FR2991046A1 - Spectrophotometre hyperspectral large bande - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un spectrophotomètre hyperspectral large bande pour analyser un composant, le spectrophotomètre comprenant : - une platine mobile selon un axe X, ladite platine étant adaptée pour supporter un composant à analyser et à déplacer selon l'axe X ledit composant ; - une fente d'entrée adaptée pour laisser passer au moins un faisceau optique issu du composant à analyser ; - un miroir de collimation ; - un prisme disperseur ; - un ensemble de focalisation ; - un ensemble de détection sensible à un domaine de détection allant du domaine infrarouge au domaine visible ; le miroir de collimation étant agencé par rapport à la platine pour collimater le faisceau optique issu de la fente d'entrée vers le prisme disperseur ; l'ensemble de focalisation étant agencé par rapport au prisme disperseur pour focaliser les faisceaux issus du prisme disperseur vers l'ensemble de détection.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine de la spectrophotométrie consistant à mesurer pour une longueur d'onde donnée un spectre émis par un composant à analyser et elle concerne en particulier l'imagerie hyperspectrale. ETAT DE LA TECHNIQUE Une image hyperspectrale est une image d'une scène ou objet comportant des informations spectrales et spatiales. Il s'agit par conséquent d'une image tridimensionnelle. On connait des techniques pour obtenir des images hyperspectrales d'une scène mettant en oeuvre des séries de filtre chacun associé à une longueur d'onde. Ces techniques permettent de caractériser un objet lumineux pour notamment localiser d'éventuels défauts et cela de manière non destructive. Toutefois ces techniques connues ne permettent pas d'imager des objets de faible luminosité (par exemple une énergie de l'ordre de la centaine de nW/cm2) notamment pour caractériser des cellules solaires en émission de lumière, pour caractériser des photodiodes ou bien émettant une lumière zo fluorescente. Il existe par conséquent un besoin pour cartographier de manière continue, sur une très large bande, au moyen d'images hyperspectrales, un objet de faible luminosité afin de l'analyser. 25 PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention répond à ce besoin et propose un spectrophotomètre hyperspectral large bande pour analyser un composant, I e spectrophotomètre comprenant : une platine mobile selon un axe X, ladite platine étant adaptée pour 30 supporter un composant à analyser et à déplacer selon l'axe X ledit composant ; - une fente d'entrée adaptée pour laisser passer au moins un faisceau optique issu du composant à analyser ; - un miroir de collimation ; - un prisme disperseur ; - un ensemble de focalisation ; - un ensemble de détection sensible à un domaine de détection allant du domaine infrarouge au domaine visible ; le miroir de collimation étant agencé par rapport à la platine pour collimater le faisceau optique issu de la fente d'entrée vers le prisme disperseur ; l'ensemble de focalisation étant agencé par rapport au prisme disperseur pour focaliser les faisceaux issus du prisme disperseur vers l'ensemble de détection. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible. Le spectromètre de l'invention comprend un premier miroir de repliement comprenant une première fente en son centre ; - un second miroir de repliement comprenant une seconde fente en son centre, la première fente et la seconde fente étant disposées l'une en face de l'autre pour former la fente d'entrée ; - un miroir sphérique; le premier miroir de repliement et le miroir sphérique étant agencés l'un par rapport à l'autre pour d'une part réfléchir des faisceaux optiques issus du composant vers le miroir sphérique et pour imager le composant sur la fente d'entrée. L'ensemble de focalisation comprend : - un miroir plan comprenant une ouverture rectangulaire en son centre ; - un miroir de focalisation ; - le miroir plan étant agencé par rapport au prisme disperseur pour réfléchir des faisceaux collimatés issus du prisme disperseur vers le miroir ; - le miroir de focalisation étant agencé par rapport au miroir plan pour focaliser les faisceaux réfléchis par le miroir de focalisation sur l'ouverture rectangulaire du miroir plan et laisser passer les faisceaux ainsi focalisés vers l'ensemble de détection ; L'ensemble de détection comprend un miroir de prélèvement, un premier capteur sensible à des faisceaux dans un premier domaine de détection, un second capteur sensible à des faisceaux dans un second domaine de détection, le miroir de prélèvement étant disposé par rapport à l'ensemble de focalisation pour réfléchir des faisceaux issus de l'ensemble de focalisation vers le premier capteur et laisser passer des faisceaux vers le second capteur.

Le premier capteur est sensible à l'infrarouge c'est-à-dire à des longueurs d'onde comprise entre 900nm et 1700nm, et dans lequel le second capteur est sensible au visible c'est-à-dire à des longueurs d'onde comprise entre 400 nm et 900 nm. Le premier miroir de repliement, le second miroir de repliement, la 20 fente sont formés d'une pièce comprenant sur ses deux faces un traitement réfléchissant, la fente étant réalisée par une épargne dans ledit traitement sur chacune des deux faces. Le prisme du spectrophotomètre de l'invention est un prisme à 60°. Le spectrophotomètre comprend des objectifs, chaque objectif étant 25 disposé devant un capteur. L'invention concerne également un procédé d'analyse d'un composant disposé sur une platine mobile dans le champ objet d'un spectrophotomètre selon l'invention, le procédé comprenant une étape selon laquelle on déplace la platine mobile pas à pas pour acquérir une pluralité d'images d'une ligne 30 du champ objet. Les avantages de l'invention sont multiples.

La solution de l'invention est catoptrique (à miroirs) à large bande spectrale, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de chromatisme sur la bande spectrale d'intérêt. L'utilisation du prisme permet d'obtenir une dispersion qui est adaptée à la résolution spectrale allant de 5nm au visible ; évite la superposition d'ordres de diffraction ; offre un bon rendement de transmission sur une large bande spectrale. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 illustre un spectrophotomètre hyperspectral large bande conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 illustre un montage d'étalonnage du spectrophotomètre hyperspectral large bande selon l'invention ; - les figures 3a, 3b et 3c illustrent le principe de l'étalonnage du spectrophotomètre hyperspectral large bande selon l'invention ; - la figure 4 illustre des étapes d'un procédé d'analyse d'un composant au moyen d'un spectrophotomètre hyperspectral large bande selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En relation avec la figure 1, un composant C à analyser est disposé dans le plan objet O d'un spectrophotomètre hyperspectral large bande. Le composant C à analyser émet des photons il peut s'agir de photodiodes, de cellules solaires ou encore un matériau fluorescent excité en lumière UV (par exemple, de la colle ou de la peinture). Un tel spectophotomètre permet de cartographier l'émission de lumière du composant à analyser sur un continuum spectral allant du visible à l'infrarouge (de 400 nm à 1700 nm).

En particulier, il permet de réaliser une cartographie selon trois dimensions : localisation en X, Y dans le champ objet pour chacune des longueurs d'ondes du domaine spectral. Ainsi, on obtient une matrice (cartographie) d'intensité en deux dimensions pour chaque longueur d'onde du domaine spectral couvert. Le spectrophotomètre hyperspectral large bande comprend une platine S mobile selon l'axe X, pour supporter le composant à analyser. Le support est mobile ce qui permet de déplacer le composant selon la direction X. Les axes X et Y sont les axes du plan du composant à analyser (le composant à analyser étant plan). L'axe Z est l'axe optique. La dimension X étant condamnée dans l'instrument par la présence de la fente, la dimension W a été introduite pour exprimer l'étalement du spectre au foyer du miroir M6 de focalisation (voir ci-après). Pour retrouver la dimension X, conviendra donc de scanner l'objet selon X (voir ci-après).

Des faisceaux lumineux (représentés par des traits pleins) issus du composant à analyser entrent dans le spectrophotomètre par une fente F. Le spectrophotomètre comprend également un premier miroir M1 de repliement comprenant une première fente F1 en son centre, un second miroir M4 de repliement comprenant une seconde fente F2 en son centre, la première fente et la seconde fente étant disposées l'une en face de l'autre pour former la fente F d'entrée. Le spectrophotomètre comprend également un miroir M2 sphérique, le premier miroir M1 de repliement et le miroir M2 sphérique étant agencés l'un par rapport à l'autre pour, d'une part réfléchir des faisceaux optiques issus du composant vers le miroir M2 sphérique et pour d'autre part imager le composant sur la fente F d'entrée. De cette façon, les faisceaux issus du composant à analyser se réfléchissent sur le premier miroir M1 de repliement vers le miroir M2 sphérique et passent par la fente F formée dans le premier miroir Ml. De manière avantageuse, la fente d'entrée du spectrophotomètre est réalisée par une ouverture dans le traitement du premier miroir M1 (sur ses deux faces) en forme de fente de quelques dizaines de microns de large par quelques millimètres de long. De manière avantageuse, la largeur de la fente est un peu plus large du côté du miroir M3 de collimation à cause de l'ouverture du faisceau). Le spectrophotomètre comprend également un miroir M3 de collimation et un prisme disperseur P. Ainsi, les faisceaux issus de la fente F d'entrée sont collimatés par le miroir M3 de collimation en vue de traverser le prisme disperseur P. Le spectrophotomètre comprend également un ensemble DET de détection.

Pour la détection, les faisceaux provenant du prisme disperseur P doivent être focalisés. Pour ce faire, le spectrophotomètre comprend un ensemble FOC de focalisation agencé par rapport au prisme disperseur pour focaliser les faisceaux issus du prisme disperseur P vers l'ensemble de détection DET.

Selon un mode de réalisation, l'ensemble de focalisation FOC comprend : un miroir M5 plan comprenant une ouverture rectangulaire en son centre ; un miroir M6 de focalisation. Le miroir M5 plan est agencé par rapport au prisme disperseur P pour réfléchir des faisceaux collimatés issus du prisme disperseur P vers le miroir M6, le miroir M6 étant agencé par rapport au miroir M5 plan pour focaliser les faisceaux réfléchis par le miroir M6 de focalisation sur l'ouverture rectangulaire du miroir M5 plan et laisser passer les faisceaux ainsi focalisés vers l'ensemble de détection DET. Selon un mode de réalisation, l'ensemble de détection comprend un miroir M7 de prélèvement, un premier capteur Cl sensible à des faisceaux dans un premier domaine de détection, un second capteur C2 sensible à des faisceaux dans un second domaine de détection, le miroir M7 étant disposé par rapport à l'ensemble de focalisation pour réfléchir des faisceaux issus de l'ensemble de focalisation vers le premier capteur Cl .

A titre d'exemple et pour avoir un domaine spectral analysé large bande, le premier capteur Cl est sensible à l'infrarouge, c'est-à-dire à des longueurs d'onde comprise entre 900nm et 1700nm, et le second capteur est sensible au visible, c'est-à-dire à des longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 900 nm. On note par conséquent que l'on a séparé les voies visible et infrarouge au-delà du miroir M7 de prélèvement. Les capteurs sont fondés sur des matériaux de type silicium pour le visible et de type InGaAs pour l'infrarouge. Enfin, le spectre complet étant continu et les technologies de détecteurs permettant de le couvrir différentes, le miroir M7 de prélèvement est placé sur l'image du spectre et permet de séparer les voies visible et infrarouge. Une reprise d'image est réalisée avec les objectifs OBJ1 et OBJ2 pour ré-imager le plan focal intermédiaire sur les matrices du premier et second capteurs respectivement. De manière avantageuse, le premier capteur est une matrice 15 InGaAs et le second capteur est une matrice CCD. On décrit maintenant l'obtention des cartographies. Le spectrophotomètre permet d'acquérir l'image d'une ligne du champ objet selon la direction Y. L'autre dimension (selon la direction X) est condamnée avec la fente F d'entrée localisée sur le premier miroir M1 dans 20 un plan image intermédiaire afin de permettre l'étalement du spectre au foyer du spectrophotomètre. Ce plan représente l'axe de dispersion en longueurs d'onde et non pas une dimension dans le champ. Cet axe est selon la direction W à la sortie de l'instrument. Avant l'acquisition des lignes de champ en tant que telle il convient de 25 procéder à un étalonnage 100 des longueurs d'onde de l'ensemble de détection DET sur une source de référence, déterminer 200 la durée du temps d'exposition nominale en procédant à l'acquisition du spectre d'une ligne du composant à analyser, déterminer 300 un noir moyen de référence. La figure 2 illustre le montage utilisé pour procéder à l'étalonnage 100 30 des longueurs d'onde de l'ensemble de détection DET sur une source de référence.

On note que le premier capteur Cl et le second capteur C2 sont des capteurs matriciels de sorte que l'étalonnage 100 permet de déterminer des zones de détection sur ces capteurs qui permettent d'obtenir des images qui sont, par définition, constituées de pixels.

Le montage comprend une sphère intégrante 20 disposée dans le plan objet O éclairée par une source lumineuse 30. Les faisceaux de la source lumineuse 30 passent par un monochromateur 40 pour sélectionner une longueur d'onde. La sphère intégrante 20 permet d'uniformiser dans le champ de vu du spectrophotomètre le flux lumineux provenant de toutes les directions des faisceaux issus du spectrophotomètre 10. Ceci permet de créer une source uniforme en éclairement sur laquelle est étalonné le spectrophotomètre qui lui n'a pas une réponse uniforme. En outre, un radiomètre 50 est connecté à la sphère intégrante 20 pour mesurer la réponse radiométrique, l'ensemble est traité au moyen d'une unité de traitement 60 (par exemple un ordinateur) pour procéder à l'étalonnage. Ainsi, pour chaque longueur d'onde X on obtient un spectre 101, 102, 103 détecté sur le capteur. L'étalonnage 100 consiste à parcourir toutes les longueurs d'ondes pour à partir du smile (forme incurvée de l'image de la fente) interpoler par 20 une équation polynomiale pour chaque longueur d'onde le smile afin de localiser chaque longueur d'onde dans le champ et connaître la dispersion spectrale (largeur de chaque raie en nombre de pixels sur le détecteur). Grâce à ces paramètres, on peut déterminer les zones qui correspondent à chaque longueur d'onde sur les capteurs. 25 On a illustré sur les figures 3a, 3b 3c, le regroupement des pixels pour une même longueur d'onde. Ensuite, toujours au cours de l'étalonnage 100, en sommant les pixels d'une ligne L correspondant à une même longueur d'onde, on peut en déduire une matrice de correction d'intensité en fonction du champ et en 30 fonction de la réponse spectrale instrumentale I(Y,X). Cette réponse permet de corriger les pertes radiométriques dues à, notamment : - la présence de particules sur la vitre du capteur ; - la non uniformité de température du capteur ; - la non uniformité de sensibilité des pixels ; - la variation radiométrique (effets angulaires, loi cos4e) dans le champ du spectrophotomètre Ainsi, à l'issu de l'étalonnage 100 on a localisé, sur les capteurs de l'ensemble de détection, les positions des longueurs d'onde selon les directions X et W, les largeurs de bandes en pixels, la réponse radiométrique dans le champ selon la direction Y et la sensibilité spectrale du 10 spectrophotomètre en fonction des longueurs d'onde. L'étape d'étalonnage effectuée il n'est pas utile de la répéter à chaque obtention de cartographies dans la mesure où l'instrument n'est pas déplacé. La mesure de niveau d'intensité de pixels étant une mesure relative, comme mentionné, on détermine 300 un noir moyen en procédant à 15 l'acquisition de plusieurs images de noir avec la durée d'exposition déterminée à l'étape précédente. A partir ces images de noir, on détermine un noir moyen. Ce noir moyen va permettre de corriger les images acquises. De manière préférée, pour obtenir le noir moyen on va utiliser au 20 minimum trois images, de préférence neuf images. Le noir moyen permet de corriger l'image acquise. En particulier, on exprime chaque pixel corrigé au moyen de la fonctionnelle suivante : I I _ b 0,» N 0,»xF',>) -n 0,>) avec : I, l'intensité du signal corrigé ; lb l'intensité du signal acquis, N la 25 valeur moyenne de noir pour ce pixel, n la valeur de noir pour ce pixel dans les conditions d'acquisition du flat, et F le signal de flat, F est le signal moyen sur l'ensemble de la matrice du capteur éclairée à trois quart de la saturation du détecteur concerné. On précise que le flat est une image d'une scène uniforme en luminosité. En effet, la réponse du spectrophotomètre 30 n'est pas uniforme à cause de plusieurs phénomènes dont la différence de sensibilité entre pixels ou dans le champ de vu à cause de phénomènes radiométriques. Par conséquent, l'acquisition du flat permet de la caractériser et donc de la corriger par la suite. Si on considère que le signal F est intégré dans la correction radiométrique dans le champ selon Y, alors la correction se limite à : /com =/bo,j) -Nom Cette correction sera appliquée pour chaque acquisition qu'il s'agisse d'une mesure sur l'objet ou d'une mesure en vue de l'étalonnage radiométrique sur la source de référence. Par conséquent cette étape d'obtention du noir moyen peut être mise en oeuvre avant l'étape d'étalonnage. Ensuite on procède à un balayage 400 du composant à analyser en déplaçant la platine selon la direction X et on acquiert pour chaque position de la platine à des lignes du champ objet avec la durée d'exposition nominale. On note que l'acquisition d'une dimension est réalisée instantanément à travers la fente F selon la direction Y. Par conséquent, pour acquérir la seconde dimension X il convient de faire un balayage du composant en déplaçant la platine mobile. La platine est déplacée pas à pas. Le pas de déplacement de doit pas être inférieure à la largeur de l'image de la fente à travers le miroir M2 sphérique. En pratique, plus le pas est petit plus le temps d'acquisition est long. A l'issue de l'acquisition on obtient une matrice d'intensité selon les axes Y et W, pour chaque position de la platine (selon X) dans le plan de l'objet O. De ces matrices et après correction 500 du noir moyen, on obtient une matrice 3D dont on peut extraire 600 une cartographie d'intensité du champ objet pour chaque longueur d'onde : soit I=f(X,Y,À). Le passage de l'espace spectral W à celui des longueurs d'onde À se fait par sommation des pixels selon la même technique que lors de l'étape 100 d'étalonnage des longueurs d'onde.

Ensuite on applique 700 un certain nombre de correction sur chacune des cartographies obtenues. Ces corrections sont la correction radiométrique dans le champ selon la direction Y, la correction de l'émissivité de la source de référence en longueur d'onde, la correction par la réponse spectrale de l'instrument en longueur d'onde. La correction radiométrique est définie par I c(y,À)= I b(y,À)/M(y,À), avec Ic(y,À) pour les valeurs corrigées, Ib(y,À) pour les valeurs brutes mais corrigées du noir et M(y,À) la matrice de correction d'intensités normalisée. La correction de l'émissivité de la source de référence consiste à tenir compte de la manière dont on a étalonné le spectrophotomètre. En effet, la source de référence comprenant une lampe blanche, le monochromateur et la sphère intégrante présentent une émissivité spécifique sur le domaine spectral. Celle-ci est mesurée avec un radiomètre étalonné. La correction normalisée est appliquée à toutes les longueurs d'onde indépendamment du champ. Cette correction est définie par Ic(.) - 11(4 R(,) avec lb le signal d'un pixel, I, le signal corrigé et R la fonction de correction issue des graphes ci-dessus selon le domaine spectral couvert par le détecteur concerné.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Spectrophotomètre hyperspectral large bande pour analyser un 5 composant (C), le spectrophotomètre comprenant : - une platine (S) mobile selon un axe X, ladite platine (S) étant adaptée pour supporter un composant à analyser et à déplacer selon l'axe X ledit composant (C) ; - une fente (F) d'entrée adaptée pour laisser passer au moins un 10 faisceau optique issu du composant à analyser ; - un miroir (M3) de collimation ; - un prisme disperseur (P) ; - un ensemble (FOC) de focalisation ; - un ensemble de détection (DET) sensible à un domaine de détection 15 allant du domaine infrarouge au domaine visible ; le miroir (M3) de collimation étant agencé par rapport à la platine (S) pour collimater le faisceau optique issu de la fente (F) d'entrée vers le prisme disperseur (P) ; l'ensemble de focalisation (FOC) étant agencé par rapport au prisme 20 disperseur (P) pour focaliser les faisceaux issus du prisme disperseur (P) vers l'ensemble de détection (DET).
2. 2. Spectrophotomètre hyperspectral large bande selon la revendication 1, comprenant : 25 - un premier miroir (M1) de repliement comprenant une première fente (F1) en son centre ; - un second miroir (M4) de repliement comprenant une seconde fente (F2) en son centre, la première fente et la seconde fente étant disposées l'une en face de l'autre pour former la fente (F) d'entrée ; 30 - un miroir (M2) sphérique;le premier miroir (M1) de repliement et le miroir (M2) sphérique étant agencés l'un par rapport à l'autre pour d'une part réfléchir des faisceaux optiques issus du composant vers le miroir (M2) sphérique et pour imager le composant sur la fente (F) d'entrée.
3. 3. Spectrophotomètre hyperspectral large bande selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'ensemble de focalisation comprend : - un miroir (M5) plan comprenant une ouverture rectangulaire en son centre ; - un miroir (M6) de focalisation ; - le miroir (M5) plan étant agencé par rapport au prisme disperseur (P) pour réfléchir des faisceaux collimatés issus du prisme disperseur (P) vers le miroir (M6) ; - le miroir (M6) de focalisation étant agencé par rapport au miroir (M5) plan pour focaliser les faisceaux réfléchis par le miroir (M6) de focalisation sur l'ouverture rectangulaire du miroir (M5) plan et laisser passer les faisceaux ainsi focalisés vers l'ensemble de détection (DET).
4. 4. Spetrophotomètre hyperspectral large bande selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'ensemble de détection (DET) comprend un miroir (M7) de prélèvement, un premier capteur (Cl) sensible à des faisceaux dans un premier domaine de détection, un second capteur (C2) sensible à des faisceaux dans un second domaine de détection, le miroir (M7) de prélèvement étant disposé par rapport à l'ensemble de focalisation (FOC) pour réfléchir des faisceaux issus de l'ensemble de focalisation (FOC) vers le premier capteur (Cl) et laisser passer des faisceaux vers le second capteur (C2).30
5. 5. Spectrophotomètre hyperspectral large bande selon la revendication précédente, dans lequel le premier capteur (C1) est sensible à l'infrarouge c'est-à-dire à des longueurs d'onde comprise entre 900nm et 1700nm, et dans lequel le second capteur (C2) est sensible au visible c'est-à-dire à des longueurs d'onde comprise entre 400 nm et 900 nm.
6. 6. Spectrophotomètre hyperspectral large bande selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel le premier miroir (M1) de repliement, le second miroir (M4) de repliement, la fente (F) sont formés d'une pièce comprenant sur ses deux faces un traitement réfléchissant, la fente étant réalisée par une épargne dans ledit traitement sur chacune des deux faces.
7. 7. Spectrophotomètre hyperspectral large bande selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le prisme est un prisme à 60°.
8. 8. Spectrophotomètre hyperspectra I large bande selon l' une des revendications précédentes comprenant des objectifs (OBJ1, OBJ2), chaque objectif (OBJ1, OBJ2) étant disposé devant un capteur (C1, C2).
9. 9. Procédé d'analyse d'un composant disposé sur une platine mobile dans le champ objet d'un spectrophotomètre selon l'une des revendications précédentes, le procédé comprenant une étape selon laquelle on déplace la platine mobile pas à pas pour acquérir une pluralité d'images d'une ligne du champ objet.