Imaging and thermal characterization of materials by scanning photo-thermal radiometry
Imagerie et caractérisation thermique des matériaux par radiométrie photo-thermique en balayage
Résumé
Imaging of thermal properties allows the development of new heterogeneous materials whose properties are adapted to the intended application. In modern applications, materials are often composite in both thickness and plane. Therefore, the determination of thermal properties must be adapted to the scale of observation, from micron to the component size. Small scale characterization need the appropriate metrology, different from those used at macroscopic scale. The existing contactless methods for thermal imaging (thermoreflectance and infrared thermography) have advantages and drawbacks. In view of the latest, it therefore deemed necessary to us to develop a reliable high frequency scanning technique that can be used on different surfaces.In this work, a robust technique allowing imaging and thermal characterization at the micrometric scale is developed. It is based on the principle of modulated thermal photo radiometry, implemented here in scanning mode. This choice is motivated by several reasons, namely, the objective of having an optical measurement, thus making it possible to avoid the problems linked to measurement by contact. A second objective is being able to explore characteristic times lower than those accessible by infrared thermography. In addition, the possibility of carrying out in-plane and out-of-plane characterization, and finally, the potential to transpose measurement to high-temperature characterization. Thus, the experimental development associated with the representative model of the experiment and the inversion of the measurements are used to determine the thermal properties of interest.The coupling of the thermal image obtained by scanning with a spatial step lower than the diffraction limit in the infrared with image processing techniques constitutes a major perspective of this work.
L’imagerie des propriétés thermiques permet le développement de matériaux hétérogènes nouveaux dont les propriétés sont adaptées à l’application visée. Dans les applications modernes, les matériaux sont souvent composites tant dans leur épaisseur que dans le plan. La détermination des propriétés thermiques doit donc s’adapter à l’échelle d’observation, du micron à la dimension du composant. La caractérisation aux petites échelles spatiales nécessite des métrologies adaptées, différentes de celles utilisées à l’échelle macroscopique. Les méthodes existantes d’imagerie thermique sans contact (thermoréflectométrie et thermographie dans l’IR) présentent des avantages et des inconvénients. Au regard de ces derniers, il nous a donc paru nécessaire de développer une technique de balayage à haute fréquence fiable et permettant d’être utilisée sur des surfaces très différentes.Dans ce travail, une technique robuste permettant l’imagerie et la caractérisation des propriétés thermiques à l’échelle micrométrique est donc développée. Elle est basée sur le principe de radiométrie photo thermique modulée, implantée ici en mode balayage. Ce choix est motivé par plusieurs raisons, à savoir, l’objectif de disposer d’une mesure optique, permettant ainsi d’éviter les problématiques liées à la mesure par contact. Un deuxième objectif est de pouvoir explorer des temps caractéristiques inférieurs à ceux accessibles en thermographie infrarouge. Il est aussi possible de réaliser la caractérisation dans et hors plan. Enfin, cette approche permet d’envisager la caractérisation à haute température. Ainsi, le développement expérimental associé au modèle représentatif de l’expérience et l’inversion des mesures sont utilisés pour déterminer les propriétés thermiques d’intérêt.Le couplage de l’image thermique obtenue par balayage avec un pas spatial inférieur à la limite de diffraction dans l’infrarouge avec les techniques de traitement de l’image constitue une perspective majeure de ce travail.
Origine : Version validée par le jury (STAR)