Pour assurer la fonction de sélection spectrale au sein d'imageurs embarqués sur satellites défilants, les filtres allumettes apparaissent comme une solution particulièrement efficace, mais dont la fabrication reste délicate. L'objectif de cette thèse a alors été d'explorer de nouvelles voies technologiques pour la réalisation de ces composants optiques microstructurés. Une étude théorique de procédés d'assemblage, ainsi que de leur impact sur la structure et la fabrication de filtres allumettes, a mis en avant les nombreux intérêts qu'offre une solution basée sur l'assemblage. Cette approche a été validée expérimentalement, à la fois sur les plans optique et mécanique, par la réalisation de composants prototypes dont la caractérisation spectrale, du fait de la géométrie particulière de ces filtres, a nécessité le développement d'un outil de métrologie dédié. Une seconde approche, plus novatrice, a également été étudiée, reposant sur le principe du transfert d'empilements multicouches. Les tests réalisés pour la validation des étapes élémentaires de ce procédé, montrent des perspectives intéressantes.

Les performances des filtres interférentiels répondent aujourd'hui à des spécifications de plus en plus exigeantes et permettent de repousser les limites physiques des instruments optiques dans lesquels ils sont intégrés. Au cours du processus de fabrication d'un filtre, il est évidemment primordial de maîtriser avec une très grande précision (typiquement sub-nanométrique) l'épaisseur optique des couches déposées. Ceci nécessite le recours à une mesure in situ des caractéristiques optiques de l’empilement tout au long de son dépôt.Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons développé un nouveau système de contrôle optique qui rend possible la mesure simultanée de la transmission d’un empilement, d’une part à une seule longueur d’onde, définie par l’utilisateur dans le domaine spectral compris entre 350 et 1000 nm (contrôle monochromatique présentant une résolution de 0,35 nm), et d’autre part sur l’ensemble de ce domaine spectral (contrôle large bande présentant une résolution de 3 nm). Ces deux mesures sont réalisées en 6 millisecondes à une cadence de 2 Hz (fréquence de rotation du porte-substrat), et ce, de manière parfaitement synchrone. En outre, grâce à la mise en place, dans le plateau porte-substrat, d’une voie de référence correspondant à une absence d’échantillon, ce dispositif de contrôle présente une très grande stabilité et une justesse meilleure que le pour mille. Enfin, une méthode numérique a été développée pour rendre possible une comparaison fiable des résultats fournis par les deux voies de mesure malgré la différence de leur résolution spectrale.Ce dispositif ouvre la voie à l’utilisation de plusieurs critères indépendants pour définir en temps réel l’instant précis où le dépôt d’une couche doit être arrêté (annulation de la dérivée de la transmission à une longueur d’onde, comparaison de cette transmission monochromatique à un niveau pré-défini, minimisation d’une fonction de mérite quantifiant l’écart entre le spectre mesuré et un spectre de référence défini par le calcul, respect d’une durée de dépôt utilisant une mesure optique in situ de la vitesse de dépôt). Il s’agit donc bien d’un contrôle multi-critère tout optique.La première application des potentialités de ce nouveau système a concerné la détermination des constantes optiques (indice de réfraction, coefficient d’extinction) d’un matériau diélectrique de haut indice, le pentoxyde de tantale. La méthode utilisée met en œuvre un enregistrement de l’évolution de la transmission spectrale de l’échantillon tout au long de la croissance de la couche (voie large bande) et un traitement, longueur d’onde par longueur d’onde, du profil temporel de cette évolution. Cette nouvelle méthode ne nécessite donc pas le choix a priori d’une loi de dépendance spectrale pour chacune de ces deux constantes optiques. Elle ouvre également la voie à une analyse de l’évolution de l’indice de réfraction d’une couche en fonction de l’épaisseur qui lui est assignée. Enfin, elle est transposable à des matériaux bas indice, comme, par exemple, la silice / The performances of complex interference filters meets today to exigent specifications and permit to enhance the physical limits of optical instruments in which they are integrated. During the manufacturing of a filter, it is obviously important to monitor with very high accuracy (typically sub-nanometric) the thickness of the deposited layers. This requires the use of an in situ measurement of the optical characteristics of the multilayer during the process.In the framework of this thesis, we have developed a new optical monitoring system which makes possible to achieve the simultaneous measurement of the transmittance of a multilayer filter, on one hand at a single wavelength defined by the user in the spectral range between 350 nm and 1000 nm (monochromatic monitoring with a resolution of 0.35 mm), and on the other hand on this whole spectral range at single shot (broadband monitoring with a resolution of 3 nm). These two measurements are made in 6 milliseconds at a rate of 2 Hz (corresponding to the rotation speed of the substrate holder), and are perfectly synchronized. In addition, the substrate holder tray is designed with a reference channel corresponding to a void position (without sample). Thanks to that configuration the monitoring system has a very high stability and accuracy better than 0.001. Finally, a numerical method has been developed to enable the comparison of the results provided by the two acquisition channels (monochromatic and broadband) taking into account the difference of their spectral resolution.This system opens the way for the use of several independent criteria to determine in real time the exact moment when the deposition of a layer must be stopped (turning point monitoring, trigger point monitoring, broadband monitoring, achievement with time monitoring using an optical in situ determination of the deposition rate). So this is indeed an all optical multi-criteria monitoring systems.This first application of this system has involved the determination of the optical constants (refractive index and extinction coefficient) of a high index dielectric material: the tantalum pentoxide. The method used is based on a recording of the evolution of the transmitted spectrum of a witness sample during the growth of the layer (broadband channel) and a processing, wavelength by wavelength, of the timing data profile of that evolution. This new method does not require any descriptive spectral dependence law for each of the two optical constants. It also paves the way for an analysis of the behavior of the refractive index of a layer in function of the thickness. Finally, it is applicable to low index materials, such as, for example, silica.

Le comportement d'un empilement multicouche interférentiel soumis à une sollicitation extérieure, de type thermique ou mécanique, est devenu un point critique, au regard des exigences de stabilité de plus en plus sévères exprimées aujourd'hui sur les performances des empilements. Afin de prédire de manière rigoureuse et précise l'évolution de ces performances optiques sous sollicitation, quelle que soit la formule de l'empilement, il est nécessaire de connaître les variations de l'indice de réfraction n et de l'épaisseur e de chaque couche, de chaque matériau, de l'empilement. Cela implique la connaissance des paramètres permettant de décrire ces variations, à savoir le coefficient d'expansion thermique a, le coefficient de Poisson n, le coefficient de dépendance de l'indice de réfraction avec la température b, et enfin les coefficients élasto-optiques p11 et p12. Cependant, si l'effet global d'une sollicitation est mesurable sur un empilement complet, ces coefficients sont quasi inconnus au niveau d'une couche mince individuelle tant le même effet devient faible sur une couche de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur. Pour mesurer ces paramètres à ce niveau élémentaire, nous présentons une méthode optique basée sur l'utilisation d'un interféromètre de Fabry-Perot comportant une couche du matériau à caractériser, soumis à un échelon de température. L'étude se scinde selon deux axes. Le premier, purement optique, s'intéresse particulièrement au principe de la mesure et à la stabilité de la méthode face aux erreurs et aux bruits de mesures. Le second, purement mécanique, montre comment s'affranchir des inévitables déformations mécaniques des lames de l'interféromètre soumis à la sollicitation thermique, ce qui est indispensable pour parvenir à la mesure des coefficients recherchés. La réunion de ces deux axes a permis de finaliser la méthode de mesure et de concevoir puis réaliser un banc expérimental ayant une résolution en longueur d'onde inférieure au picomètre, dédié à l'extraction de ces paramètres avec la précision requise. Nous en présentons les premiers résultats expérimentaux dédiés à montrer la faisabilité de la mesure.

De nombreux efforts fournis sur l’avancement de la technologie de dépôt afin de répondre au besoin des utilisateurs des filtres interférentiels ont donné la naissance à la nouvelle génération des composants optiques. Les progrès techniques permettent de fabriquer les filtres avec la structure particulièrement complexe et atteindre les performances spectrales remarquables, mais aussi soulèvent de nouveaux problèmes au niveau de la diffusion. Les indicatrices de diffusion de ces filtres présentent les variations extrêmement rapides en fonction de l’angle de reprise et de la longueur d’onde, ce qui amoindrit sérieusement les performances des composants. Il est donc d’essentiel d’être capable de caractériser la diffusion lumineuse angulairement et spectralement résolue. L’objectif de cette thèse a alors été de développer l’outil expérimental, déduit pour la métrologie fine de la réponse spectrale et de la diffusion lumineuse. Le travail réalisé a donné naissance au banc SALSA (pour Spectral and Angular Light Scattering characterization Apparatus), un nouveau diffusomètre spectralement et angulairement résolu. Grâce au banc SALSA nous pouvons effectuer les mesures de diffusion sur large gamme spectrale [400 nm -1000 nm] avec la dynamique de 8 décades et la précision meilleure que 1%. Par ailleurs, le banc peut être utilisé pour la mesure de la transmission avec la dynamique de 12 décades, ce qui est performance unique sur l’échèle mondiale. / Due to market demand and technical progresses, a new generation of optical components requires much more sophisticated structures with a great number of layers. These complex structures enable to achieve severe optical performances but, at the same time, enhance light scattering processes. For these reasons, it is essential to develop a metrological tool which provides an accurate quantification of the spectral and angular behavior of scattering losses, with sufficient angular and spectral resolution. In order to face this issue, new investigations were performed during this PhD thesis and led to the development of the new scatterometer SALSA (Spectral and Angular Light Scattering characterization Apparatus). The use of both a broad-band source and a tunable filter allows to accurately select the illumination wavelength and the spectral bandwidth on the whole spectral range of CCD detectivity. Set-up SALSA allows us to perform the measurements of scattering losses on a wide spectral range (400-1000 nm), with high dynamics (>8 decades), high accuracy and low detectivity (a few 10-8 sr-1). Moreover, with set-up SALSA we are able to measure the transmission of interferential filters on the same spectral range, with high accuracy (1%) and a high dynamic (>10 decades, which is a unique performance).

L'utilisation de filtre mosaïque hyperspectral semble être la solution idéale pour alléger les imageurs spectraux utilisés lors des missions spatiales. Les contraintes liées à ce type d'utilisation imposent l'emploi de filtres interférentiels multicouches. Ces travaux ont pour but de trouver des solutions pour réaliser un filtre mosaïque hyperspectral avec des filtres interférentiels et non avec les résines colorées traditionnellement utilisées. Pour ce faire une étude théorique sur la simplification des designs des empilements interférentiels a été effectuée. Il en ressort que les empilements restent épais, ce qui complique leur structuration. Plusieurs méthodes de structurations ont été étudiées. En particulier le lift-off qui est la technique actuellement utilisé aujourd'hui et le lift-up. Cette dernière présente l'avantage de ne pas mettre en série le risque technologique associé à chaque réalisation de filtre. Un trade-off entre ces deux techniques a été fait ainsi que des réalisations expérimentales. Celles-ci ont ensuite été caractérisées par un banc de mesure développé dans ce but qui a permis de valider expérimentalement la technique utilisée. / Hyperspectral mosaic filter appears to be the perfect solution to lighten the spectral imagers used in space missions. Such applications require the use of multilayer interference filters. This work aims to find solutions to achieve hyperspectral mosaic filter with interference filters rather than the conventionally used coloured resins. In order to achieve this, a theoretical study on the simplification of multilayer designs was performed. It appears that the stacks are thicker, which makes them difficult to pattern. Several methods of patterning were studied, especially the lift-off technique which is traditionally used and the lift-up. The latter has the advantage to avoid adding the technological risk associated with each filter production. A trade-off between these two techniques was done as well as experimental productions. These were then characterized by a bench developed for this purpose which has experimentally validate the technique used.