Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

diffusion lumineuse,filtres interférentiels,couches-minces,métrologie,

Keywords

light scattering,interference filters,thin-films,metrology,

Titre de thèse

lumière diffusée par les filtres interférentiels complexes : développement d'un banc de métrologie hautes performances et d'outils de synthèse par intelligence artificielle
light scattering by complex interference filters: development of a high performance metrology instrument and artificial intelligence synthesis tools

Date

Mercredi 6 Octobre 2021 à 14:00

Adresse

Institut Fresnel faculté des Sciences, campus Saint-Jérôme 13013 Marseille salle Pierre Cotton

Jury

Directeur de these Mme Myriam ZERRAD Aix Marseille Université
CoDirecteur de these M. Michel LEQUIME Centrale Marseille
Rapporteur M. Laurent LAMAIGNèRE CEA CESTA
Rapporteur M. Franck DELMOTTE Institut d'Optique graduate school
Examinateur M. Marc FERRARI Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
Examinateur Mme Catherine GRèZES-BESSET Cilas ArianeGroup
Examinateur M. Laurent PINARD Laboratoire des Matériaux Avancés
Examinateur M. Claude AMRA Insitut Fresnel - CNRS

Résumé de la thèse

Le développement des filtres interférentiels, aussi appelés filtres couches-minces, pour les caméras multispectrales qui observent la Terre depuis l’espace a mis en évidence de nouvelles problématiques propres à ces composants. Ces filtres sont complexes par leur constitution, ils possèdent plusieurs dizaines, voire centaines de couches, mais aussi par leur fonction optique. De plus, la présence de nombreuses interfaces physiques génère des phénomènes de diffusion. Or, l’apparition de lumière diffusée dans un imageur multispectral peut perturber son bon fonctionnement et entraîner de la diaphonie spectrale entre ses voies d’acquisition. Il est donc primordial de comprendre et maîtriser ce phénomène. Trois approches ont été développées à cet effet : la métrologie, la modélisation et la synthèse. La métrologie repose sur un instrument de mesure de la diffusion lumineuse appelé SALSA (Spectral and Angular Light Scattering characterization Apparatus). Ce diffusomètre permet de caractériser les propriétés des filtres interférentiels et atteint des performances inédites en termes de détection. En effet, il mesure jusqu’à 1E-8 sr-1 en diffusion et 13 densités optiques en spéculaire. La diffusion lumineuse par les couches-minces optiques est à la fois spectralement et angulairement définie : elle dépend de la longueur d’onde et de l’angle d’observation. SALSA fonctionnait initialement dans le spectre visible, entre 400 nm et 1000 nm, son fonctionnement a été entendu jusqu’à 1700 nm tout en conservant la même qualité de ses performances. La résolution spectrale de SALSA est meilleure que 1 nm, tandis que sa résolution angulaire est inférieure à 0,5°. La modélisation repose sur un modèle électromagnétique de la diffusion mis au point par l’équipe CONCEPT de l’Institut Fresnel. La détermination des propriétés diffuses est beaucoup plus complexe que le cas spéculaire en transmission et réflexion. Les résultats du modèle ont été comparés à ceux de la mesure et présentent un excellent accord. Enfin, la synthèse vise à identifier une structure de filtre interférentiel possédant des propriétés contrôlées en diffusion. La synthèse de composants couches-minces repose généralement uniquement sur leurs propriétés spéculaires mais aucune méthode à ce jour ne propose de contrôler également la réponse diffuse. Face à cette complexité et au nombre important de paramètres à ajuster, nous proposons d’utiliser une optimisation par réseaux de neurones artificiels. Les premiers résultats montrent la capacité de réduire la diffusion d’un composant complexe d’une décade sur un intervalle spectral choisi. Cette approche est un premier pas prometteur vers la mise au point d’une méthode de contrôle total des propriétés de diffusion des filtres interférentiels.

Thesis resume

The development of optical interference filters, or thin-film filters, for multispectral cameras used for Earth imaging from space has revealed new problems specific to this last generation of components. These filters are complex in terms of their composition, they are made of dozens or even hundreds of layers, but also in terms of their optical function. Due to their numerous physical interfaces, these structures can also generate light scattering. The presence of scattered light in a multispectral imager can alter its operation and generate spectral crosstalk between its acquisition channels. Therefore, it is of great necessity to understand and control this phenomenon. Three tools have been developed for that purpose: metrology, modeling, and synthesis. Metrology relies on a light scattering measurement instrument called SALSA (Spectral and Angular Light Scattering characterization Apparatus). This scatterometer performs the characterization of optical thin-films properties and reaches unprecedented levels of performance in terms of detection. It measures down to 1E-8 sr-1 for scattered light and up to 13 optical densities in specular. The light scattered by an optical interference filter is both spectrally and angularly defined: it depends on the wavelength and on the angle of observation. SALSA used to operate in the visible range, from 400 nm to 100 nm, this range has been extended to 1700 nm while keeping the same level of performance. The spectral resolution of SALSA is better than 1 nm, while its angular resolution is lower than 0.5°. Modeling relies on an electromagnetic model developed by the CONCEPT group of the Fresnel Institute. The calculation of scattering properties is far more complex than the specular case in transmission and reflection. The model and the measurement have been compared and have shown an excellent agreement. The synthesis aims to identify a structure of optical interference filter which owns controlled scattering properties. The design of thin films usually considers only specular transmission and reflection, but it can not control the scattering response. Due to the high number of parameters to tune and the complexity of the problem to solve, we propose to use an optimization process with deep neural networks. The first results have shown the ability to reduce scattered light by one decade on a chosen spectral range. This is a promising first step toward a full control of light scattering from optical interference filter.