Développement optique

Objectifs de microscope à miroirs. Etant donné les propriétés d’absorption de la lumière par l’eau (voir Fig. 1.7), il n’est pas concevable d’employer des objectifs de microscope à immer-sion, puisqu’au-delà d’une longueur d’onde de 1,4µm, seule une faible partie de la lumière serait transmise. De plus, les objectifs de microscope à réfraction disponibles sur le marché sont pour la plupart destinés à une utilisation dans une bande spectrale relativement étroite (< 400 nm) et généralement dans le domaine visible. L’arrangement des différentes lentilles qui constituent ces objectifs et leur traitement antireflet ne sont donc pas optimisés pour travailler sur une si large bande spectrale. Cela engendrerait donc des aberrations importantes, ainsi qu’une transmissivité réduite pour une ou deux bandes spectrales.

Il convient donc de les substituer par des objectifs de microscope dit "à réflexion" ou "à miroirs" dont l’agencement, dit de Schwarzschild, de type Cassegrain renversé (voir Fig. 2.5), garantit une qualité d’image proche de la limite de diffraction sur tout le spectre considéré et des aberrations chromatiques réduites à zéro du fait de l’utilisation de miroirs. Une couche d’or étant déposée sur les deux miroirs, la réflectivité de ces objectifs est supérieure à 95% sur l’ensemble

2.2. Montage expérimental

Figure 2.5 – Schéma d’un objectif de microscope à miroirs en configuration Schwarzschild. Le miroir primaire concave est percé de sorte que le faisceau puisse être réfléchi par le miroir secondaire qui est, quant à lui, convexe. Modifiée depuis www.newportfranklin.com.

L’ouverture numérique de ce type d’objectif est généralement limitée à 0,5 du fait de la pré-sence d’aberrations géométriques conséquentes au-delà de cette valeur. De même, la dimension du miroir secondaire qui obstrue une partie de la lumière réfléchie par l’échantillon est suscep-tible de dégrader la qualité des images, en affectant principalement le contraste lié aux faibles et moyennes fréquences spatiales [Nad12, Gre51]. Un agencement judicieux des miroirs et un choix pertinent de leur rayon de courbure doivent être opérés afin de garantir un système dépourvu d’aberrations géométriques du troisième ordre. Il est considéré qu’une obstruction maximale de 20 % peut être tolérée pour garantir des performances satisfaisantes. Afin d’atteindre des ouvertures numériques supérieures, les dispositifs réfractifs restent alors préférables [Nad12]. Mise en place d’un système d’imagerie achromatique. Deux roues à filtres sont insérées dans le système d’illumination de Köhler, afin d’associer plusieurs filtres optiques et de sélec-tionner une bande spectrale. Compte tenu de la largeur de chacune des trois bandes spectrales, afin de maintenir les performances du système y compris lorsqu’on pénètre en profondeur dans l’échantillon, il est important de corriger les différences de dispersion entre les deux bras de l’interféromètre. Comme on l’a vu lors du chapitre précédent, une méthode consiste à disposer une lame de verre, à faces planes et parallèles, fixe dans un des bras [Dub06], pour corriger une différence donnée de dispersion.

Cependant cela ne permet pas d’adapter la correction à mesure que l’on pénètre dans l’échan-tillon, lorsque la différence de dispersion, elle, évolue. On met alors en place un système dyna-mique de compensation de la différence de dispersion afin de réduire au maximum cette dernière, y compris au cours de la pénétration dans l’échantillon. On dispose pour cela deux lames de verre, à faces planes et parallèles identiques, une dans chaque bras, orientées initialement d’un angle θ₀ par rapport à l’axe optique du montage (voir Fig. 2.6). Alors que la lame du bras échantillon reste fixe durant l’acquisition, celle du bras référence est pivotée d’un angle δθ afin d’accroître le chemin optique dans le bras référence, puisque l’épaisseur de verre augmente, et dans le même temps de modifier la dispersion de la lumière. L’augmentation du chemin optique déplace la po-sition de la fenêtre de cohérence dans l’échantillon, entraînant une augmentation de la dispersion dans le bras échantillon, qu’on vient contrebalancer par la rotation de la lame du bras référence.

Nous reviendrons plus en détail sur ce dispositif de compensation dynamique de la dispersion dans la prochaine section.

Figure 2.6 – Schéma du montage. DO : diaphragme d’ouverture, DC : diaphragme de champ, CS : cube séparateur, LCD : lame compensatrice de dispersion, OMR : objectif de microscope à réflexion, PZT : platine piézoélectrique, L1 : lentille, L2 : lentilles de tube (doublets), RF : roues à filtres.

L’autre élément optique essentiel à la formation de l’image est la lentille de tube, qui consiste dans notre cas en un doublet achromatique pour une certaine bande spectrale. Les doublets uti-lisés ne sont optimisés que pour un certain intervalle de longueurs d’onde qui ne couvre pas l’ensemble de notre spectre. Il est donc nécessaire de modifier la lentille de tube selon la bande spectrale considérée. Etant donné les caractéristiques des trois bandes, on utilise la même lentille de tube, optimisée entre 650nm et 1050nm, pour la bande 1 et la bande 2, alors que pour la bande 3 on remplace la lentille de tube par un doublet optimisé entre 1050nm et 1620nm. La substitution des lentilles de tube entre deux acquisitions doit être très précise, de sorte que le champ imagé soit identique quelle que soit la lentille de tube utilisée. On utilise par conséquent une base trait-point-plan comme support des lentilles de tubes. Ce dispositif trait-point-plan constituant un système mécanique isostatique, le remplacement des lentilles de tube est réalisé rapidement avec une très bonne répétabilité.

L’association d’objectifs de microscope à réflexion et d’un dispositif de lentilles de tube modulables rend donc le système d’imagerie achromatique, puisqu’il est optimisé et adapté à chaque bande spectrale utilisée.

2.2. Montage expérimental

2.2.4 Optimisation de la vitesse d’acquisition par décalage de phase à