current supplied to this circuit is a function of the light flux received by the photodiode 1.
  • a controllable switch l 1 allows the ⁇ reading of the charge of the capacitor 3 at the chosen time and thereby measuring the light energy received between two readings, that is to say the integral of the flux.
  • the arrays or arrays of photodiodes comprise a very large number of elements of this type varying according to the desired applications from 256 to several million elements.
  • a suitable device allows the successive control of the switches I 1 # I 2 , I 3 ..., 1 ⁇ ... so as to allow the acquisition of signals representative of the respective energies E lf E 2 , E 3 , ... , E if ... received by the corresponding photodiodes.
  • the signal to be detected is modulated so as to obtain a modulated signal S (P) of frequency f and of period T.
  • This signal is of course accompanied by noise.
  • This modulation frequency f can be relatively high, for example several hundred MHz since, as we will see later, the frequency of reading the information provided by the multipoint receiver and digitizing this information is greatly reduced compared to the frequency f.
  • the physical phenomenon observed directly produces a periodic signal in the frequency range f indicated above and can be directly exploited.
  • the signal to be detected is first of all voluntarily modulated as for the application according to the known principles of synchronous detection for a single detector or of heterodyne detection. This modulation can be obtained by numerous devices.
  • the signal to be detected is a light signal carried by a beam produced by a light source, it is possible to directly modulate the power supply of the source to obtain the modulated signal.
  • a modulation means interposed between the source and the multipoint receiver for example a POCHELS cell, mechanical modulator, elasto-optical modulator, rotating polarizer, ...
  • the modulated signal S (P) represented for example in FIG. 2 is then subjected to a synchronous attenuation of phase ⁇ represented by A ( ⁇ ) so as to produce a modulated signal attenuated,
  • the attenuation signal A ( ⁇ ) is a periodic signal of the same frequency f as the modulated signal S (P) and it is possible to vary its phase ⁇ determining its phase shift relative to S (P). While respecting these conditions, it can take variable forms, be made up of a succession of slots, be itself sinusoidal, ...
  • This function A ( ⁇ ) has the value 1 during a fraction 1 / n of the period and a zero value outside.
  • the attenuated modulated signal S (P) x A ( ⁇ ) therefore corresponds to a division of a fraction 1 / n of each period of the signal
  • the light signal thus modulated and attenuated is sent to the multipoint receiver which converts, for each of the points, the light signal received into a primary analog electrical signal of the same shape.
  • This primary analog electrical signal is integrated over N periods and produces a value V (P, ⁇ ).
  • V (P, ⁇ ) is therefore produced by the light flux received by the detector at this point during N periods of the signal S (P).
  • V (P, ⁇ ) for the set of points, for a fixed phase value ⁇ are then read, digitized and stored in memory. These read, digitize and store operations are therefore performed at the frequency f / N.
  • this phase ⁇ of the synchronous attenuation A ( ⁇ ) is increased with respect to the modulated signal S (P) by 2 ⁇ / n.
  • a new cutting of the signal S (P) is then produced corresponding to the time interval of 2 ⁇ r / n according to the previously cut interval.
  • the attenuated modulated signal is received by the multipoint receiver which produces a primary analog electrical signal for each point.
  • This new primary analog signal is then also integrated over N periods and produces for each point a value V (P, ⁇ ) corresponding to the new value of ⁇ .
  • V (P, ⁇ ) are again read, digitized and stored in memory. We successively increase (n-1) times the phase ⁇ of
  • the integration of the primary analog signal is directly obtained at the level of each photodiode.
  • the reading of the values V (P, ⁇ ) for each value of the phase shift ⁇ is obtained by the action of a shift register 41 which controls the switches 40-1, 40-2, ..., 40-i, .. and produces a signal on the video line 42.
  • the video signal carrying information V (P, ⁇ ) is digitized by the analog / digital converter 44 and stored in a computer device 45.
  • a clock 46 synchronizes the attenuation with the modulated signal and controls the reading of the values V (P, ⁇ ).
  • a value V (p, ") has been stored for each of the points P.
  • the processing unit 46 processes these n values so as to produce data representative of the amplitude and of the phase of signal S (P).
  • FIG. 2 n ⁇ 4. High values of n make it possible to measure harmonics of the signal at a frequency multiple of f.
  • Figures 4 and 5 are two representations of a detection device implementing the invention.
  • a light source 50 is used for the observation of a physical phenomenon giving rise to the signal to be detected.
  • the light beam 51 produced by this source is detected by a multipoint detector 52, for example constituted by a strip of CCD photodiodes (charge transfer device). Between the source 50 and the multipoint receiver 52 are placed the means 53 for modulating the light beam.
  • the attenuation is produced by the shutter 54 while in the example shown in Figure 5, the attenuation is produced by actuating the power supply 55 of the light source 50
  • the modulation means 53 and the attenuation means 54 or 55 are controlled by the same clock 56 which ensures their synchronization.
  • This same clock 56 controls, by means of the control module 57, the reading of the diode array 52.
  • the video signal carrying the values V (P, ⁇ ) for each value of the phase shift ⁇ is sent to the unit of treatment 58.
  • FIG. 7A is the general optical diagram
  • FIGS. 7B and 7C are representations of the object 70 and the multipoint detector in their plane.
  • the object 70 whose roughness is measured is a reflector.
  • the source 71 produces, after crossing an OLLASTON 72 prism, two beams 73 and 74 perpendicularly polarized and focused by the effect of the eyepiece 75, the tube lens 76 and the objective 77 on the object 70.
  • a cylindrical lens 78 deforms the beams so that they focus along the lines 79 and 80.
  • a separator cube 81 directs the reflected beams to the multipoint receiver 82 constituted by a CCD photodiodes array.
  • a lens 83 produces the focusing of the beams on the receiver, an elasto-optical modulator 84 modulates the phase difference between the two beams and a polarizer 85 produces their interference.
  • the phase difference between the reflected beams depends on the path difference introduced at the measurement points, that is to say their relative positions by compared to a plane normal to the beam.
  • the signal received at point 88 of the receiver 82 corresponding to points 86, 87 depends on the phase difference between the beams and therefore on the relative positions of points 86, 87 relative to the plane normal beam.
  • the set of signals received at the various points of the detector 82 makes it possible to measure the roughness of the object 70 along the lines 79, 80. By moving the object 70, perpendicular to these lines, the entire surface is scanned. .
  • the microcomputer 100 controls the measurement, stores in memory the values V (P, ⁇ ) supplied by the multipoint detector 82 and produces the measured values representative of S (P).
  • the clock 101 controls and synchronizes, by
  • the block 102 for shaping and processing the modulation signal By means of the block 102 for shaping and processing the modulation signal, the attenuation and the reading of the CCD register 103 associated with the array of photodiodes 82.
  • the modulation is produced by the control of the modulator 84 at the frequency of 50KHz.
  • the attenuation is produced by the control of the supply 104 of the source 105 by the block 102.
  • the video signal produced by the reading of the CCD register 103 is sent to the analog-digital converter 106 and the values read put in memory in the microcomputer 100.
  • FIG. 8 is an example of the roughness display of a sample obtained with the device described.
  • the described multi-channel detection method and device can be applied in many fields. In particular, they can be used in spectrometers, dichrometers, polarimeters, ellipsometers, optical microscopes, scanning electron ...

Landscapes

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  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
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Abstract

L'invention concerne un dispositif de détection analogique multicanal d'un signal à détecter ayant un très bon rapport signal/bruit. Il comporte un modulateur (53) produisant un signal modulé S(P); des moyens d'atténuation (54) synchrone de phase variable Ζ produisant un signal modulé atténué; un récepteur multipoint (52) recevant le signal modulé-atténué et produisant pour chaque point un signal analogique primaire; un intégrateur produisant pour chaque point une valeur V(P,Ζ) résultant de l'intégration sur N périodes du signal analogique primaire; des moyens de lecture, de numérisation et de mise en mémoire des valeurs V(P,Ζ) pour une valeur Ζ donnée; un séquenceur de phase donnant successivement à Ζ les valeurs Ζ0+i2π/n pour i entier variant de 1 à n; une unité de traitement numérique permettant l'obtention de données représentatives de S(P) à partir des valeurs V(P,Ζ). Il est particulièrement bien adapté à la détection d'un flux lumineux avec une barrette de photodiodes.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION ANALOGIQUE
MULTICANAL La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection analogique multicanal. Les détecteurs ulticanaux tels que les barrettes ou matrices de photodiodes se développent très rapidement et sont maintenant d'usage courant.
Les méthodes de détection fréquemment utilisées avec les détecteurs monocanaux afin d'améliorer leur rapport signal/bruit sont souvent difficiles à transposer directement aux détecteurs multicanaux. C'est la raison pour laquelle, le développement d'un procédé et d'un dispositif de détection analogique multicanal revêt un grand intérêt. En particulier, la méthode de détection synchrone est couramment utilisée avec les détecteurs monocanaux. Elle donne entière satisfaction et son intérêt n'est plus à justifier.
Selon cette méthode, utilisable aussi bien pour les spectromètres , les dichromètres, les polarimètres, les ellipsomètres, les microscopes optiques ou électroniques à balayage, les microscopes interférentiels, etc..., une source, le plus souvent une source lumineuse, est modulée.
Après détection, le signal modulé est amplifié puis multiplié par une référence dont la valeur moyenne est nulle. Un filtre passe-bas suivi d'un amplificateur continu permet d'obtenir l'information avec une bonne réjection du bruit. Un taux de réjection de plus de 90 décibels est ainsi fréquemment obtenu. Compte-tenu de l'intérêt de cette méthode, on a cherché à la transposer, lors de l'utilisation de détecteurs multicanaux.
A cet effet, une première solution consiste à coupler autant de détecteurs synchrones qu'il existe d'élé ents dans le détecteur multicanal. Cette solution demande la lecture en parallèle du circuit spécialisé et devient vite impossible à mettre en oeuvre pour des détecteurs comprenant un grand nombre d'éléments. A titre indicatif, des détecteurs multicanaux actuellement répandus sont des barrettes ou des matrices de diodes comportant de 256 à plusieurs millions de canaux.
Une deuxième solution est de lire en série chacun des éléments du détecteur multicanal à une fréquence plus élevée que la fréquence de modulation, de numériser l'information, de la stocker dans différentes mémoires, puis de traiter le signal ainsi moyenne par un dispositif informatique programmé.
Cette solution est limitée actuellement par le temps de gestion des mémoires numériques et ne peut être mise en oeuvre qu'avec des fréquences de modulation du signal très faibles (quelques Hertz) . De plus, la moyenne étant faite numériquement, il est nécessaire d'utiliser des convertisseurs analogiques/numériques de très grande résolution (supérieure ou égale à 12 bits) pour obtenir une bonne dynamique et une rapidité raisonnable de mesure. De tels convertisseurs sont très coûteux.
Des difficultés analogues sont rencontrées dans la mise en oeuvre des détections hétérodynes appliquées aux détecteurs multicanaux.
L'objectif de l'invention est donc de proposer un procédé et un dispositif de détection analogique multicanal dont la mise en oeuvre est simple, qui améliorent le rapport signal/bruit du signal mesuré et présentent une bonne dynamique.
A cet effet, il est proposé un procédé de détection analogique multicanal d'un signal à détecter dans lequel :
- le signal à détecter est modulé, produisant un signal modulé S(P) de fréquence f accompagné de bruit ; - le signal modulé est soumis à une atténuation synchrone de phase Φ produisant un signal modulé atténué ; le signal modulé-atténué est reçu par un récepteur multipoint qui produit, pour chaque point, un signal électrique analogique primaire ;
- chaque signal analogique primaire est intégré sur N périodes produisant, pour chaque point P, une valeur V(P,Φ) ;
- les valeurs V(P,Φ), pour l'ensemble des points et pour une valeur de phase Φ fixée, sont lues, numérisées, mises en mémoire ;
- on augmente successivement (n-1) fois la phase Φ de 2π/n, et pour chacune de ces valeurs on reproduit les opérations permettant de mettre en mémoire les valeurs V(P,Φ) ;
- on traite numériquement les n valeurs V(P,Φ) obtenues respectivement pour chaque point P de manière à produire une donnée représentative de l'amplitude et de la phase de S(P) . L'invention concerne également un dispositif de détection analogique multicanal d'un signal à détecter comprenant :
- un modulateur produisant un signal modulé S(P);
- des moyens d'atténuation synchrone de phase variable Φ produisant un signal modulé atténué ;
- un récepteur multipoint recevant le signal modulé-atténué et produisant pour chaque point un signal analogique primaire ;
- un intégrateur produisant pour chaque point une valeur V(P,Φ) résultant de l'intégration sur N périodes du signal analogique primaire ;
- des moyens de lecture, de numérisation et de mise en mémoire des valeurs V(P,φ) pour une valeur Φ donnée ;
- un séquenceur de phase donnant successivement à Φ les valeurs ΦQ + i2π/n pour i entier variant de 1 à n ;
- une unité de traitement numérique permettant l'obtention de données représentatives de S(P) à partir des valeurs V(P,Φ) . L'invention sera décrite plus en détail en référence aux figures annexées dans lesquelles :
- La figure 1 est une représentation schématique d'un récepteur multipoint utilisé selon l'invention.
- La figure 2 est un chronogramme du procédé de détection selon l'invention.
- La figure 3 est une représentation d'ensemble du dispositif de détection selon l'invention.
- La figure 4 représente le dispositif de détection de l'invention dans un premier exemple d'application. - La figure 5 représente un deuxième exemple d'application du dispositif de détection selon l'invention.
- La figure 6 est une vue schématique détaillée du dispositif de détection de l'invention.
- La figure 7 est le schéma d'un dispositif de microscopie en lumière polarisée avec lequel le dispositif de détection de l'invention est utilisé.
- La figure 8 est un exemple d'image obtenue avec des dispositifs des figures 7 et 8.
Le procédé et le dispositif de détection analogique multicanal de l'invention peuvent être utilisés de manière très générale pour la détection de nombreux types de signaux. Toutefois, ils sont particulièrement bien adaptés à la réalisation de mesures de flux lumineux avec des photodiodes sous forme de barrettes ou de matrices. II est en soi connu que dans un tel détecteur, chaque photodiode 1 est équivalente au montage en parallèle d'une diode 2 et d'un condensateur 3. Le courant fourni à ce circuit est fonction du flux lumineux reçu par la photodiode 1. Un interrupteur commandable l1 permet la ζ lecture de la charge du condensateur 3 au moment choisi et par là de mesurer l'énergie lumineuse reçue entre deux lectures, c'est-à-dire l'intégrale du flux.
Les barrettes ou matrices de photodiodes comportent un très grand nombre d'éléments de ce type variant selon les applications recherchées de 256 à plusieurs millions d'éléments. Un dispositif adapté permet la commande successive des interrupteurs I1# I2, I3..., 1^... de manière à permettre l'acquisition de signaux représentatifs des énergies respectives El f E2, E3, ..., Eif ... reçues par les photodiodes correspondantes.
De manière générale, le signal à détecter est modulé de manière à obtenir un signal modulé S(P) de fréquence f et de période T. Ce signal est bien entendu accompagné de bruit.
Cette fréquence de modulation f peut être relativement élevée, par exemple plusieurs centaines de MHz puisque, comme nous le verrons par la suite, la fréquence de lecture des informations fournies par le récepteur multipoint et digitalisation de ces informations est fortement réduite par rapport à la fréquence f.
Dans certains cas particuliers, le phénomène physique observé produit directement un signal périodique dans la gamme de fréquence f indiquée plus haut et peut être directement exploité. Le plus souvent, le signal à détecter est tout d'abord volontairement modulé comme pour l'application selon les principes connus de la détection synchrone pour un détecteur unique ou de la détection hétérodyne. Cette modulation peut être obtenue par de nombreux dispositifs. Lorsque le signal à détecter est un signal lumineux porté par un faisceau produit par une source lumineuse, il est possible de moduler directement l'alimentation de la source pour obtenir le signal modulé. Il est également possible d'utiliser un moyen de modulation interposé entre la source et le récepteur multipoint, par exemple une cellule de POCHELS, modulateur mécanique, modulateur élasto-optique, polariseur tournant, ...
Le signal modulé S(P) représenté par exemple sur la figure 2 est ensuite soumis à une atténuation synchrone de phase Φ représentée par A(Φ) de manière à produire un signal modulé atténué, le signal d'atténuation A(Φ) est un signal périodique de même fréquence f que le signal modulé S(P) et il est possible de faire varier sa phase Φ déterminant son déphasage par rapport à S(P). Tout en respectant ces conditions, il peut revêtir des formes variables, être constitué d'une succession de créneaux, être lui-même sinusoïdal,...
La description qui va suivre, en référence aux figures 2 et 3, concerne le cas d'une fonction A(Φ) en créneaux.
Cette fonction A(Φ) a la valeur 1 pendant une fraction 1/n de la période et une valeur nulle en dehors. le signal modulé atténué S(P) x A(Φ) correspond donc à un découpage d'une fraction 1/n de chaque période du signal
S(P), à phase constante (sur la figure 2, n = 4) .
Le signal lumineux ainsi modulé et atténué est adressé sur le récepteur multipoint qui convertit, pour chacun des points, le signal lumineux reçu en un signal électrique analogique primaire de même forme.
Ce signal électrique analogique primaire est intégré sur N périodes et produit une valeur V(P,Φ).
Pour chaque point P, la valeur V(P,Φ) est donc produite par le flux lumineux reçu par le détecteur en ce point pendant N périodes du signal S(P).
Les valeurs V(P,Φ) pour l'ensemble de points, pour une valeur de phase Φ fixée, sont alors lues, numérisées et mises en mémoires. Ces opération de lecture, numérisation, mise en mémoire sont donc effectuées à la fréquence f/N. T
Après avoir réalisé ces opérations pour une valeur Φ donnée, on augmente cette phase Φ de l'atténuation synchrone A(Φ) par rapport au signal modulé S(P) de 2π/n.
On produit alors un nouveau découpage du signal S(P) correspondant à l'intervalle de temps de 2τr/n suivant l'intervalle précédemment découpé.
De manière analogue, le signal modulé atténué est reçu par le récepteur multipoint qui produit pour chaque point un signal électrique analogique primaire. Ce nouveau signal analogique primaire est alors également intégré sur N périodes et produit pour chaque point une valeur V(P,Φ) correspondant à la nouvelle valeur de Φ. Ces nouvelles valeurs V(P,Φ) sont à nouveau lues, numérisées et mises en mémoire. On augmente successivement (n-1) fois la phase Φ de
2π/n mettant ainsi en mémoire n ensembles de valeurs V(P,Φ).
Il est important de souligner que dans ces opérations, la lecture et la numérisation des valeurs V(P,Φ) ont été réalisées à la fréquence f/N donc à une fréquence qui peut être beaucoup plus faible que la fréquence f. Il est ainsi possible, comme nous l'avons indiqué plus haut, de dissocier la fréquence de modulation du signal à détecter f de la fréquence de lecture et de numérisation des signaux fournis par le récepteur multipoint. Cette caractéristique permet d'améliorer considérablement le rapport signal/bruit de la détection et permet également la mise en oeuvre d'un procédé de détection hétérodyne avec tout détecteur multipoint et en particulier avec des détecteurs de flux lumineux de type CCD.
Lorsque le récepteur multipoint est composé d'éléments CCD, l'intégration du signal analogique primaire est directement obtenue au niveau de chaque photodiode. La lecture des valeurs V(P,Φ) pour chaque valeur du déphasage Φ est obtenue par l'action d'un registre à décalage 41 qui commande les interrupteurs 40-1, 40-2, ..., 40-i,... et produit un signal sur la ligne vidéo 42. Après amplification par l'amplificateur 43, le signal vidéo porteur des information V(P,Φ) est numérisé par le convertisseur analogique/numérique 44 et mis en mémoire dans un dispositif informatique 45.
Une horloge 46 assure la synchronisation de l'atténuation avec le signal modulé et commande la lecture des valeurs V(P,Φ).
Ainsi, a été mise en mémoire une valeur V(p,«) pour chacun des points P. De manière en soi connue, l'unité de traitement 46 traite ces n valeurs de manière à produire des données représentatives de l'amplitude et de la phase du signal S(P) .
Ces valeurs sont alors disponibles pour tout usage, elles peuvent être visualisées sur un écran, représentées à l'aide d'une traçante, commander tout dispositif, .... La description qui précède a été faite en référence à l'utilisation d'une atténuation représentée par une fonction créneaux, toute autre fonction périodique positive peut être utilisée à cet effet pour autant que n ensembles de valeurs V(p,Φ) sont produits pour des valeurs Φ du déphasage de l'atténuation par rapport au signal modulé variant de 2τr/n.
Sur la figure 2, n ≈ 4. Des valeurs élevées de n permettent de mesurer des harmoniques du signal à une fréquence multiple de f. Les figures 4 et 5 sont deux représentations d'un dispositif de détection mettant en oeuvre l'invention. Une source lumineuse 50 est utilisée pour l'observation d'un phénomène physique donnant naissance au signal à détecter. Le faisceau lumineux 51 produit par cette source est détecté par un détecteur multipoint 52, par exemple constitué par une barrette de photodiodes CCD (dispositif à transfert de charge) . Entre la source 50 et le récepteur multipoint 52 sont placés les moyens de modulation 53 du faisceau lumineux.
Dans l'exemple de réalisation présenté sur la figure 4, l'atténuation est produite par l'obturateur 54 alors que dans l'exemple représenté sur la figure 5, l'atténuation est produite en actionnant l'alimentation 55 de la source lumineuse 50. Dans les deux modes de réalisation, les moyens de modulation 53 et les moyens d'atténuation 54 ou 55 sont commandés par une même horloge 56 qui assure leur synchronisation. Cette même horloge 56 pilote, par l'intermédiaire du module de pilotage 57, la lecture de la barrette de diodes 52. Le signal vidéo porteur des valeurs V(P,Φ) pour chaque valeur du déphasage Φ est adressé à l'unité de traitement 58.
On décrira maintenant l'application du procédé de détection de l'invention à la mesure de rugosité par microscopie interférentielle en référence aux figures 6, 7 et 8.
La figure 7A est le schéma optique général, les figures 7B et 7C sont des représentations de l'objet 70 et du détecteur multipoint dans leur plan. L'objet 70 dont la rugosité est mesurée est un réflecteur. La source 71 produit, après traversée d'un prisme de OLLASTON 72, deux faisceaux 73 et 74 polarisés perpendiculairement et focalisés par l'effet de l'oculaire 75, de la lentille de tube 76 et de l'objectif 77 sur l'objet 70. Une lentille cylindrique 78 déforme les faisceaux de telle sorte qu'ils focalisent le long des lignes 79 et 80.
Un cube séparateur 81 dirige les faisceaux réfléchis vers le récepteur multipoint 82 constitué par une barrette de photodiodes CCD. Une lentille 83 produit la focalisation des faisceaux sur le récepteur, un modulateur élasto-optique 84 module la différence de phase entre les deux faisceaux et un polariseur 85 produit leur interférence.
Ainsi, pour chaque couple de points des lignes 79 et 80 de l'objet 70, la différence de phase entre les faisceaux réfléchis dépend de la différence de marche introduite aux points de mesure, c'est-à-dire de leurs positions relatives par rapport à un plan normal au faisceau.
Le signal reçu au point 88 du récepteur 82 correspondant aux points 86, 87 (les points 86, 87 et 88 sont optiquement conjugués) dépend de la différence de phase entre les faisceaux et donc des positions relatives des points 86, 87 par rapport au plan normal du faisceau. L'ensemble des signaux reçus aux différents points du détecteur 82 permet de mesurer la rugosité de l'objet 70 le long des lignes 79, 80. En déplaçant l'objet 70, perpendiculairement à ces lignes, on balaye l'ensemble de sa surface.
Le micro-ordinateur 100 pilote la mesure, conserve en mémoire les valeurs V(P,Φ) fournies par le détecteur multipoint 82 et produit les valeurs mesurées représentatives de S(P).
L'horloge 101 commande et synchronise, par
1'intermédiaire du bloc 102 de mise en forme et de traitement le signal de modulation, l'atténuation et la lecture du registre CCD 103 associé à la barrette de photodiodes 82.
La modulation est produite par la commande du modulateur 84 à la fréquence de 50KHz.
L'atténuation est produite par la commande de l'alimentation 104 de la source 105 par le bloc 102. le M signal d'atténuation est composé de deux signaux périodiques décalés de π envoyés séquentiellement à l'entrée de l'alimentation 104 (A(Φ) est une fonction créneaux, n = 2) . La lecture du registre CCD 103 est faite pour chaque phase du signal d'atténuation après stockage de plusieurs expositions, par exemple 1.000 (N = 1.000). La lecture est donc faite à 50Hz.
Le signal vidéo produit par la lecture du registre CCD 103 est adressé au convertisseur analogique-numérique 106 et les valeurs lues mises en mémoire dans le micro¬ ordinateur 100.
Celui-ci, effectuant la différence entre les valeurs obtenues lors de deux lectures pour des atténuations en opposition de phase, extrait, pour chaque point du détecteur, l'amplitude du signal.
La figure 8 est un exemple de visualisation de rugosité d'un échantillon obtenu avec le dispositif décrit. Le procédé et le dispositif de détection multicanal décrits peuvent être appliqué dans de nombreux domaines. En particulier, ils peuvent être utilisés dans des spectromètres, des dichromètres, des polarimètres, des ellipsomètres, des microscopes optiques, électroniques à balayage, ...

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Procédé de détection analogique multicanal d'un signal à détecter dans lequel :
- le signal à détecter est modulé, produisant un signal modulé S(P) de fréquence (f) accompagné de bruit ;
- le signal modulé est soumis à une atténuation synchrone de phase Φ produisant un signal modulé atténué ;
- le signal modulé-atténué est reçu par un récepteur multipoint qui produit, pour chaque point, un signal électrique analogique primaire ;
- chaque signal analogique primaire est intégré sur N périodes produisant, pour chaque point (P) , une valeur V(P,Φ) ;
- les valeurs V(P,Φ), pour l'ensemble des points et pour une valeur de phase Φ fixée, sont lues, numérisées, mises en mémoire ;
- on augmente successivement (n-1) fois la phase Φ de 2n/n, et pour chacune de ces valeurs on reproduit les opérations permettant de mettre en mémoire les valeurs V(P,Φ) ;
- on traite numériquement les n valeurs V(P,Φ) obtenues respectivement pour chaque point (P) de manière à produire une donnée représentative de l'amplitude et de la phase de S(P) .
2. Procédé de détection analogique multicanal selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on augmente successivement la phase de τr/2 (n = 4) .
3. Procédé de détection analogique multicanal selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'atténuation synchrone est produite par la multiplication du signal modulé par une fonction créneaux prenant successivement les valeurs 0 et 1.
4. Procédé de détection analogique multicanal selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en λ-b ce que le signal à détecter est un signal lumineux.
5. Procédé de détection analogique multicanal selon la revendication 4, caractérisé en ce que la modulation du signal à détecter est obtenue par modulation de la source lumineuse.
6. Procédé de détection analogique multicanal selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal électrique analogique primaire, pour chaque point, est obtenu par détection hétérodyne.
7. Dispositif de détection analogique multicanal d'un signal à détecter comprenant :
- un modulateur (53) produisant un signal modulé
S(P) ;
- des moyens d'atténuation (54) synchrone de phase variable Φ produisant un signal modulé atténué ;
- un récepteur multipoint (52) recevant le signal modulé-atténué et produisant pour chaque point un signal analogique primaire ;
- un intégrateur produisant pour chaque point une valeur V(P,Φ) résultant de l'intégration sur N périodes du signal analogique primaire ;
- des moyens de lecture, de numérisation et de mise en mémoire des valeurs V(P,Φ) pour une valeur Φ donnée ;
- un séquenceur de phase donnant successivement à Φ les valeurs ΦQ + i2τr/n pour i entier variant de 1 à n ;
- une unité de traitement numérique permettant l'obtention de données représentatives de S(P) à partir des valeurs V(P,Φ) .
8. Dispositif de détection analogique multicanal selon la revendication 7, caractérisé en ce que :
- le signal à détecter est un signal lumineux porté par un faisceau produit par une source lumineuse ;
- il comporte des photodiodes (CCD) constituant le récepteur multipoint et l'intégrateur.
9. Dispositif de détection analogique multicanal selon la revendication 8, caractérisé en ce que la source lumineuse est une diode laser comportant une alimentation et en ce que les moyens d'atténuation synchrone agit sur l'alimentation de la source.
10. Dispositif de détection analogique multicanal selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens d'atténuation synchrone sont un obturateur placé entre la source lumineuse et le récepteur multipoint.
11. Dispositif de détection analogique multicanal selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection hétérodyne permettant d'améliorer le rapport signal/bruit du signal électrique analogique primaire produit pour chaque point par le récepteur multipoint.
12. Dispositif de détection analogique multicanal selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que les moyens de lecture des valeurs V(P,Φ) produisent un signal de type vidéo et l'adressent aux moyens de numérisation.
13. Dispositif de détection analogique multicanal selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour effectuer des mesures de différence de marche par microscopie interfèrentielie en lumière polarisée.
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