Brevet FR2810732A1 — publié le 20011228

La presente invention se rapporte à un procédé de mesure spectroscopique à définition spectrale améliorée et à ses applications. Classiquement, dans un procédé mesure spectroscopique, on détecte l'intensité d'un faisceau lumineux spectralement étalé dans une direction au moyen une matrice de photodétecteurs ayant une même largeur dans cette direction et on produit un ensemble de spectres de lumiere par des mesures successives. De telles mesures sont par exemple effectuees par des caméras Un inconvénient du procédé utilisé habituellement est que sa résolution est limitée par la taille des photodétecteurs, chacun d'entre eux produisant une unique valeur moyennée l'intensité détectée. Pour éviter cet inconvénient, il a été proposé faire des enregistrements successifs du spectre qui sont ensuite cumulés. Toutefois, dans ce cas, il est nécessaire d'attendre fin d'un enregistrement, c'est-à-dire de la lecture des capteurs (généralement des détecteurs CCD - Charge Coupled Device) avant de commencer l'acquisition de l'enregistrement suivant. Cela implique une grande lenteur de procédé de mesure dans son ensemble. L'objet de l'invention est de proposer un procédé mesure spectroscopique évitant ces inconvénients et permettant d'obtenir une définition spectrale améliorée. La présente invention concerne un procédé de mesure spectroscopique dans lequel on détecte l'intensité d'un faisceau lumineux spectralement étalé dans une direction au moyen d'une matrice à deux dimensions de photodétecteurs ayant une même largeur et on produit un ensemble de spectres de lumière par des enregistrements successifs. Selon l'invention, entre deux enregistrements successifs dans ladite direction, on effectue un décalage du spectre lumineux par rapport à la matrice dans ladite direction, d'une distance représentant une fraction ou un multiple de largeur des photodétecteurs et d'un décalage vertical pour separer un spectre du suivant sur la matrice. Avantageusement, le rapport de la largeur des photodétecteurs à ladite fraction est un nombre entier, préférentiellement compris entre 2 et 6 inclus. Dans d'autres modes de réalisation, les dispositions suivantes sont appliquées durant le décalage des spectres, on obture le faisceau lumineux de façon à éviter l'éclairement des photodétecteurs ; après enregistrement, on produit une convolution des spectres pour améliorer la résolution spectrale ; après enregistrement, on procède à une soustraction des spectres pour obtenir une représentation de la dérivée spectre lumineux ; le spectre lumineux est produit par dispersions croisées. Dans une forme préférée de mise en oeuvre, la matrice de photodétecteurs comprend une matrice de pixels reposant sur une technologie CMOS, chacun des pixels étant associé à un amplificateur spécifique. telle configuration rend possible une adaptation individuelle des gains de chacun des photodétecteurs de la matrice, ce qui permet d'amplifier certaines parties du spectre par rapport à d'autres. De plus, une telle configuration autorise un accès aléatoire, ce qui permet de minimiser le temps de mesure, et le niveau de bruit est faible. Dans une autre forme de mise en oeuvre avantageuse, la matrice de photodétecteurs comprend une matrice pixels du type à couplage de charges (CCD). L'invention concerne également l'application procédé à une technique d'émission atomique, celle étant avantageusement choisie parmi les techniques PARK et GDS. invention sera maintenant illustrée par exemples particuliers de mise en oeuvre, en référence Figures annexees sur lesquelles - la figure 1 montre un mode de réalisation d' matrice de photodétecteurs permettant l'application du procède selon l'invention ; la figure 2 représente quatre spectres obtenus successivement au moyen du procédé selon l'invention ; la figure 3 montre une fente d'un appareil spectrométrique, utilisé dans le procédé selon l'invention par déplacement lent de cette fente. matrice 1 de photodétecteurs comprend (figure 1) des colonnes 10 de photodétecteurs telles que par exemple 1 1, 10-2 et 1 3. Chacune des colonnes 10 comprend une ligne d'adressage 11, respectivement référencée 11-1, 11-2, 11-3 pour les trois colonnes 10-1, 10-2 et 10-3, reliée à une ligne centrale 12 et lignes 20-1, 20-2, 20-3. Les photodétecteurs 4 comprennent chacun un pixel 2 reposant sur une technologie CMOS, chacun des pixels étant associé à un amplificateur 3 spécifique. Un tel amplificateur 3 permet d'ajuster le gain pour chacun des photodétecteurs 4. Les colonnes 10 sont espacées d'une largeur w correspondant à la largeur de chacun des photodétecteurs 4. La matrice 1 de photodétecteurs 4 est associée à un dispositif spectroscopique comprenant une fente 40 ayant une largeurs (figure 3). A titre d'exemple, la largeur w des photodétecteurs 4 vaut 20 Nm et la largeur s de la fente 40 vaut 5 pm. En fonctionnement, on détecte l'intensité faisceau lumineux spectralement étalé dans une direction perpendiculaire aux colonnes 10 au moyen d'une ligne 20-1 de matrice 1 de photodétecteurs 4, pour une position relative donnée du spectre de la fente 40 par rapport à la matrice 1. On obtient ainsi un spectre 21 (figure 2), constitué de blocs 31 donné selon un axe 15 représentant la longueur d'onde. Les blocs 31 ont chacun une largeur correspondant à la largeur w des photodétecteurs 4. Dans une deuxième etape, on décale le spectre de la fente 40 relativement à la matrice de détecteurs d'une distance égale à sa largeurs, dans une direction 41 perpendiculaire à celle des colonnes 10 (figure 3) ainsi que dans la direction perpendiculaire, de façon à ce que le spectre, au cours de la deuxième étape, soit reçu par une autre ligne 20-2 de la matrice de détecteurs. On effectue ensuite une nouvelle mesure, de manière à obtenir un deuxième spectre 22. Les blocs 32 de ce deuxième spectre 22 sont décalés d'une distance égale à la largeur s par rapport aux blocs 31 du premier spectre 21. On répète de tels décalages du spectre de la fente 40 jusqu'à avoir balayé toute la largeur w par décalages successifs d'une valeur égale à la largeur s. Dans l'exemple représenté, pour lequel s vaut 5 pm et vaut 20 Nm, on produit deux spectres additionnels 23 et 24 ayant chacun respectivement des blocs 33 et 34. On partitionne ainsi la largeur w de mesure en quatre sous- domaines d'une largeur égale à s. Dans une variante de réalisation, au lieu de déplacer la fente 40 à chaque pas, on déplace la matrice 1 de photodétecteurs 4. Dans une forme avantageuse de mise en oeuvre, on effectue le balayage séquentiel ou lent dans le sens du spectre par soit un microdéplacement de la fente, soit une microrotation du réseau, soit par le déplacement d'un élément optique additionnel, soit par le microdéplacement de la matrice. Dans le sens perpendiculaire, il est produit préférentiellement par le déplacement d'un élément additionnel ou par le microdéplacement de la matrice. Les deux déplacements peuvent être obtenus par le même élément déplaçant le spectre dans les deux directions ou par le déplacement de deux éléments indépendants. Plus généralement, l'important est de déplacer le spectre de la fente relativement à la matrice 1 de photodétecteurs 4. Différents moyens peuvent être utilisés à cet effet. moyen qui donne satisfaction est l'interposition d'un déviateur optique entre la fente et le système dispersif produisant l'étalement du spectre. Le déplacement du spectre, dans chacune des directions, par rapport à la matrice 1 de photodétecteurs 4 obtenu action de ce déviateur. lectures de toutes les lignes de la matrice 1 détecteurs 4 se superposent ou même sont faites simultanément. effectue ensuite une convolution des spectres 21 à mesurés, ce qui permet d'aboutir à un unique signal synthétisant les informations des quatre spectres 21 à 24, avec une définition très améliorée par rapport à chacun des spectres considérés séparement. Dans une variante de réalisation, on utilise une matrice de pixels du type CCD, pour laquelle la largeur w photodétecteurs est typiquement de 25 Nm. Cette technique est avantageusement appliquée à l'émission atomique, en particulier du type ICP, SPARK ou GDS. inconvénient avec les CCD est que la lecture d'un (même CMOS) est lente devant les temps d'acquisition en émission et ainsi la perte d'information, pendant la lecture, énorme. titre d'exemple, les valeurs suivantes peuvent être indiquées (en secondes s) Temps de lecture d'une ligne de détecteurs 1 s à 3 s, s en moyenne Temps de mesure 0,1 s soit pour 5 mesures décalées 0,5 s Selon l'art antérieur, le temps total est donc 0,5 s + 10 s 10 s, soit une perte d'information dans 90 % du temps. Conformément à l'invention, les temps de lecture sont superposés, le temps total est donc réduit à 2 s ou 2,5 s. On appelle ici temps de mesure, le temps pendant lequel le flux lumineux reçu par les détecteurs est utilisé pour la mesure. On aura avantage à empêcher l'intégration du spectre durant déplacements dans le sens de la dispersion perpendiculairement, ceci pourra être obtenu par un obturateur rapide mecanique ou électromécanique, par un obturateur électronique ou un obturateur optique actif. Un intérêt de l'invention est d'utiliser le détecteur mémorisant les différents spectres obtenus à des temps différents et en ne faisant qu'une seule lecture (ou deux lectures). On intérêt effet pour une même mesure de minimiser le nombre de lectures une lecture demande un temps long au cours duquel l'information est perdue et une lecture est source de bruit (électronique et de conversion). Le procédé de l'invention est avantageusement mis en ceuvre dans un spectromètre d'émission dans lequel on a introduit un dispositif qui permet un microdéplacement du spectre dans le sens de la dispersion (une fraction de pixel) et un déplacement spectre vertical. Un obturateur coupe l'entrée de la lumière durant déplacements. Le spectre d'émission est projeté en A sur la fente d'entree. II donne sur le détecteur après dispersion par le réseau, un spectre A1 puis avec l'élément, on déplace le spectre d'une fraction de pixel et on le décale vers le bas, ainsi, jusqu'au spectre N. On effectue alors une lecture de l'ensemble des spectres qui sont mis en mémoire, un traitement informatique permet d'augmenter la résolution du spectre final. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure spectroscopique dans lequel on détecte l'intensité d'un faisceau lumineux spectralement étalé dans une direction au moyen d'une matrice (1) à deux dimensions de photodétecteurs (4) ayant chacun une même largeur et on produit un ensemble de spectres (21-24) de lumière des enregistrements successifs, caractérisé en ce qu'entre deux enregistrements successifs dans ladite direction, on effectue un décalage spectre lumineux par rapport à la matrice (1) dans ladite direction, une distance (s) représentant une fraction ou un multiple largeur (w) photodétecteurs (4) et d'un décalage vertical pour séparer un spectre du suivant sur la matrice. . Procédé de mesure spectroscopique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport de largeur (w) des photodétecteurs (4) à ladite fraction est un nombre entier, préférentiellement compris entre 2 et 6 inclus. . Procédé de mesure spectroscopique selon l' des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que, durant le décalage des spectres, on obture le faisceau lumineux de façon à éviter l'éclairement des photodétecteurs. Procédé de mesure spectroscopique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en que, apres enregistrement, on produit une convolution des spectres pour améliorer la résolution spectrale. Procédé de mesure spectroscopique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en que, apres enregistrement, on procède à une soustraction des spectres pour obtenir une représentation de la dérivée du spectre lumineux. 6. Procédé de mesure spectroscopique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le spectre lumineux est produit par dispersions croisées. 7. Procédé de mesure spectroscopique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la matrice (1 de photodétecteurs (4) comprend une matrice de pixels (2) reposant sur une technologie CMOS, chacun des pixels étant associé à un amplificateur (3) spécifique. 8. Procédé de mesure spectroscopique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la matrice (1) de photodétecteurs (4) comprend une matrice pixels (2) type à couplage de charges (CCD). 9. Application du procédé selon l'une quelconque revendications 1 à 8, à une technique d'émission atomique. 10. Application selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle choisie parmi les techniques ICP, SPARK et GDS.