Brevet FR2765970A1 — publié le 19990115

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE MATRICE DE FILTRES OPTIQUES, MATRICE DE FILTRES OPTIQUES ET DISPOSITIF DE SPECTROMETRIE UTILISANT UNE TELLE MATRICE Domaine technique La présente invention concerne une matrice de filtres optiques, son procédé de réalisation et l'utilisation d'une telle matrice de filtres dans un dispositif de spectrométrie optique. On entend par matrice de filtres, un système optique qui présente une pluralité de filtres élémentaires, ou une pluralité de régions de filtre juxtaposés, ces filtres ou régions de filtre ayant des réponses spectrales différentes. Comme indiqué ci-dessus, la présente invention trouve des applications notamment pour la réalisation de dispositifs de spectroscopie optique ou d'analyse chromatique. De tels dispositifs peuvent être utilisés, par exemple, pour effectuer une analyse chimique d'un produit ou pour détecter des polluants. Etat de la technique antérieure. Les dispositifs de spectroscopie optique, utilisés pour l'analyse chimique, fonctionnent généralement dans un spectre optique allant du proche au moyen infrarouge. Ces dispositifs comportent une pluralité de détecteurs juxtaposés en une matrice de détecteurs et sont associés respectivement à une pluralité de filtres élémentaires d'une matrice de filtres. Ainsi, à chaque détecteur correspond un filtre élémentaire. Les filtres élémentaires présentent une bande passante bien définie et un fort contraste spectral, c'est-à-dire un taux de réjection élevé. Le caractère très sélectif des filtres élémentaires permet d'associer un couple détecteurfiltre respectivement à chacun des composants d'un ensemble de composants prédéterminés susceptibles d'être contenus dans un mélange à analyser. Ainsi, la réponse d'un détecteur donné au rayonnement émis ou transmis par un mélange traduit la présence dans ce mélange du composé associé à ce détecteur et à l'élément de filtre correspondant. Les figures 1 à 4 annexées sont des coupes schématiques résumant un procédé connu de fabrication de matrices de filtres telles que décrites ci-dessus. Une première étape illustrée en coupe à la figure 1 est la formation sur un substrat transparent 10 d'un premier empilement de couches optiques 12. L'empilement comporte par exemple une alternance de couches de silice et d'oxyde de titane. L'épaisseur optique des couches est choisie pour correspondre à une longueur d'onde de transmission déterminée. Lors d'une deuxième étape, l'empilement 12 est gravé pour mettre en forme un filtre élémentaire 20. A l'exception du filtre élémentaire 20, l'empilement est complètement éliminé de la surface du substrat 10. La mise en forme du filtre élémentaire 20 a lieu selon des techniques de lithographie, de masquage et de gravure usuelles. La fabrication de la matrice de filtres se poursuit, comme le montre la figure 3, par le dépôt d'un deuxième empilement 22 de couches optiques. Les matériaux utilisés pour former les couches du deuxième empilement 22 et/ou l'épaisseur optique des couches le constituant sont choisis différents de ceux du premier empilement. L'épaisseur optique des couches du deuxième empilement est en effet ajustée pour présenter une bande passante distincte de celle du premier empilement et de manière à ne présenter avec la bande passante du premier empilement sensiblement aucun recouvrement. On peut noter que les couches du deuxième empilement 22 viennent recouvrir le premier filtre élémentaire 20. Le deuxième empilement 22 est ensuite également mis en forme par lithographie et gravure pour former un deuxième filtre élémentaire 30 visible à la figure 4. A l'exception du deuxième filtre élémentaire 30, le deuxième empilement est complètement éliminé de la surface du substrat 10 et du premier filtre élémentaire 20. Lors de la gravure des couches du deuxième empilement, toutes les précautions sont prises pour ne pas altérer le premier filtre élémentaire 20 formé au préalable. Pour réaliser une matrice de filtres comportant un nombre n de filtres, les opérations de dépôt d'un empilement multicouche et de sa gravure, décrits cidessus, sont répétées n fois. Un tel procédé permet de contrôler précisément la fréquence centrale et la bande passante de chaque filtre et permet ainsi de former une matrice de filtres parfaitement adaptée à un dispositif de spectroscopie optique tel que décrit précédemment. Toutefois, le procédé décrit s'avère complexe et coûteux, et par conséquent peu adapté à une réalisation industrielle de matrices de filtres. En effet, les empilements de couches optiques comportent généralement de 20 à 30 couches et présentent une épaisseur totale de l'ordre de 5 à lOum. Ainsi, la formation répétée de tels empilements pour chaque filtre élémentaire nécessite un nombre d'étapes de dépôt de couches très élevé. De la même façon, un nombre également élevé (égal au nombre de filtres élémentaires) d'étapes de masquage et de gravure est également requis. De plus, comme chaque étape de gravure concerne l'ensemble des couches d'un empilement et que les différentes couches sont formées de matériaux différents, il est difficile de déterminer des conditions de gravure optimales compatibles pour ces différentes couches. Enfin, dès la réalisation du deuxième filtre, et en particulier lors de la gravure des empilements multicouches, chaque opération de gravure doit être effectuée, comme indiqué précédemment, avec toutes les précautions nécessaires pour ne pas altérer les filtres précédemment réalisés. En particulier, il s'agit de ne pas graver les filtres déjà réalisés, ni laisser à leur surface de dépôt résiduel susceptible de modifier leurs caractéristiques. L'ensemble de ces précautions et mesures particulières rend le procédé encore plus complexe et incompatible avec une réalisation industrielle. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de proposer un procédé de fabrication d'une matrice de filtres ne présentant pas les limitations évoquées ci-dessus. En particulier, l'invention a pour but de proposer un procédé permettant de réaliser une matrice de filtres avec un minimum d'opérations de dépôt de couches optiques et de gravure de ces couches. L'invention a également pour but de proposer un dispositif de spectroscopie optique utilisant un filtre obtenu avec ce procédé. Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un procédé de fabrication d'un filtre présentant une pluralité de régions de filtre avec des spectres de transmission différents dans lequel a) on forme une structure optique comprenant au moins une couche optique, b) on effectue des traitements d'amincissement local de ladite structure optique dans des régions de traitement d'amincissement, chaque région de traitement d'amincissement présentant avec au moins une autre région de traitement d'amincissement une zone de recouvrement partiel, pour obtenir une structure optique avec une pluralité de régions, dites régions de filtre, avec des épaisseurs différentes. On entend, au sens de l'invention, par traitement d'amincissement, soit un traitement de lithographie et de gravure, soit un traitement comportant une opération de pelage, soit tout autre traitement permettant d'amincir localement et de façon contrôlée la ou les couches optiques. Par ailleurs, on entend par région de traitement l'ensemble des surfaces, continues ou non, subissant un même traitement d'amincissement. Grâce au procédé de l'invention, le nombre de filtres élémentaires, c'est-à-dire le nombre de régions de filtre obtenues est supérieur au nombre d'étapes de formation de couches optiques et au nombre d'étapes de gravure ou d'amincissement. Dans un cas particulier de mise en oeuvre de l'invention, on peut prévoir que chaque étape d'amincissement a lieu dans une région de traitement et que chaque région de traitement présente une zone de recouvrement avec toutes les autres régions de traitement. On entend par zone de recouvrement une zone de la surface des couches optiques situées dans au moins deux régions de traitement et qui subit donc au moins deux traitements d'amincissement. Grâce à cette caractéristique, il est possible avec un nombre d'étapes de traitements d'amincissement (gravure ou pelage) égal à n d'obtenir un nombre de régions de filtre égal à 2n présentant chacune un spectre de transmission différent. Selon un autre aspect de l'invention, après les traitements d'amincissement de l'étape b), on peut former sur la structure optique au moins une nouvelle couche optique, puis réitérer les traitements d'amincissement de l'étape b) dans la ou les nouvelle(s) couche(s) optique(s). Aussi, lorsqu'on répète les traitements d'amincissement de l'étape b) sur des nouvelles couches optiques, les régions de traitement peuvent être ajustées de telle façon que les régions de traitement de chaque nouvelle couche optique présentent avec les régions de traitement de l'étape b) précédente, des zones de chevauchement. Dans un tel cas, chaque zone de chevauchement forme une région de filtre avec des propriétés optiques de transmission différentes. En réalisant sur le support p dépôts de couches ou ensembles de couches et en effectuant dans chaque couche ou ensemble de couches n traitements d'amincissement, il est possible d'obtenir ainsi jusqu'à 2"P régions de filtre différentes. Un nombre de régions de filtre de 2"P peut notamment être obtenu lorsque les zones de traitement présentent deux à deux des zones de recouvrement et des zones de chevauchement partiel. L'invention a également pour objet un dispositif de spectroscopie optique comprenant une pluralité de détecteurs photoélectriques aptes à délivrer un signal de détection en réponse à un rayonnement émis par un corps, et un filtre optique présentant une pluralité de régions de filtre, chaque région de filtre étant respectivement agencée devant au moins un détecteur photoélectrique, et dans lequel chaque région de filtre présente un spectre de transmission propre et qui est suffisamment large pour recouper en partie la bande passante d'au moins une autre région de filtre, le dispositif comprenant en outre des moyens de calcul pour établir la concentration de composants du corps en fonction de chaque signal de détection de chaque détecteur. Dans un tel dispositif, il est possible d'utiliser une matrice filtre conforme à l'invention dans laquelle les réponses spectrales des différentes régions de filtre ne sont pas très sélectives. Dans un tel dispositif, on n associe pas un couple détecteur-filtre à un composant particulier du corps à analyser, mais on associe une réponse globale de l'ensemble des filtres à un ou plusieurs composants. De façon plus précise, le dispositif peut être conçu de façon que chaque détecteur photoélectrique i avec une région de filtre correspondante présente une réponse Rij à un composant donné j choisi parmi un ensemble déterminé de composants possibles. Dans un tel dispositif les moyens de calcul peuvent être programmés pour résoudre un système de N équations de la forme où Cj est la concentration du composant j et où Si est la valeur d'un signal de détection d'un détecteur photoélectrique i en réponse à l'ensemble des composants j contenus dans le corps analysé. Le nombre N de détecteurs, et donc le nombre d'équations du système d'équation peut être très grand. Il est alors possible également d'équiper les moyens de calculs d'un calculateur à réseau de neurones dont l'apprentissage est effectué à partir d'un ensemble de mélanges prédéterminés et connus de produits. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée en référence aux figures des dessins annexés. Cette description est donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures - La figure 1, déjà décrite, est une coupe schématique d'une structure de couches optiques pour la fabrication d'une matrice de filtres selon un procédé connu. - La figure 2, déjà décrite, montre une coupe schématique de la structure de la figure 1 dans laquelle on a formé un premier filtre optique. - La figure 3, déjà décrite, montre en coupe la structure de la figure 2 sur laquelle on a formé de nouvelles couches optiques. - La figure 4, déjà décrite, montre en coupe la structure de la figure 3 dans laquelle on a formé un deuxième filtre optique. - La figure 5 montre en coupe la couche superficielle d'une matrice de filtres conforme à l'invention et comprenant deux régions de filtre, et obtenue au terme d'un seul traitement d'amincissement. - La figure 6 montre en coupe la couche superficielle d'une matrice de filtres conforme à l'invention et comprenant quatre régions de filtre obtenues à partir de la matrice de la figure 2, après une étape supplémentaire de gravure. - La figure 7 est une coupe partielle et locale d'une matrice de filtres en cours de fabrication. - La figure 8 est une représentation schématique d'un dispositif de spectroscopie utilisant une matrice de filtres conforme à l'invention. Description de modes de mise en oeuvre de l'invention. Les figures 5 et 6 montrent seulement une couche superficielle 100 d'un empilement de couches pour illustrer sommairement la formation de zones de filtres au cours de gravures successives. Une première gravure de la couche superficielle 100 est effectuée dans une première région de traitement 110, afin d'amincir la couche superficielle dans cette région. Sur la figure 5, un masque de gravure 112, représenté en trait discontinu, est formé sur la couche superficielle 100 pour protéger de la gravure les parties de la couche situées en dehors de la première région de traitement 110. Les étapes de lithographie pour la mise en forme du masque et l'étape de gravure ont lieu selon des techniques usuelles et ne sont donc pas décrites de façon plus détaillée ici. La gravure est arrêtée après un temps suffisant pour obtenir un amincissement de la couche superficielle 110 sur une profondeur L déterminée. A titre d'exemple, la profondeur d'amincissement L peut être de l'ordre de 0,1 um. Ainsi, comme le montre la figure 5, on obtient une structure avec deux régions de filtre. Une première région de filtre 114 correspond à la surface initiale de la couche superficielle 110 laissée intacte et une deuxième région de filtre 116 correspond à la première région de traitement et présente une surface située à une profondeur L sous la surface de la première région de filtre. La figure 6 montre la structure obtenue après un deuxième traitement d' amincissement. Le deuxième traitement d'amincissement est également effectué par gravure dans une deuxième région de traitement 118 qui présente avec la première région de traitement 110 une zone de recouvrement 120. Le premier masque de gravure 112 (figure 5) est éliminé et un nouveau masque de gravure 122, représenté en trait discontinu, est formé sur la surface de la structure afin de protéger les parties de la couche superficielle 110 en dehors de la deuxième région de traitement 118 (figure 6). La gravure du deuxième traitement d'amincissement est arrêtée après un temps suffisant pour amincir la couche superficielle 110 sur une profondeur d'amincissement sensiblement égale à 2L. On obtient ainsi quatre régions de filtre 114, 116a, 124, 126. La première région de filtre 114 déjà existante sur la structure de la figure 5 n'a subi aucune gravure. Une deuxième région 116a (correspondant à une partie de la deuxième région 116 visible à la figure 5) a exclusivement subi le premier traitement d'amincissement et présente une surface située à une profondeur de L. Une troisième région 124 a exclusivement subi le deuxième traitement d'amincissement dans la deuxième région de traitement 118 et présente une surface située à une profondeur de 2L. Enfin, une quatrième région 126, correspondant à la zone de recouvrement 120 des première et deuxième régions de traitement, a subi les deux traitements d'amincissement et présente uns surface située à une profondeur de 3L (L+2L) par rapport à la surface de la première région. Ainsi, au terme de deux étapes de gravure, on obtient quatre régions de filtre d'épaisseur, et donc de spectre de transmission différents. Une troisième étape de gravure à une profondeur de 4L effectuée dans une région de traitement présentant des zones de recouvrement partiel avec chacune des régions de traitement précédentes permet d'obtenir huit régions de filtre dont les profondeurs sont respectivement de 0, L, 2L, 3L, 4L, 5L, 6L et 7L. De la même façon, un nombre de traitements d'amincissement égal à n permet d'obtenir 2n régions de filtre. Il convient de noter que les traitements d'amincissement peuvent également être effectués selon une technique de pelage ou technique de "lift-off". Cette technique, connue en soi, comporte successivement la formation d'une couche de pelage dans une région de traitement, la formation d'une couche optique sur l'ensemble de la structure puis l'élimination par pelage de la couche optique dans la région de traitement en attaquant la couche de pelage. La figure 7 montre en coupe une partie d'une matrice de filtres conforme à l'invention, en cours de fabrication. La matrice de filtres comporte un substrat de support transparent 200 par exemple en silice sur lequel est formé un empilement de couches optiques 202. L'empilement comporte de façon alternée des couches de silice et d'oxyde de titane. Une couche intermédiaire 204 de l'empilement a subi des traitements d'amincissement tels que décrits précédemment afin d'y former des régions de filtre 206 avec différentes épaisseurs. De nouvelles couches 208 ont ensuite été formées sur la couche intermédiaire 204. Ces nouvelles couches épousent le relief de la couche intermédiaire et peuvent à leur tour être gravées. La couche intermédiaire peut être amincie dans des régions de traitement en forme de bandes perpendiculaires au plan de la figure 7. Puis, une ou plusieurs des nouvelles couches peuvent être amincies dans des régions de traitement sous forme de bandes parallèles au plan de la figure (ces régions ne sont pas représentées). En réalisant une matrice de filtres présentant un empilement avec quatre couches ou quatre ensembles de couches ayant subi chacune des traitements d'amincissement avec trois étapes de gravure pour chaque couche, il est possible d'obtenir 4096 régions de filtre. En effet, chaque couche ayant subi trois traitements d'amincissement présente, comme indiqué précédemment, huit (8) régions d'épaisseurs différentes. Ainsi, en empilant quatre de ces couches on obtient 8 (=4096) régions de filtre. A titre d'exemple, l'empilement peut comporter deux couches gravées selon des régions de traitement s'étendant selon une première direction et deux couches gravées selon des régions de traitement s'étendant selon une deuxième direction perpendiculaire à la première direction. On peut obtenir ainsi une matrice carrée de filtres. La figure 8 montre de façon schématique un dispositif de spectroscopie optique utilisant une matrice de filtres telle que décrite précédemment. Il convient de préciser que chaque région de filtre de la matrice présente un spectre de transmission qui lui est propre. Toutefois, la sélectivité des régions de filtre n'est pas très grande. Ainsi, les bandes passantes de filtres présentent des zones de recoupement. Sur la figure 8, la matrice de filtres est indiquée avec la référence générale 300, tandis que la référence 302 désigne les régions de filtre individuelles. Chaque région de filtre 302 est associée et disposée devant un détecteur photoélectrique 304. La référence 310 désigne un corps composé d'un mélange de composants chimiques ayant chacun un spectre ou une longueur d'onde d'émission caractéristique. Le rayonnement 312 provenant du corps traverse la matrice de filtres pour atteindre les détecteurs. Comme les filtres ne sont pas très sélectifs chaque détecteur reçoit, dans des proportions variables, de la lumière de rayonnement de sensiblement tous les composants. Les détecteurs photoélectriques 310 sont reliés à un calculateur 320 capable de déterminer la composition du corps 310 en résolvant un système de N équations de la forme (i=l. . .N), OÙ N est le nombre de détecteurs, où Rij est la réponse au composant j du filtre associé au ieme détecteur et où Cj est la concentration du composant j. Les coefficients Rij peuvent être déterminés expérimentalement ou acquis par un réseau de neurones. Un avantage essentiel d'un tel dispositif est qu'il n'est pas nécessaire de connaître ni de déterminer avec précision le spectre de transmission chaque filtre. Il suffit que ce spectre se distingue de celui des autres filtres de la matrice. Ainsi, la réalisation du filtre ne nécessite pas un contrôle précis des étapes de gravure et d'amincissement. Elle est par conséquent peu coûteuse et adaptée à une production industrielle. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un filtre présentant une pluralité de régions de filtre avec des spectres de transmission différents dans lequel a) on forme une structure optique comprenant au moins une couche optique (100), b) on effectue des traitements d'amincissement local de ladite structure optique dans des régions de traitement (110, 118), chaque région de traitement présentant avec au moins une autre région de traitement une zone de recouvrement partiel (120), pour obtenir une structure optique avec une pluralité de régions (114, 116a, 124, 126), dites régions de filtre, avec des épaisseurs différentes. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque région de traitement présente une zone de recouvrement avec toutes les autres régions de traitement. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, après les traitements d'amincissement de l'étape b), on forme sur la structure optique au moins une nouvelle couche optique, puis on réitère des traitements d'amincissement conformément à l'étape b) dans ladite nouvelle couche optique. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les régions de traitement de chaque nouvelle couche optique présentent avec les régions de traitement de l'étape b) précédente, des zones de chevauchement. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les traitements d'amincissement comportent des opérations de gravure effectuées dans les régions de traitement. 6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel chaque traitement d'amincissement comporte la formation d'un masque de gravure (112, 122) sur la surface de la structure optique, la mise en forme du masque selon un motif correspondant à une région de traitement (110, 118), la gravure de la structure optique selon le motif du masque et l'élimination du masque. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les traitements d'amincissement comportent des opérations de pelage effectuées dans les régions de traitement. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel chaque traitement d'amincissement est effectué avec une profondeur d'amincissement propre différente des autres traitements d'amincissement. 9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape b) comporte trois traitements d'amincissement successifs, effectués respectivement avec des profondeurs L, 2L et 4L où L est la profondeur d'amincissement du premier traitement d'amincissement. 10. Dispositif de spectrométrie optique comprenant une pluralité de détecteurs photoélectriques (304) aptes à délivrer chacun un signal de détection en réponse à un rayonnement émis par un corps (310), et un filtre (300) présentant une pluralité de régions de filtre (302), chaque région de filtre (302) étant respectivement agencée devant au moins un détecteur photoélectrique (304), et dans lequel chaque région de filtre (304) présente un spectre de transmission propre, et qui est suffisamment large pour recouper en partie la bande passante d'au moins une autre région de filtre, le dispositif comprenant en outre des moyens de calcul (320) pour établir la concentration de composants du corps en fonction du signal de détection de chaque détecteur. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel les moyens de calcul comportent un réseau de neurones. 12. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel chaque détecteur photoélectrique i, avec une région de filtre correspondante, présente une réponse Rij à un composant donné j choisi parmi un ensemble déterminé de composants possibles et dans lequel les moyens de calcul sont programmés pour résoudre un système de N équations de la forme où Cj est la concentration du composant j, où Si est la valeur d'un signal de détection d'un détecteur photoélectrique i en réponse à l'ensemble des composants j contenus dans le corps analysé, et où N est le nombre total de détecteurs. 13. Matrice de filtres optiques comprenant une pluralité de régions de filtre optique juxtaposées, chaque région de filtre optique (114, 116a, 124, 126) présentant un spectre de transmission propre et qui recoupe en partie la bande passante d'au moins une autre région de filtre de la matrice.