Accueil Optipédia Les méthodes de test Fizeau

L’interféromètre de Fizeau est la transposition directe du système à deux plans présenté dans l’introduction à l’interférométrie. La réalisation d'un interféromètre de Fizeau pour la mesure des plans est tout à fait accessible à l'amateur, voir cet article de Charles Rydel.

L’interféromètre de Fizeau est constitué :

  • D’une source monochrome
  • D’un cube séparateur ou d’une lame semi réfléchissante
  • D’un collimateur capable de générer un front d’onde plan (collimaté) et d’excellente qualité
  • D’un plan de référence si l’échantillon n’est pas partiellement réfléchissant
  • De l’échantillon à mesurer

Fizeau : test d'un plan 

Le collimateur génère un front d’onde plan parfait. Ce front d’onde est partiellement réfléchi par le plan de référence qui a reçu un traitement spécifique avec un taux de réflexion contrôlé. Cette réflexion constitue le front d’onde de référence. La lumière restante est partiellement réfléchie par le plan testé. Les deux flux issus du plan de référence et de l’optique testée interférent sur le trajet commun de retour. Les deux flux sont déviés de la source par un cube séparateur et les franges d’interférence peuvent être observées à travers un oculaire, sur un écran ou capturées par une caméra pour une réduction logicielle.

Cet interféromètre peut tester toutes sortes d’optiques, il suffit d’adapter la mise en œuvre de la partie finale en fonction du type d’échantillon. Par exemple une optique convergente en transmission :

 Fizeau : test d'un objectif

Il est aussi possible de remplacer le plan de référence par une sphère de référence. Par exemple un miroir convergent :

 

 Fizeau : test d'un miroir convergent

 

L’interféromètre de Fizeau est donc polyvalent, mais au prix de l’utilisation d’optiques d’adaptation qui ne doivent pas impacter la mesure de l’échantillon. Selon les configurations, on peut donc avoir besoin de nombreux éléments de haute qualité optique :

  • - La collimation de la source
  • - Le plan ou la sphère de référence de Fizeau
  • - La sphère ou le plan d’autocollimation pour le retour de la lumière.

L’interféromètre de Fizeau est la solution de mesure interférométrique la plus utilisée dans l’industrie pour la métrologie optique. Une solution est de constituer des interféromètres montés sur des breadboards (tables optiques) à partir d'éléments discrets, ici un interféromètre de Fizeau en configuration verticale pour la mesure de petits plans :

Fizeau discret

Néanmoins plusieurs fabricants dont Zygo, Veeco, 4D proposent des interféromètres de Fizeau complètement intégrés :

Zygo

Interféromètre de Fizeau à décalage de phase Zygo GPI

Ces constructeurs intègrent des fonctions avancées comme le décalage de phase (phaseshift). Le décalage de phase permet d’améliorer la définition spatiale et la précision des interféromètres de Fizeau. Il s’agît d’un système piézo-électrique qui décale la référence d’une phase complète en plusieurs étapes. Les algorithmes les plus courants saucissonnent ainsi la phase en 5, 7, 9 ou 11 points de mesure.

L’image ci-dessous montre un décalage de phase sur cinq étapes :

Décalage de phase

A chaque acquisition de l’interférogramme, le plan de référence est décalé de λ/5, soit par exemple de 127nm dans le cas d’une source à 635nm. Le mouvement du système piézo-électrique qui introduit le déphasage doit donc être très précis.

De part la quantité et la qualité des optiques et de la mécanique mis en œuvre, ces interféromètres de Fizeau sont très coûteux.

Veeco

Intérieur d’un interféromètre Veeco

Schéma d'un interféromètre Veeco

Schéma d’un interféromètre Veeco

Avantages de l’interféromètre de Fizeau

  • Grande précision, répétabilité supérieure à λ/200. La précision dépend en pratique de la qualité de la référence
  • grande résolution spatiale. Entre 150 et 400 franges d’interférence
  • permet le contrôle des optiques asphériques dans certaines configurations
  • grande flexibilité quand à la forme des optiques testées : convexes, concaves, planes, transmission, réflexion…
  • possibilité de test d’optiques de grande taille

Inconvénients

  • Très sensible aux vibrations et aux mouvements d’air
  • temps de mesure ne permettant pas les ajustements et les alignements en temps réel
  • optiques de référence (sphère et plan) très couteuses
  • coût élevé de l’interféromètre (environ 100K€)
  • mise en œuvre longue
  • monochromatique