Brevet FR2849920A1 — publié le 20040716

i La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif d'obtention d'un signal optique à bruit réduit. Dans les méthodes spectroscopiques, il est classique d'effectuer des mesures spectrales sur un système en faisant 5 passer un faisceau lumineux émis ou renvoyé par ce système à travers une fente. Un balayage de la fente permet alors de couvrir un domaine spectral choisi. Le bruit généré dans les signaux obtenus est cependant assez pénalisant, et contraint généralement à mettre en oeuvre 10 différentes techniques de filtrage pour obtenir des résultats satisfaisants. Le bruit comporte en particulier une composante à fluctuations rapides, c'est-à-dire sur une échelle de longueur d'onde petite par rapport aux largeurs de bande des pics des signaux (en particulier inférieure à un cinquième des largeurs de 15 bande), et une composante à fluctuation lente, c'est-à-dire sur une échelle de longueur d'onde grande par rapport à la largeur de bande des pics (en particulier 5 fois supérieure). Cette seconde composante du bruit comprend notamment un bruit de fond, constitué d'un niveau d'intensité parasite s'ajoutant à celle des 20 signaux. Les différents types de bruit nécessitent généralement des traitements distincts qui visent à en réduire les effets. La présente invention a pour objet un procédé d'obtention d'un signal optique à bruit réduit permettant de supprimer presque 25 complètement le bruit de fond, sans qu'il soit nécessaire de faire appel à des techniques de filtrage complexes, mais autorisant l'utilisation de procédures numériques très simples. Le procédé de l'invention permet également de réduire sensiblement le bruit aléatoire à fluctuations rapides ou bruit blanc. 30 Le procédé de l'invention a également pour avantage d'autoriser une réduction considérable de l'intervalle de mesure et de calcul. L'invention a également pour objet un dispositif d'obtention d'un signal optique à bruit réduit ayant les avantages précités, pouvant être réalisé au moyen de composants optiques disponibles sur le marché et simple à mettre en oeuvre. A cet effet, l'invention concerne un procédé d'obtention d'un signal optique à bruit réduit. Dans ce procédé: 5. on fait passer un faisceau lumineux à travers une ouverture, * on détecte l'intensité du faisceau après traversée de l'ouverture, et * on produit un signal optique de base, représentatif de 10 l'intensité mesurée en fonction du temps. Selon l'invention: * on fait aussi passer le faisceau lumineux à travers une autre ouverture, * on détecte une autre intensité du faisceau après traversée 15 de l'autre ouverture, * on produit un signal optique correctif, représentatif de l'autre intensité mesurée en fonction du temps, et * on soustrait les deux signaux optiques obtenus, de telle sorte qu'on obtient un signal optique résultant, constituant 20 le signal optique à bruit réduit. La soustraction des deux signaux optiques obtenus élimine presque complètement le bruit de fond. De plus, l'absence du bruit de fond autorise une réduction considérable de l'intervalle de mesure et de traitement, car la référence d'intensité est toujours 0. 25 Qui plus est, l'apport d'informations complémentaires sur le faisceau, grâce à la double mesure, l'emporte sur le cumul du bruit blanc des deux signaux utilisés. Par une intégration du signal résultant, on peut ainsi obtenir un gain du rapport signal/bruit blanc d'environ . Préférentiellement, les ouvertures sont deux fentes d'un appareil spectroscopique, les signaux optiques étant exprimables en fonction de la longueur d'onde. En particulier, l'appareil spectroscopique comprend avantageusement un monochromateur à fentes tournantes. Le balayage dans le temps est ainsi assimilé à un balayage en longueur d'onde. Avantageusement, les deux fentes sont disposées dans un même plan, correspondant au plan de balayage. L'écart entre les deux ouvertures est préférentiellement optimisé en fonction des signaux à traiter. Dans un mode de mise en oeuvre avantageux, le signal optique de base comprenant des pics d'intensité ayant une largeur de bande maximale à mi-hauteur, on espace les ouvertures de telle sorte qu'elles aient entre elles un 10 écart correspondant à 2 à 4 fois cette largeur de bande, et préférentiellement environ égale à 3 fois. Les pics d'intensité des deux signaux optiques sont alors suffisamment proches pour que le bruit soit efficacement réduit et suffisamment éloignés pour éviter que la soustraction des signaux 15 n'affecte l'information sur ces pics. On s'intéresse alors avantageusement à l'un des pics d'intensité du signal optique de base, et on produit des signaux optiques sur un intervalle (1) ayant une largeur légèrement supérieure à l'écart (D) entre ce pic d'intensité et le pic d'intensité 20 correspondant du signal optique correctif, ladite valeur étant préférentiellement comprise entre 1,2 et 1,5 fois ledit écart (D), et couvrant approximativement ces pics d'intensité. Pour identifier et spécifier un pic donné, cet intervalle suffit, alors qu'en présence du bruit de fond, une largeur 25 considérablement plus grande est requise pour extraire le pic d'intensité. De préférence, on intègre dans le temps le signal optique résultant. On associe ainsi les informations obtenues pour les deux 30 signaux optiques mesurés, en remplaçant chacun des couples de pics positif et négatif par un unique pic d'intensité. Le signal obtenu, dans lequel le rapport signal/bruit blanc est multiplié par ô_, se prête à des traitements numériques classiques. L'intégration dans le temps correspond, dans le cas 35 d'utilisation d'applications spectroscopiques, à une intégration spectrale. Selon un premier mode préféré de mise en oeuvre, on détecte simultanément les intensités du faisceau après traversée des deux ouvertures. On dispose ainsi des informations complètes sur les deux signaux optiques. Dans un second mode de mise en oeuvre préféré, on détecte alternativement les intensités du faisceau après traversée des deux ouvertures et on reconstitue les signaux optiques de base et correctif, préférentiellement par intégration. Ce découpage temporel permet d'utiliser un unique capteur au lieu de deux. Il convient alors de choisir judicieusement le découpage temporel pour l'alternance de détection des deux signaux optiques. Il s'agit en effet de ne pas détériorer les informations obtenues à cause d'une alternance trop lente, tout en 15 pouvant mettre en oeuvre sans trop de complexité le découpage temporel. L'invention concerne également un dispositif d'obtention d'un signal optique à bruit réduit. Ce dispositif comprend: ò une ouverture prévue pour être traversée par un faisceau 20 lumineux, ò des moyens de détection de l'intensité de ce faisceau, disposés en aval de cette ouverture et capables de produire un signal optique de base représentatif de l'intensité mesurée en fonction du temps, et e une unité de traitement, capable de traiter le signal optique de base. Selon l'invention, le dispositif comprend une autre ouverture prévue pour être traversée par le faisceau lumineux, les moyens de détection sont prévus pour détecter aussi une autre intensité du 30 faisceau après traversée de l'autre ouverture et pour produire un signal optique correctif représentatif de l'autre intensité mesurée en fonction du temps. L'unité de traitement est prévue pour soustraire les deux signaux optiques obtenus, de façon à produire ainsi un signal optique résultant constituant le signal optique à 35 bruit réduit. Les ouvertures sont préférentiellement les fentes d'un appareil spectroscopique. Dans un premier mode de réalisation préféré, les moyens de détection comprennent deux capteurs, destinés à détecter 5 respectivement et simultanément le faisceau après traversées des deux ouvertures. Dans un second mode de réalisation préféré, les moyens de détection comprennent un capteur et un découpeur (chopper) interposés entre le capteur et les ouvertures, le découpeur étant 10 destiné à laisser passer alternativement vers le capteur le faisceau après traversées de l'une et l'autre ouverture. Dans ce second mode de réalisation, le dispositif comprend avantageusement un intégrateur, prévu pour reconstituer les signaux optiques de base et correctif. L'invention sera mieux comprise et illustrée à la lumière d'exemples particulier de réalisation et de mise en oeuvre nullement limitatifs, en référence aux figures annexées, sur lesquelles: La Figure 1 montre schématiquement un premier mode de 20 réalisation d'un dispositif selon l'invention. La Figure 2 montre schématiquement un second mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. La Figure 3 représente deux courbes spectrales d'intensités obtenues respectivement par des mesures d'un faisceau après 25 traversée de deux fentes du dispositif de la Figure 1. La Figure 4 représente la courbe spectrale d'intensité résultant de la soustraction entre les deux courbes de la Figure 3, à une échelle d'intensité réduite; et La Figure 5 représente une courbe spectrale correspondant à 30 l'intégration spectrale de la courbe de la Figure 4. Sur les Figures 1 et 2, des éléments identiques ou similaires sont désignés par les mêmes références. Un premier mode de réalisation d'un dispositif spectroscopique (Figure 1) comprend deux fentes 1 et 2 espacées 35 d'une distance d. Ces fentes 1 et 2 sont par exemple des fentes mobiles destinées à effectuer un balayage en longueur d'onde. Les fentes 1 et 2 sont respectivement couplées à deux capteurs 3 et 4, eux-mêmes reliés à une unité de traitement 5. En fonctionnement, on fait passer un faisceau lumineux 5 simultanément à travers les fentes 1 et 2, ce faisceau étant détecté par les capteurs 3 et 4 respectivement après traversées des fentes 1 et 2. On obtient ainsi deux courbes spectrales 21 et 22 (Figure 3) produites respectivement par les capteurs 3 et 4. Ces courbes 21 et 22 donnent l'intensité des signaux détectés (axe 12) en fonction 10 de la longueur d'onde ou du temps (axe 11). En présence d'une longueur d'onde significative du système mesuré, chacune des courbes 21 et 22 présente un pic d'intensité 15 et 16, ayant une largeur de bande L (à mi-hauteur). Ces pics 15 et 16 sont respectivement centrés sur des axes 13 et 14, espacés d'un écart 15 D. Cet écart D est directement en relation avec la distance d entre les fentes 1 et 2, et dépend également de la vitesse de déplacement des fentes 1 et 2. Préférentiellement, on choisit la distance d telle que l'écart D soit compris entre 2 et 4 fois la largeur de bande L. A titre 20 d'exemple, la largeur de bande L vaut 5 pm et l'écart D vaut 15 pm. Les deux courbes 21 et 22 obtenues incluent un bruit blanc, ainsi qu'un bruit de fond correspondant à une intensité de fond F. Cette intensité de fond F est environ la même pour les deux courbes 21 et 22. Au moyen de l'unité de traitement 5, on soustrait ensuite la courbe 22 à la courbe 21, de manière à obtenir une courbe 23 (Figure 4) qui admet ainsi un pic positif 17 et un pic négatif 18, respectivement centrés sur les axes 13 et 14. La courbe 23 présente la particularité de ne plus contenir de bruit de fond, les 30 pics 17 et 18 ayant leurs bases sur l'axe 11 correspondant à une intensité nulle. On intègre ensuite la courbe 23, de telle sorte qu'on obtient une courbe 24 (Figure 5) donnant l'intensité d'intégration (axe 20) en fonction de la longueur d'onde. Cette courbe 24 admet un pic 19 35 ayant son sommet compris entre les axes 13 et 14 et deux points d'inflexion à ses intersections avec les axes 13 et 14. La courbe 24, dépourvue de bruit fond comme la courbe 23, a un rapport signal/bruit blanc amélioré d'un facteur ôL. Avantageusement, on n'effectue les mesures en longueur 5 d'onde que sur un intervalle I centré sur les pics 15 et 16, donc sur le pic 19, et limité au voisinage immédiat de ces pics 21 et 22 (Figure 3). En effet, cet intervalle I de faible largeur suffit à obtenir les informations nécessaires, du fait de l'absence de bruit de fond. Par exemple, la largeur de bande L et l'écart D valant respectivement 5 pm et 15 pm, l'intervalle I a une largeur de 20 pm seulement. Dans un second mode de réalisation du dispositif spectroscopique (Figure 2), les deux fentes 1 et 2 sont couplées à un unique capteur 7, un découpeur 6 (chopper) étant interposé 15 entre le capteur 7 et les fentes 1 et 2. Le découpeur 6 a pour fonction d'envoyer alternativement sur le capteur 7 le faisceau en provenance des fentes 1 et 2. Le capteur 7 est lui même relié à l'unité de traitement 5. En fonctionnement, on obtient des courbes similaires à celles 20 de la Figure 3, mais hachées, ce qui nécessite une reconstitution des courbes sur les parties manquantes. Pour ce faire, on utilise avantageusement un intégrateur. On procède ensuite comme dans le premier mode de réalisation. REVENDICATIONS 1. Procédé d'obtention d'un signal optique à bruit réduit dans lequel: * on fait passer un faisceau lumineux à travers une ouverture (1), on détecte l'intensité du faisceau après traversée de l'ouverture (1), et * on produit un signal optique de base (21), représentatif de ladite intensité mesurée en fonction du temps, 10 caractérisé en ce que: * on fait aussi passer le faisceau lumineux à travers une autre ouverture (2), * on détecte une autre intensité du faisceau après traversée de l'autre ouverture (2), * on produit un signal optique correctif (22), représentatif de ladite autre intensité mesurée en fonction du temps, et * on soustrait les deux signaux optiques (21, 22) obtenus, de telle sorte qu'on obtient un signal optique résultant (23), constituant ledit signal optique à bruit réduit. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ouvertures (1, 2) sont deux fentes d'un appareil spectroscopique, lesdits signaux optiques (21, 22) étant exprimables en fonction de la longueur d'onde. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé 25 en ce que le signal optique de base (21) comprenant des pics d'intensité (15) ayant une largeur de bande maximale (L) à mihauteur, on espace lesdites ouvertures (1, 2) de telle sorte qu'elles aient entre elles un écart (D) correspondant à 2 à 4 fois ladite largeur de bande (L), et préférentiellement environ 3 fois. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on s'intéresse à l'un desdits pics d'intensité (15) du signal optique de base (21), et l'on produit lesdits signaux optiques (21, 22) sur un intervalle (1) ayant une largeur légèrement supérieure à l'écart (D) entre ledit pic d'intensité (15) et le pic d'intensité correspondant du 35 signal optique correctif (22), ladite valeur étant préférentielle comprise entre 1,2 et 1,5 fois ledit écart (D), et couvrant approximativement lesdits pics d'intensité (15, 16). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on intègre dans le temps le signal optique résultant (23). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on détecte simultanément les intensités du faisceau après traversée des deux ouvertures (1, 2). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 10 caractérisé en ce qu'on détecte alternativement les intensités du faisceau après traversée des deux ouvertures (1, 2) et on reconstitue lesdits signaux optiques de base (21) et correctif (22), préférentiellement par intégration. 8. Dispositif d'obtention d'un signal optique à bruit réduit, 15 comprenant: * une ouverture (1) prévue pour être traversée par un faisceau lumineux, * des moyens de détection (3, 4, 6, 7) de l'intensité dudit faisceau, disposés en aval de ladite ouverture (1) et 20 capables de produire un signal optique de base (21) représentatif de ladite intensité mesurée en fonction du temps, et * une unité de traitement (5), capable de traiter ledit signal optique de base (21), caractérisé en ce qu'il comprend une autre ouverture (2) prévue pour être traversée par ledit faisceau lumineux, lesdits moyens de détection (3, 4, 6, 7) étant prévus pour détecter aussi une autre intensité du faisceau après traversée de l'autre ouverture (2) et pour produire un signal optique correctif (22) représentatif de ladite 30 autre intensité mesurée en fonction du temps, et ladite unité de traitement (5) étant prévue pour soustraire les deux signaux optiques (21, 22) obtenus, de façon à produire ainsi un signal optique résultant (23) constituant ledit signal optique à bruit réduit. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites ouvertures (1, 2) sont les fentes d'un appareil spectroscopique. 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, 5 caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comprennent deux capteurs (3, 4) destinés à détecter respectivement et simultanément ledit faisceau après traversées des deux ouvertures (1, 2). 11. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, 10 caractérisé en ce que lesdits moyens de détection comprennent un capteur (7) et un découpeur (6) interposé entre le capteur (7) et les ouvertures (1, 2), le découpeur (6) étant destiné à laisser passer alternativement vers le capteur (7) le faisceau après traversées de l'une et l'autre ouverture (1, 2). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend un intégrateur, prévu pour reconstituer lesdits signaux optiques de base (21) et correctif (22).