Brevet FR2716009A1 — publié le 19950811

PROCEDE DE REALISATION D'UN FILTRE OPTIQW A REJECTION DE BANDES DANS L' INFRAROUGE ET FILTRE OPTIOW OBTENU PAR CE PROCEDE L'invention concerne un procédé de réalisation d'un filtre optique à réjection de bandes dans l'infrarouge, ainsi que le filtre obtenu par exécution de ce procédé. I1 est connu de détecter la présence d'un gaz particulier dans un mélange de gaz en utilisant des capteurs à absorption infrarouge, dans lesquels on compare l'absorption du mélange de gaz à celle d'une cellule remplie du gaz à détecter, cette cellule jouant le rôle d'un filtre optique et permettant l'obtention d'un signal qui est indépendant de la présence ou de l'absence du gaz recherché et de sa concentration. Cette technique connue donne de bons résultats, mais impose d'utiliser des cellules remplies des gaz à détecter, ce qui peut causer des problèmes de fiabilité ou de sécurité (dans le cas des gaz toxiques) liés aux pertes d'étanchéité ou aux bris des fenêtres optiques qui équipent ces cellules. I1 est également connu, par le Brevet Européen 0 544 962 de la Demanderesse, de détecter à distance la présence d'un gaz particulier dans une zone d'espace au moyen d'une caméra ou d'un imageur thermique associé à un filtre optique ayant une bande de transmission complémentaire d'au moins certaines raies d'absorption caractéristiques du gaz à détecter de sorte que le flux lumineux qui est transmis par ce filtre est indépendant de la présence ou de l'absence et de la concentration du gaz recherché dans la zone d'espace observée. Ce procédé permet de déterminer quantitativement de faibles concentrations de gaz dans l'atmosphère en utilisant l'émission infrarouge de l'arrière-plan de la zone observée comme source de lumière et présente l'avantage de ne pas nécessiter l'établissement préalable d'un trajet optique de mesure. Le filtre optique utilisé dans cette technique doit présenter dans l'infrarouge une bande passante complémentaire des raies d'absorption caractéristiques du gaz et peut être réalisé par superposition de plusieurs filtres passe-haut et passe-bas au détriment cependant de la sensibilité de mesure du procédé. En raison de la complexité et de la finesse de structure des spectres de raies caractéristiques de la plupart des gaz, il n'est pas possible d'utiliser un filtre optique interférentiel d'un type classique dans ce procédé car ce filtre ne comprendrait qu'une bande passante ou atténuée et amènerait donc à ne considérer qu'une raie caractéristique du gaz recherché, ce qui rendrait le procédé sensible aux interférences. On a déjà proposé de réaliser par holographie des filtres optiques présentant une ou plusieurs raies de réjection dans le spectre visible. On obtient ces filtres par diffraction d'un flux lumineux et impression d'une gélatine photosensible. Cependant, ces gélatines ne sont pas transparentes au rayonnement infrarouge et cette technique ne peut donc être utilisée pour la réalisation de filtres à réjection de raies dans l'infrarouge moyen, c'est-à-dire dans la bande 3-12 Am environ qui contient les raies d'absorption caractéristiques de très nombreux gaz. L'invention a précisément pour but de résoudre ce problème de façon simple, efficace et relativement peu coûteuse. Elle a pour objet un procédé de réalisation d'un filtre optique à réjection de bandes dans l'infrarouge, et un filtre optique obtenu par exécution de ce procédé, qui soit utilisable notamment pour la détection d'un gaz ou d'un mélange de gaz dans une zone d'espace observée. Elle propose à cet effet un procédé de réalisation d'un filtre optique à réjection de bandes dans l'infrarouge utilisable en particulier pour la détection à distance d'un gaz présent dans un volume d'espace observé, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste - à définir une fonction de transmission spectrale complémentaire d'au moins certaines raies d'absorption caractéristiques du gaz à détecter, - à appliquer à cette fonction une transformation de Fourier pour obtenir une fonction A(x,y,z) de transmission en phase et en amplitude d'un composant optique en matériau transparent au rayonnement infrarouge, - et à générer sur des volumes élémentaires de ce composant des valeurs discrètes de déphasage et/ou d'atténuation correspondant à la fonction de transmission A(x,y,z) précitée par gravure et/ou dépôt de matière sur le composant. Le procédé selon l'invention permet donc de fabriquer des filtres optiques ayant des bandes ou des raies de réjection dans l'infrarouge qui correspondent exactement aux raies d'absorption des gaz à détecter. Avantageusement, la fonction de transmission en phase et en amplitude du composant optique peut être calculée par ordinateur, et ce composant en matériau transparent au rayonnement infrarouge peut être un semiconducteur tel que le germanium ou le séléniure de zinc par exemple, ce qui permet d'utiliser les techniques classiques de photomasquage et de photogravure développées en micro-électronique pour générer sur ce composant des valeurs discrètes de déphasage ou d'atténuation correspondant à la fonction de transmission calculée par ordinateur. Selon une autre caractéristique de l'invention, ce procédé consiste à générer sur le composant optique uniquement des valeurs discrètes de déphasage, par variation d'épaisseur. On a en effet constaté qu'une modulation de la phase du flux lumineux donnait les mêmes résultats qu'une modulation d'amplitude et présentait l'avantage sur celle-ci de transmettre la totalité du flux lumineux, sans absorber ou réfléchir la lumière incidente. Selon encore une autre caractéristique du procédé selon l'invention, on utilise une fonction de transmission en phase et en amplitude qui est une fonction de x et z uniquement, x étant une dimension de la surface du composant optique recevant le flux lumineux, z étant une dimension perpendiculaire à cette surface. On simplifie ainsi le calcul et la réalisation du filtre. L'invention propose également un filtre optique, en particulier pour la détection à distance d'un gaz présent dans un volume d'espace observé, ce filtre étant caractérisé en ce qu'il est obtenu par exécution du procédé décrit dans ce qui précède et en ce qu'il présente dans l'infrarouge une bande passante à raies de réjection correspondant à au moins certaines raies d'absorption caractéristiques du gaz à détecter. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaitront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente schématiquement le spectre d'absorption d'un gaz; la figure 2 représente schématiquement la bande passante d'un filtre selon l'invention pour la détection du gaz ayant le spectre d'absorption représenté en figure 1; la figure 3 est un organigramme des principales étapes du procédé selon l'invention; la figure 4 est une vue schématique d'un filtre réalisé par déposition de couches successives; la figure 5 est une vue schématique en coupe d'un filtre réalisé par gravure. On se réfère d'abord à la figure 1, qui représente schématiquement le spectre d'absorption caractéristique d'un gaz ou une partie de ce spectre, qui comprend un certain nombre de raies d'absorption 10 dont les amplitudes sont fonction de la concentration du gaz et dont les largeurs sont par exemple de l'ordre de quelques dizièmes de nm ou de quelques nm, ces raies d'absorption étant en général comprises dans l'infrarouge moyen, c'est-à-dire dans la bande de longueurs d'onde de 3 à 12 pin environ. Le filtre selon l'invention, destiné à la détection à distance de ce gaz, a une bande de transmission ou bande passante 12 représentée en figure 2 comportant des bandes ou raies de réjection 14 correspondant exactement aux raies d'absorption 10 du gaz à détecter. Le flux lumineux transmis par un filtre présentant la bande de transmission représentée en figure 2, ne peut donc qu'être insensible à la présence ou à l'absence et à la concentration du gaz dont le spectre d'absorption est représenté en figure 1. Les représentations des figures 1 et 2 sont schématiques et simplifiées. Dans la réalité, les spectres d'absorption des gaz sont beaucoup plus fins et complexes que celui de la figure 1 et les filtres selon l'invention ont des bandes passantes avec des raies de réjection beaucoup plus fines et plus nombreuses qu'en figure 2. Les principales étapes de fabrication d'un filtre selon l'invention sont représentées schématiquement en figure 3. La première étape 16 de ce procédé consiste à définir la fonction de transmission spectrale du filtre à réaliser, cette transmission spectrale étant celle schématisée en figure 2 et se déduisant par seuillage du spectre d'absorption du gaz représenté en figure 1. Ce spectre d'absorption peut être calculé dans le cas des gaz ayant une formule moléculaire simple. En ce qui concerne les gaz de formule moléculaire complexe, il est toujours possible d'en déterminer expérimentalement les spectres d'absorption et d'en déduire ensuite les transmissions spectrales à donner aux filtres correspondants. L'étape suivante 18 du procédé selon l'invention consiste à calculer une fonction mathématique A(x,y,z) définissant la transmission en phase et en amplitude du filtre à réaliser, cette fonction A pouvant être obtenue par une transformation de Fourier de la transmission spectrale définie à l'étape 16 et pouvant être calculée par ordinateur. Lorsque cette fonction A est calculée, on peut générer des valeurs discrètes correspondantes de déphasage et/ou d'atténuation sur des volumes élémentaires d'un composant optique transparent au rayonnement infrarouge dans la bande de longueurs d'onde considérée, ce composant optique étant par exemple en germanium ou en un composé des groupes II et VI de la classification de Mendeleiev et par exemple en ZnS ou ZnSe. Les déphasages sont obtenus par variation d'épaisseur du composant optique et les atténuations par dépôt d'un couche mince réfléchissante ou absorbante sur la surface du composant optique. Les valeurs discrètes de déphasage ou d'atténuation intéressent des volumes élémentaires du composant, ces volumes élémentaires ayant des dimensions faibles par rapport aux longueurs d'onde considérées et étant de l'ordre du Rm3 ou moins. Dans l'application envisagée de détection à distance d'un gaz dans un volume d'espace observé, il est plus avantageux de graver des déphasages dans le composant optique que de réaliser des atténuations, afin de conserver un maximum de flux lumineux. Ces déphasages peuvent être réalisés par dépôt sur le composant optique de couches minces de matière transparente au rayonnement infrarouge (par exemple ThF4, CaF2, Cdiamant, ZnS ou 2bye) et gravure des couches déposées. On peut en particulier déposer sur la surface du composant une couche mince de matière transparente précitée ayant une épaisseur correspondant à un déphasage égal à It pour la longueur d'onde centrale du spectre considéré, et utiliser un masque pour graver les zones où l'on veut un déphasage égal à z. Ensuite on dépose une nouvelle couche de matière transparente précitée ayant une épaisseur deux fois plus faible correspondant à un déphasage égal à K/2 et on utilise un autre masque pour graver cette deuxième couche déposée et obtenir ainsi des zones avec des déphasages de 3in/2, de x et de in/2, respectivement. Le composant optique ainsi obtenu est par exemple du type représenté en figure 4, où la référence 22 désigne un substrat de matière transparente au rayonnement infrarouge (par exemple de Ge ou d'un composé des groupes II et VI de la classification de Mendeleiev tel que ZnS ou ZnSe), et les références 24 désignent les diverses couches gravées de matière déposée transparente au rayonnement infrarouge, chaque couche correspondant à un déphasage de in/2" où n est un nombre pair inférieur ou égal à 4. Lorsque le nombre de couches 24 atteint 4, la qualité du composant optique discrétisé ainsi obtenu est la même que celle d'un composant optique non discrétisé. En pratique, on limitera donc le nombre de couches 24 et donc de masques à une valeur inférieure ou égale à 4. On a également représenté sur la figure 4 les axes x et z, l'axe z correspondant à la direction de superposition des couches 24 déposées sur le substrat 22. Le composant optique de la figure 4 est du type à zones parallèles, perpendiculairement à l'axe x, sa transmission en phase étant fonction de x seulement, la coordonnée y n'étant pas prise en compte, et la fonction A étant obtenue par une transformation de Fourier à une dimension de la transmission spectrale du filtre à réaliser. La prise en compte de la coordonnée y permet de réaliser des composants optiques plus complexes intégrant la fonction filtre avec d'autres fonctions optiques (de focalisation par exemple) comme dans le composant 26 représenté en figure 5, dont les pas de déphasage 28 peuvent aussi être gravés directement dans la matière en utilisant des masques et des techniques de gravure. Dans tous les cas, un déphasage AQ est obtenu par gravure sur une épaisseur égale à nkN/2x, n étant l'indice de réfraction du matériau gravé et X la longueur d'onde à rejeter. Si l'on souhaite réaliser la fonction de transmission spectrale du filtre par atténuation de certaines longueurs d'onde, les valeurs discrètes d'atténuation fournies par la fonction A précitée sont générées sur la surface du composant optique par dépôt d'une couche de matière absorbante ou réfléchissante (par exemple de Si ou de métal). Il suffit alors d'un seul masque pour réaliser le filtre, au détriment cependant de la transmission du flux lumineux. De façon générale, on peut superposer sur un même composant optique des fonctions de transmission en phase et en amplitude correspondant à des gaz différents. Le filtre ainsi obtenu peut être utilisé pour détecter la présence d'un ou de plusieurs de ces gaz dans une zone d' espace observée. RBVENDICATIOWS 1. Procédé de réalisation d'un filtre optique à réjection de bandes dans l'infrarouge, utilisable en particulier pour la détection à distance d'un gaz présent dans un volume d'espace observé, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste - à définir une fonction (12) de transmission spectrale complémentaire d'au moins certaines raies d'absorption (10) caractéristiques du gaz à détecter: - à appliquer à cette fonction une transformation de Fourier pour obtenir une fonction A(x,y,z) de transmission en phase et en amplitude d'un composant optique réalisé en matériau transparent au rayonnement infrarouge, - et à générer sur des volumes élémentaires de ce composant des valeurs discrètes de déphasage et/ou d'atténuation correspondant à la fonction de transmission A(x,y,z) précitée par gravure et/ou dépôt de matière sur le composant. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les volumes élémentaires précités du composant ont des dimensions faibles par rapport aux longueurs d'onde destinées à être rejetées par le filtre et sont par exemple de l'ordre du Rm3 ou moins. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite fonction A de transmission en phase et en amplitude est calculée par ordinateur. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une fonction A de transmission en phase et en amplitude qui est une fonction de x uniquement, x étant une dimension de la surface du composant optique recevant le flux lumineux. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à générer uniquement des valeurs discrètes de déphasage, par variation d'épaisseur du composant. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il consiste à générer un déphasage tt par gravure sur une épaisseur égale à n/2x, n étant l'indice de réfraction du matériau gravé et x la longueur d'onde à rejeter. 7. Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le nombre de niveaux en z formés dans le composant est inférieur ou égal à 16. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il consiste à générer des valeurs discrètes d'atténuation par dépôt d'une matière absorbante ou réfléchissante sur le composant. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à superposer sur le même composant optique des fonctions de transmission en phase et en amplitude correspondant à au moins deux gaz différents à détecter. 10. Filtre optique à réjection de bandes dans l'infrarouge, en particulier pour la détection à distance d'un gaz présent dans un volume d'espace observé, caractérisé en ce qu'il est obtenu par exécution du procédé décrit dans l'une des revendications précédentes et en ce qu'il présente une bande de transmission (12) à raies de réjection (14) correspondant à au moins certaines raies d'absorption (10) du gaz à détecter.