Modélisation mécanique du système

Pour un gain de place évident, nous avons décidé de développer le système sur une table optique orientée verticalement. Avant d’effectuer l’achat des différents composants, nous avons réalisé une modélisation mécanique de l’ensemble du système à partir des fichiers 3D des composants récupérés sur les sites des fournisseurs. Le logiciel de CAO utilisé est Geomagic Design. Il nous a permis de construire virtuellement le système en appliquant les contraintes réelles existantes entre les différents éléments du montage. L’objectif était de vérifier que chaque élément mécanique était correctement imbriqué au sein du système et que l’espace disponible sur la table était suffisant pour insérer l’intégralité des composants optiques et mécaniques. Le système devait pouvoir intégrer différentes sortes d’objectifs, possédant à la fois de courtes et de grandes distances focales (objectifs Mitutoyo). Les focales des lentilles de l’illuminateur ont été calculées afin d’obtenir un éclairage de type Köhler (simulé dans la partie 2.2.3.2). Les distances focales des lentilles nous ont alors permis d’obtenir une idée de la longueur occupée par la partie illumination (de la LED jusqu’au cube séparateur). Le réglage d’un interféromètre Linnik repose sur un positionnement très précis des différents éléments qui le composent. Par exemple, les objectifs doivent être placés de manière à faire coïncider leurs plans focaux d’entrées avec l’image intermédiaire de la source. La distance entre l’objectif du bras objet et l’échantillon, ainsi que celle entre l’objectif du bras de référence et le miroir de référence, doivent également être réglables et ce, indépendamment de la position de l’objectif. Toutes ces conditions nous ont amenés à utiliser différents types de tables de déplacement et de montures optiques résumés ci-dessous.

Les éléments constituant l’illuminateur sont placés dans des montures permettant un réglage précis en translation selon les axes X et Y (l’axe Z définit le sens de propagation de la lumière).

L’objectif du bras objet est positionné sur une monture permettant un réglage très précis en translation selon les axes X et Y.

L’ensemble « objectif + miroir de référence » est monté sur une table de translation à grande dynamique (25 mm) et à grande sensibilité de déplacement (0,1 µm). Cette table permet de régler la différence de chemin optique entre les deux bras de l’interféromètre. Le miroir de référence est inséré dans une monture permettant de régler son inclinaison selon les axes X et Y (le miroir doit être perpendiculaire à l’axe de l’objectif). Cette monture est elle-même positionnée sur une mini-table de translation selon Z permettant de régler le plan de focalisation.

L’échantillon est placé sur le dispositif piézoélectrique pour le balayage en Z. Celui-ci est installé sur un goniomètre 2 axes (résolution de 7,7 mrad/rev) permettant de régler l’inclinaison de l’échantillon (réglage de l’orientation et de l’élargissement des franges). Le goniomètre est fixé sur une table de translation X-Y-Z afin d’ajuster à la fois la zone étudiée et le plan de focalisation. Initialement, le dispositif de translation X-Y-Z était composé de trois tables de translation 1D imbriquées les unes avec les autres et était directement rattaché à la table verticale afin que l’ensemble des composants soit soumis aux mêmes perturbations (vibrations…), comme c’est illustré sur la figure 2-26(a). Cependant, certainement en raison du poids trop important à supporter, nous observions une faible dérive selon Z

résultant en un défilement des franges d’interférences avec le temps (figure 2-27). Ainsi, le dispositif a été remplacé par un bloc de translation X-Y-Z compact et fixé sur la table optique horizontale.

Figure 2-26 Dispositif de translation X-Y-Z. (a) Par association de 3 tables de translation 1D fixées sur la table optique verticale. (b) Bloc de translation X-Y-Z compact fixé sur la table horizontale.

Figure 2-27 Images des franges d’interférences sur un substrat de silicium acquises à différents moments.

(a) t = 0 s. (b) t = 10 s. (c) t = 20 s. (d) t = 40 s. L’objectif de Mirau est utilisé.

Les trois lames à retard quart d’onde sont respectivement attachées aux montures des deux objectifs et à celle de la lentille « imageur ». La lentille imageur (réf TTL200 chez Thorlabs) est spécifiquement conçue pour l’imagerie à large champ et pour fonctionner avec des objectifs corrigés à l’infini. La distance entre les objectifs et la lentille imageur doit être comprise entre 70 et 170 mm pour un fonctionnement optimal. Pour une distance inférieure à 70 mm, des aberrations peuvent apparaître sur l’image, tandis que pour une distance trop grande, des effets de vignettage apparaîtront. La distance de travail de la lentille imageur étant de 143 mm, nous connaissions tous les paramètres permettant de déterminer la hauteur maximale du montage optique. Nous avons donc choisi une table optique de 600 x 900 x 12,5 mm (H x L x e), afin d’avoir suffisamment de place pour disposer l’intégralité des composants, tout en conservant une bonne stabilité mécanique en limitant la hauteur de la table.

Figure 2-28 Modélisation du montage pour une vue de face. Note : le repère ne correspond pas à la convention utilisée dans le texte. Dans notre cas, il faut voir �⃗⃗ = �⃗ et �⃗ = −�⃗⃗ .

Le miroir de référence, qui est situé au sommet d’une superposition de tables de translation et de montures optiques, correspond au composant le plus éloigné de la table et définit donc la hauteur de l’axe optique. Les différentes vues offertes par le logiciel de conception Geomagic Design ont alors permis d’identifier la hauteur des tiges nécessaires pour obtenir un système optique centré (figures 2- 29(a)-(b)-(c)).

La stabilité mécanique du système a été assurée par 4 équerres permettant de fixer la plaque « breadboard » à la table optique, par l’utilisation de tiges de 20 mm d’épaisseur et par le choix, si possible, de matériaux en acier inoxydable (faible coefficient thermique).

Figure 2-30 Montage optique vu de deux angles opposés.

Le montage illustré sur les figures précédentes ne correspond pas exactement au montage final. En effet, afin de faciliter le réglage, nous avons remplacé les montures optiques des composants de l’illuminateur, ainsi que celle de l’objectif du bras objet. La précédente configuration aurait conduit à un réglage de l’inclinaison selon l’axe Y beaucoup trop complexe. Sachant à quel point l’inclinaison des éléments optiques est critique pour un bon fonctionnement du système, nous avons choisi de lier la totalité du bloc illuminateur par une série de quatre tiges, dont les extrémités sont rattachées à la monture de la LED et au cube séparateur. Ce changement permet ainsi de s’affranchir du réglage de l’inclinaison et de se limiter aux translations selon les axes X et Y. Le réglage en inclinaison des objectifs étant tout aussi important, nous avons également relié la monture de l’objectif objet au cube séparateur à l’aide de quatre tiges.