Brevet FR2765971A1 — publié le 19990115

La présente invention concerne un filtre optique qui présente une bande passante spectrale continûment variable spatialement, ainsi que le dispositif de fabrication d'un tel filtre. Elle a des applications par exemple dans le domaine de l'analyse spectrale rapide d'images, dans des appareils au sol ou embarqués dans des aéronefs ou des satellites d'observation. On connaît déjà des systèmes de spectro-imagerie qui permettent d'effectuer l'analyse spectrale rapide de la même image dans quelques domaines limités de bandes spectrales. A titre d'exemple, certaines caméras multispectrales utilisent un éclateur spectral comportant une ou plusieurs lames dichroïques chargées de séparer un même faisceau optique en plusieurs faisceaux spectralement disjoints, chacun de ces faisceaux étant muni d'un capteur d'images spécifique. D'autres systèmes utilisent plusieurs objectifs et plusieurs capteurs électro-optiques (par exemple de type Matrices CCD ), chacun des ensembles de prise de vue étant muni de filtres optiques à bandes passantes disjointes. Ces types de dispositifs présentent plusieurs inconvénients: ils sont encombrants, coûteux, et nécessitent des ajustements précis afin d'assurer une bonne correspondance spatiale entre des images identiques mais saisies avec des spectres optiques différents; d'autre part, le nombre de canaux spectraux est limité par la complexité de l'instrument. Un autre type de dispositif d'analyse spectrale des images consiste à implanter au foyer d'un instrument de prise de vue un capteur matriciel de détecteurs, par exemple de type CCD, en ayant interposé devant ce capteur un filtre optique spectral rectangulaire continûment variable, tel que suivant l'un des axes de ce rectangle la bande passante spectrale du filtre soit fixe, alors que cette bande passante est continûment variable suivant l'autre axe du rectangle. L'on fait en sorte que l'objet à analyser se déplace continûment devant la caméra spectrale ainsi formée; L'image de chaque ligne du paysage se déplace ainsi continûment sur le détecteur, en traversant successivement chacune des zones spectrales du filtre optique. L'on peut ainsi analyser successivement une image complète dans une zone spectrale étendue. Habituellement ce type de filtre optique, dont la longueur d'onde centrale de la bande passante est continûment variable suivant une direction, est réalisé à l'aide d'un empilement de couches interférentielles à épaisseur continûment variable sous forme d'un filtre interférentiel passe bande dont toutes les caractéristiques varient continûment suivant l'un des axes du filtre (épaisseur des couches, longueur d'onde de centrage et largeur spectrale). Malheureusement, si la variation continue de la longueur d'onde de centrage du filtre correspond à l'effet recherché, la variation continue de la largeur spectrale du filtre constitue un effet parasite; pour de nombreuses applications, il est préférable de disposer d'un filtre variable en longueur d'onde possédant une largeur spectrale constante, afin de pouvoir disposer d'un instrument ayant des propriétés spectrophotométriques facilement interprétables. En conséquence, les dispositifs utilisant un filtre interférentiel continûment variable classique sont intéressants par leur compacité et leurs capacités à fournir une analyse spectrale fine; ils présentent cependant l'inconvénient d'être difficilement utilisables par suite de la variation de leur sensibilité en fonction du domaine spectral, due à la variation de la largeur de leur bande spectrale. La présente invention vise à remédier à cet inconvénient, en permettant de réaliser un filtre optique dont les propriétés de transmission spectrale sont continûment variables suivant au moins une dimension de l'espace, mais en étant capable de contrôler indépendamment la longueur d'onde de centrage et la largeur de la bande passante. L'invention a notamment pour objectif de réaliser un filtre dans lequel la largeur de la bande passante reste constante. L'invention vise de plus un procédé de fabrication d'un tel filtre optique, fiable et simple à mettre en oeuvre. A cet effet, I'invention a pour objet un filtre optique en longueur d'onde de type passe-bande avec un front bas et un front haut autour d'une longueur d'onde de centrage, tel que cette longueur d'onde de centrage varie continûment suivant au moins l'une des dimensions du filtre optique. Selon l'invention, ce filtre optique comporte deux filtres interférentiels, superposés, ayant chacun une bande passante, la bande passante de l'un d'eux formant le front bas du filtre optique et la bande passante de l'autre formant le front haut du filtre optique. Le filtre optique selon l'invention résout les problèmes précédents, dans la mesure où les deux filtres interférentiels peuvent être choisis de manière à contrôler indépendamment l'évolution des deux fronts qui définissent le filtre passe bande, dont en particulier sa bande passante. La dimension suivant laquelle la longueur d'onde de centrage varie continûment peut consister en une direction ou en une courbe. Préférentiellement, les filtres interférentiels sont continûment variables dans la ou les dimensions pour lesquelles la longueur d'onde de centrage du filtre optique varie continûment. Dans une forme de réalisation préférée du filtre optique, sa bande passante a une largeur spectrale approximativement constante en tout point du filtre optique. Différents types de filtres interférentiels continûment variables peuvent être associés, choisis parmi les filtres interférentiels classiques (c'est-à-dire les filtres passe haut qui laissent passer les longueurs d'onde élevées et sont opaques pour les autres longueurs d'ondes, les filtres passe bas qui sont opaques aux longueurs d'ondes élevées et transparents pour les autres longueurs d'ondes, ou les filtres passe-bande qui ne laissent passer qu'une zone spectrale étroite). Selon un premier type d'architecture optique, les deux filtres sont respectivement un filtre passe bas et un filtre passe haut . Dans un deuxième type d'architecture optique, les deux filtres interférentiels sont respectivement un filtre passe bande et un filtre passe bas (ou bien un filtre passe haut ). Le filtre optique suivant l'invention comprend avantageusement au moins un filtre de blocage, et préférentiellement deux filtres de blocage, éliminant au moins une des remontées des bandes passantes des filtres interférentiels. On élimine ainsi les effets des différents ordres des filtres interférentiels principaux qui font partie du dispositif. Avantageusement, au moins un des filtres de blocage est un filtre interférentiel ayant une bande passante présentant au moins un front, ces fronts étant continûment variables suivant les dimensions de variation continue de la longueur d'onde de centrage du filtre optique. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un filtre optique en longueur d'onde selon l'invention et un filtre optique ainsi obtenu. Pratiquement, la superposition des deux filtres interférentiels peut être réalisée suivant quatre modes distincts: - Deux filtres interférentiels (par exemple un filtre passe haut et un filtre passe bas ) sont réalisés sur deux substrats différents, puis assemblés afin de réaliser le filtre optique passe bande final. Ce mode de réalisation permet d'optimiser le processus de fabrication du filtre global, et d'ajuster la largeur de bande du filtre final en agissant sur le positionnement respectif des deux filtres avant assemblage. II présente cependant la limitation de ne pas permettre de positionner les couches interférentielles dans la proximité immédiate du détecteur matriciel, par suite de l'épaisseur des substrats des filtres interférentiels, à moins que l'un des substrats ait une épaisseur très faible. - Les deux filtres interférentiels sont réalisés successivement sur un même substrat, un des deux filtres interférentiels étant directement déposé sur l'autre filtre interférentiel. Ce mode de réalisation est plus délicat à mettre en oeuvre par suite de la difficulté de positionnement relatif des deux filtres et du nombre total de couches à réaliser, mais il permet de positionner les couches interférentielles du filtre final directement au contact du détecteur matriciel. - Les deux filtres interférentiels sont réalisés sur deux substrats différents, puis l'un des deux filtres interférentiels est transféré sur l'autre filtre interférentiel muni de son substrat. Ainsi, I'ensemble des couches minces déposé sur l'un des deux substrats est transféré. Ce type de réalisation permet de cumuler les avantages des deux solutions précédentes (réalisation séparée des deux types de filtres, mais possibilité de positionner les couches interférentielles à proximité immédiate du détecteur). - Les deux filtres interférentiels sont réalisés sur deux substrats différents d'épaisseur suffisante, puis assemblés, par exemple par collage. On vient ensuite usiner l'un des deux substrats pour lui donner une épaisseur très faible. On peut ainsi positionner le filtre à proximité immédiate du détecteur. La fabrication d'un filtre optique selon l'invention met préférentiellement en oeuvre la technique suivante. On utilise un dépôt sous vide de couches minces sur un support, avec masquage du support du filtre à l'aide d'un cache, le mouvement de ce cache étant sensiblement rectiligne alternatif. Dans un premier mode préféré de mise en oeuvre, le cache a une forme qui s'approche d'un triangle-rectangle, le mouvement de ce cache étant sensiblement rectiligne alternatif et uniforme. Dans un second mode préféré de mise en oeuvre, le cache a une forme qui s'approche d'un rectangle, le mouvement de ce cache étant sensiblement rectiligne alternatif, avec une loi de vitesse programmée. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation du filtre optique et de mise en oeuvre du procédé de fabrication d'un filtre optique suivant l'invention. Ces exemples sont donnés à titre indicatif et nullement limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: La Figure 1 représente une première disposition particulière de l'architecture globale d'un filtre optique selon l'invention, avec un détecteur CCD matriciel associé. La Figure 2 schématise la variation spectrale d'un filtre passebas constituant l'un des deux filtres interférentiels du filtre optique global suivant l'invention. La Figure 3 montre un exemple de transmission spectrale d'un filtre global selon un mode particulier de réalisation de l'invention utilisant une combinaison de filtres passe-bas et passe-haut, cette transmission spectrale étant mesurée à un endroit particulier du filtre. La Figure 4 schématise la variation spatiale de la transmission spectrale d'un filtre global suivant l'invention, obtenu avec une combinaison suivant la Figure 3. La Figure 5 montre un exemple de transmission spectrale globale d'un filtre global selon un mode particulier de réalisation de l'invention utilisant une combinaison de filtres passe-bas et passebande, cette transmission spectrale étant mesurée à un endroit particulier du filtre. La Figure 6 représente une seconde disposition de l'architecture globale d'un filtre optique selon l'invention, avec un détecteur CCD matriciel associé. La Figure 7 schématise un premier mode de mise en oeuvre d'un procédé de dépôt de couches minces sur une lame, utilisé dans le filtre optique de la Figure 1 ou de la Figure 6. La Figure 8 schématise un second mode de mise en oeuvre d'un procédé de dépôt de couches minces sur une lame, utilisé dans le filtre optique de la Figure 1 ou de la Figure 6. Un filtre optique 1 selon l'invention se présente comme l'association de deux filtres en coin variables 5 et 6 dont la transmission spectrale, rapportée à un axe 24, varie suivant un axe 21, cet axe 21 étant parallèle à l'un des axes d'un capteur CCD 25. Dans un premier mode de réalisation suivant la Figure 1, chacun des filtres variables 5, 6 comporte respectivement un substrat 12, 15 sur lequel est disposé d'un premier côté un empilement variable 11, 14 de couches et de l'autre côté un filtre de blocage 13, 16. Les empilements 11, 14 ont une épaisseur variable selon l'axe 21 et une épaisseur constante selon un autre axe 22 parallèle au capteur CCD 25. Préférentiellement, les filtres de blocage 13, 16 ont aussi une épaisseur variable selon i'axe 21. Chacun des deux filtres en coin 5, 6 est un filtre interférentiel dont le spectre en transmission évolue continûment selon l'axe 21. Suivant un premier type d'architecture optique (Figures 2 et 3), le filtre référencé 5, est un filtre passe-bas de transmission spectrale 31, et le filtre référencé 6 est un filtre passe-haut de transmission spectrale 34. Sur les Figures 2 et 3, les variations spectrales sont rapportées à un axe 23. On obtient ainsi le filtre 1 de transmission spectrale 40 (Figures 3 et 4), ayant un front bas 41 et un front haut 42 respectivement formés par le front bas 35 du filtre 6 et le front haut 36 du filtre 5, et une bande passante 43. De préférence, on réalise les filtres passe-bas 31 et passehaut 34 de façon à ce que la fibre optique 1 ait une largeur de bande AS constante quelle que soit la longueur d'onde de centrage X0, lorsque l'on analyse la transmission spectrale du filtre 1 en se déplaçant le long de l'axe 21. Pour ce faire, I'on détermine les filtres interférentiels en coin associés aux empilements Il et 14 de la manière suivante. Chacun de ces deux filtres interférentiels est réalisé autour d'un empilement de couches haut et bas indices, qui sont déposées avec une épaisseur optique NxE égale à Xcontrôle/4 ( E étant l'épaisseur mécanique de la couche déposée, N étant l'indice optique de cette couche pour la longueur d'onde XContrôle ). Le filtre passe haut est associé à une longueur d'onde de coupure XCoupurePH. Pour une formule optique donnée (correspondant à une structure d'empilement de couches donnée), l'on peut changer l'épaisseur optique des couches constitutives, ou bien la longueur d'onde Contrôle, en changeant de manière adéquate l'épaisseur E des couches déposées. L'on constate alors que la longueur d'onde de coupure du filtre passe haut varie proportionnellement avec la longueur d'onde de contrôle suivant une loi de type: XcoupurePH(E) = KPH. Xcontrôle(E) + SOPH (a). De la même façon, pour le filtre passe bas l'on constate que: AcoupurePB(E) = KPB. Acontrôle(E) + SOPB (b). En fait, I'on cherche à réaliser un filtre passe bande tel que: - la longueur d'onde de centrage de ce filtre varie continûment suivant l'axe 21, par exemple de manière linéaire, c'est-à-dire de façon à ce que: BO(x) = K.X + h0initial (c) ( x étant l'abscisse comptée suivant l'axe 21), - la largeur spectrale de ce filtre reste constante, c'est-à-dire que AR(x)=constante (d) Lorsque l'on veut réaliser un filtre suivant l'invention, I'on choisit en fonction du besoin les propriétés de ce filtre, c'est-à-dire les paramètres dh, h0initial et K (coefficient de variation de la longueur d'onde de centrage du filtre passe bande). Ensuite l'on choisit des structures d'empilement de couches pour les filtres passe-haut et passe-bas, qui détermineront les coefficients KPH, KPB, BOPH et ROPB. II est alors possible de calculer les lois de variation des épaisseurs E des couches à déposer en fonction de l'abscisse x du dépôt à effectuer, compté suivant l'axe 21 des substrats. Ce calcul sera effectué en résolvant l'ensemble des équations (a), (b), (c) et (d). Suivant un deuxième type d'architecture optique, telle que représentée sur la Figure 5, I'un des deux filtres interférentiels est un filtre passe-bande 45, comprenant un front bas 46, un front haut 47, et une bande passante 48. L'un de ces deux fronts de ce premier filtre 45 (par exemple le front bas 46) est utilisé en conjonction avec un second filtre optique (par exemple un filtre passe-bas 31), de façon à se ramener à des propriétés optiques globales semblables à celles évoquées pour le premier type d'architecture optique. Suivant une autre variante de réalisation représentée sur la Figure 6, le filtre 2 suivant l'invention comprend un substrat unique 52 sur lequel est déposé un premier empilement 53 de couches minces correspondant au premier filtre interférentiel, puis un second empilement 54 de couches correspondant au second filtre interférentiel. Dans l'exemple représenté, les deux empilements 53 et 54 sont disposés d'un même côté du substrat 52, mais il est également possible de les disposer de part et d'autre du substrat 52. Un filtre de blocage 51 est avantageusement rajouté au substrat 52. Afin d'optimiser le processus de fabrication, le second empilement de couches 54 peut être réalisé initialement sur un substrat séparé, puis transféré globalement sur le substrat 52 muni de l'empilement 53. Deux procédés de dépôt particulièrement adaptés aux filtres optiques selon l'invention vont être décrits ci-dessous. Dans les exemples exposés, illustrés sur les Figures 7 et 8, on effectue un dépôt sur une lame 3. Celle-ci a une forme rectangulaire, suivant les orientations des axes 21 et 22. Le dépôt est effectué de façon à ce que l'épaisseur soit constante suivant l'axe 22 et variable suivant l'axe 21. Selon un premier procédé illustré sur la Figure 7, on a recours à un cache 70, oscillant avec un mouvement de translation uniforme suivant l'axe 22, venant masquer périodiquement la lame 3 par rapport aux sources d'évaporation de matériaux qui se déposent en couches minces. Ce masquage s'effectue à une fréquence suffisamment élevée par rapport au temps de dépôt des couches minces, de façon à assurer une épaisseur uniforme suivant l'axe 22. Dans ses deux positions extrêmes 77 et 78, le cache 70 découvre complètement la lame 3. Ce cache possède une géométrie sensiblement triangulaire suivant un triangle-rectangle dont les deux côtés 73, 74 de l'angle droit sont parallèles aux axes 21 et 22. L'hypoténuse 75 de ce triangle peut être courbe, de façon à ce que le temps d'exposition de la lame 3 à la source d'évaporation puisse être soumis à une loi quelconque de type t(x) = f(x) (t étant la durée moyenne d'exposition d'un point de la lame 3, en fonction de son abscisse x comptée selon l'axe 21). Dans un second procédé de fabrication d'un filtre en coin représenté sur la Figure 8, on utilise un cache 90 rectangulaire et de dimensions supérieures à celles de la lame 3 à traiter. II occulte ainsi partiellement et de manière alternative la lame 3, en se déplaçant parallèlement à l'axe 21. La variation d'épaisseur du dépôt est obtenue par une variation de la vitesse de translation du cache 80 d'une position extrême 87 à l'autre 88. Dans ce cas également, la fréquence d'oscillation du cache est suffisamment grande devant la durée de dépôt d'une couche mince. REVENDICATIONS 1. Filtre optique en longueur d'onde (40, 49), de type passebande avec un front bas (41) et un front haut (42) autour d'une longueur d'onde de centrage, tel que cette longueur d'onde de centrage varie continûment suivant au moins l'une des dimensions (21) du filtre optique, caractérisé en ce qu'il comporte deux filtres interférentiels (31, 34, 45), superposés, ayant chacun une bande passante (33, 36, 48), la bande passante de l'un d'eux (34, 45) formant le front bas (41) dudit filtre optique (40, 49) et la bande passante de l'autre (31) formant le front haut (42) dudit filtre optique (40, 49). 2. Filtre optique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la bande passante (43) dudit filtre optique (40, 49) a une largeur spectrale approximativement constante en tout point du filtre optique. 3. Filtre optique suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux filtres interférentiels sont respectivement un filtre passe-bas (31) et un filtre passe-haut (34). 4. Filtre optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux filtres interférentiels sont respectivement un filtre passe-bande (45) et un filtre appartenant à l'ensemble formé d'un filtre passe-bas (31) et d'un filtre passe-haut. 5. Filtre optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un filtre de blocage (13, 16, 51), éliminant au moins une des remontées des bandes passantes des filtres interférentiels. 6. Filtre optique selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'au moins un des filtres de blocage (13, 16) est un filtre interférentiel ayant une bande passante présentant au moins un front, lesdits fronts étant continûment variables suivant ladite dimension (21). 7. Procédé de fabrication d'un filtre optique en longueur d'onde (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel on réalise les filtres interférentiels (11, 14) sur deux substrats (12, 15) distincts, puis on assemble les filtres interférentiels (11, 14). 8. Procédé de fabrication d'un filtre optique en longueur d'onde (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel on réalise les filtres interférentiels (53, 54) successivement sur un même substrat (52), un des deux filtres interférentiels (54) étant directement déposé sur l'autre filtre interférentiel (53). 9. Procédé de fabrication d'un filtre optique en longueur d'onde (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel on réalise les filtres interférentiels (53, 54) sur deux substrats distincts, puis on transfère l'un des deux filtres interférentiels (54) sur l'autre filtre interférentiel (53) muni de son substrat (52). 10. Procédé de fabrication d'un filtre optique en longueur d'onde (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel on réalise les filtres interférentiels (11, 14) sur deux substrats distincts d'épaisseur suffisante, on assemble lesdits filtres (11, 14), puis on usine l'un des deux substrats pour lui donner une épaisseur très faible. 11. . P ro Procédé de fabrication d'un filtre optique en longueur d'onde (1, 2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, utilisant un dépôt sous vide de couches minces sur un support, avec masquage du support du filtre à l'aide d'un cache (70, 80), le mouvement de ce cache étant sensiblement rectiligne alternatif. 12. Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit cache (70) a une forme qui s'approche d'un triangle-rectangle, le mouvement de ce cache étant sensiblement rectiligne alternatif et uniforme. 13. Procédé de fabrication selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit cache (80) a une forme qui s'approche d'un rectangle, le mouvement de ce cache étant sensiblement rectiligne alternatif, avec une loi de vitesse programmée.