Lumière diffusée par les filtres interférentiels complexes : développement d'un banc de métrologie hautes performances et d'outils de synthèse par intelligence artificielle

Scattered light from complex interference filters : development of a high performance metrology bench and artificial intelligence synthesis tools

• Auteur / Autrice : Marin Fouchier
• Direction : Myriam Zerrad, Michel Lequime
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et sciences de la matière. Optique, photonique et traitement d'image
• Date : Soutenance le 06/10/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France)
• Partenaire(s) de recherche : Partenaire de recherche : Cilas ArianeGroup - Centre national d'études spatiales (France)
• Jury : Président / Présidente : Marc Ferrari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Pinard, Catherine Grèzes-Besset, Claude Amra, Norbert Hubin, Karine Mathieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Delmotte, Laurent Lamaignère

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation électromagnétique

Mesure

Microscopes

Microscopes interférentiels

Optique

Mots clés libres

Diffusion lumineuse

Métrologie

Instrumentation optique

Couches minces optiques

Filtres interférentiels

Réseaux de neurones profonds

Électromagnétisme

Light scattering

Metrology

Optical thin films

Interference filters

Deep neural networks

Electromagnetism

Résumé

Le développement des filtres interférentiels pour les imageurs multispectraux a mis en évidence de nouvelles problématiques propres à ces composants couches minces. Les interfaces séparant leurs couches constitutives génèrent de la diffusion lumineuse qui peut perturber leur utilisation, il est primordial de comprendre et maîtriser ce phénomène. Trois outils ont été développées : la modélisation, la métrologie et la synthèse. Un modèle électromagnétique de la diffusion a été mis au point par l’équipe CONCEPT de l’Institut Fresnel. Il prend en compte les caractéristiques structurelles de l’empilement et la rugosité de chaque interface. La métrologie repose sur le développement de SALSA (spectral and angular light scattering characterization apparatus), un diffusomètre qui opérait initialement sur des longueurs d’onde comprises entre 400 et 1000 nm. Dans le cadre de cette thèse, son fonctionnement a été étendu jusqu’à 1700 nm, tout en conservant les performances acquises sur le spectre visible. SALSA mesure jusqu’à 10−8 sr−1 en diffusion et 13 densités optiques en spéculaire, soit environ 6 ordres de grandeur de mieux que l’état de l’art. La comparaison des résultats expérimentaux avec le modèle est excellente. Enfin, le modèle électromagnétique ouvre la voie à la synthèse de composants sous contrôle des propriétés de diffusion. Aucune méthode ne permet de contrôler à la fois les réponses spéculaires et les réponses diffuses. Nous proposons une optimisation par réseaux de neurones artificiels profonds pour résoudre ce problème inverse. Les premiers résultats montrent la possibilité de réduire la diffusion d’un composant complexe d’une décade sur une gamme spectrale choisie

The development of optical interference filters for multispectral imagers has revealed new problems specific to these thin film components. The numerous physical interfaces between their inner layers generate light scattering which can alter the use of the filter. It is therefore essential to understand and control this phenomenon. Three tools have been developed for that purpose: modeling, metrology, and synthesis. An electromagnetic model has been implemented by the CONCEPT group of the Fresnel Institute. It considers the structural features of the multilayer and the roughness of each interface. The metrology relies on the development of SALSA (spectral and angular light scattering characterization apparatus), a scatterometer which operated on wavelengths between 400 and 1000 nm. As part of this thesis, the spectral range has been extended to 1700 nm with the same performances than those in the visible spectrum. SALSA measures down to 10−8 sr−1 for scattered light and up to 13 optical densities in specular, which is around 6 orders of magnitude better than the state of the art. Experimental results have been compared to the model and reach an excellent agreement. The implementation of the electromagnetic model paves the way for the synthesis of interference filters based on scattering properties. Until now, no method controls both specular and scattering spectral responses. We propose a model based on deep neural networks to solve this inverse problem. The first results show the ability to control and reduce the scattering of an interference filter of one decade on a specific spectral band