FR3063807A1

FR3063807A1 - Module de microspectrometre, appareil portatif equipe d'un tel module et procede de gestion du module

Info

Publication number: FR3063807A1
Application number: FR1852008A
Authority: FR
Inventors: Andreas Merz; Christian Huber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-09
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2018-09-14
Anticipated expiration: 2038-03-08
Also published as: DE102017203880A1; FR3063807B1

Abstract

Module de microspectromètre (102) ayant un résonateur optique (106), un diaphragme (112) d'ouverture réglable pour modifier la lumière incidente arrivant sur le résonateur optique (106), un détecteur (110) pour détecter la lumière filtrée par le résonateur optique (106), et une unité de commande (116) pour commander le diaphragme (112) en utilisant le signal de détecteur (114) généré par le détecteur (110) et/ou une valeur prédéfinie (222) représentant la résolution à obtenir pour la détection.

Description

Titulaire(s) : ROBERT BOSCH GMBH.

Demande(s) d’extension

Mandataire(s) : CABINET HERRBURGER.

£4) MODULE DE MICROSPECTROMETRE, APPAREIL PORTATIF EQUIPE D'UN TEL MODULE ET PROCEDE DE GESTION DU MODULE.

FR 3 063 807 - A1 (57) Module de microspectromètre (102) ayant un résonateur optique (106), un diaphragme (112) d'ouverture réglable pour modifier la lumière incidente arrivant sur le résonateur optique (106), un détecteur (110) pour détecter la lumière filtrée par le résonateur optique (106), et une unité de commande (116) pour commander le diaphragme (112) en utilisant le signal de détecteur (114) généré par le détecteur (110) et/ou une valeur prédéfinie (222) représentant la résolution à obtenir pour la détection.

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Domaine de l’invention

La présente invention se rapporte à un module de microspectromètre, un appareil portatif comportant un tel module et un procédé de gestion du module ainsi qu’un programme d’ordinateur et un support de mémoire contenant l’enregistrement du programme.

Etat de la technique

La recherche actuelle concerne les possibilités de fabrication d’un spectromètre miniature qui, selon l’application, utilise les spectres du domaine visible, du domaine du proche infrarouge ou du moyen d’infrarouge. De tels spectromètres conviennent notamment pour être installés dans un appareil portatif ou appareil manuel ou encore dans un appareil d’électronique de loisir, tel que smartphone, par exemple, pour une analyse chimique.

Les interféromètres Fabry-Pérot sont réalisés habituellement sous la forme d’un filtre accordable dont on règle la longueur d’onde passante, souhaitée, par l’écart entre les couches de miroirs. En général, un tel interféromètre Fabry-Pérot a une ouverture d’entrée d’une certaine dimension. Elle définit avec la taille du détecteur ou en combinaison avec d’autres ouvertures ou de façon générale avec des optiques du système, un intervalle d’angle d’incidence dans lequel on peut collecter la lumière. Il s’agit en principe d’un compromis entre la résolution que l’on peut obtenir et l’intensité du signal sur le détecteur. Une grande ouverture se traduit par une détérioration de la résolution au profit d’une plus forte intensité du signal alors qu’une petite ouverture améliore la résolution mais diminue l’intensité du signal.

Dans les applications du domaine de l’analyse chimique, on exploite les spectres reçus par un interféromètre Fabry-Pérot, par exemple dans le domaine du proche infrarouge, de façon caractéristique les techniques de l’analyse de données multivariable appelée en abrégé analyse MVDA. On utilise pour cela des banques de données avec les spectres d’objets analysés, connus pour, partant d’algorithmes statistiques et de modèles d’apprentissage de machine, extraire de la statistique et de l’apprentissage par machine, des modèles à partir des données et qui permettront ultérieurement la prévision de classes de matières ou de concentrations de contenus. Cette discipline, en partie chimique, dans le domaine du proche infrarouge est également appelée chémométrie. On analyse ainsi les plages de longueurs d’onde et de variables les plus diverses et on extrait les informations nécessaires. Pour cela la qualité des spectres, c'est-à-dire leur résolution et l’intensité des signaux que peut recevoir l’appareil sont importants.

Le document DE 10 2010 031 206 Al décrit par exemple un filtre Fabry-Pérot accordable ayant un diaphragme pour définir la plage d’incidence et la plage de suppression d’un faisceau lumineux. Exposé et avantages de l’invention

La présente invention a pour objet un module de microspectromètre ayant les caractéristiques suivantes :

un résonateur optique, un diaphragme d’ouverture réglable pour modifier la lumière incidente arrivant sur le résonateur optique, un détecteur pour détecter la lumière filtrée par le résonateur optique, et une unité de commande pour commander le diaphragme en utilisant le signal de détecteur généré par le détecteur et/ou une valeur prédéfinie représentant la résolution à obtenir pour la détection.

Un module de microspectromètre est un module miniaturisé pour l’analyse de la composition spectrale de la lumière par un résonateur optique. En particulier, le module de microspectromètre est un spectromètre miniaturisé pour la spectroscopie infrarouge ou la spectroscopie dans le proche infrarouge. Le résonateur optique est par exemple un résonateur de Fabry-pérot composé de deux éléments de miroirs partiellement transparents qui se font face. Les deux éléments de miroirs sont par exemple associés de manière parallèle à une distance déterminée ; la distance peut être modifiée par un actionneur de miroir approprié. Un diaphragme est un élément limitant l’angle pour limiter la plage angulaire dans laquelle la lumière arrive sur le résonateur optique. Le diaphragme est par exemple un diaphragme électrique, piézoélectrique ou actionné mécaniquement, notamment tel que le diaphragme de type iris ou encore un diaphragme comportant plusieurs éléments de diaphragmes successifs. Un détecteur est un photodétec3063807 teur ou photocapteur tel qu’un capteur CCD ou CMOS ou encore une photodiode ou un phototransistor.

Une unité de commande est un dispositif qui exécute les étapes d’une variante du procédé décrit ci-dessus dans des installations appropriées pour exécuter les commandes, assurer les commandes ou les transposer. Le dispositif comporte au moins une unité de calcul pour traiter les signaux ou les données, au moins une unité de mémoire pour enregistrer les signaux ou les données, au moins une interface vers un capteur ou un actionneur pour enregistrer les signaux du capteur ou pour émettre des signaux de données ou de commande vers l’actionneur et/ou vers une interface de communication pour enregistrer ou émettre des données intégrées dans un protocole de communication. L’unité de calcul est par exemple un processeur de signal, un microcontrôleur ou un moyen de ce type ; l’unité de mémoire est une mémoire flash, une mémoire EPROM ou une mémoire magnétique. L’interface de communication enregistre ou émet des données par une liaison sans fil et/ou par une liaison par câble ; l’interface de communication permet d’enregistrer ou d’émettre des données liées à une ligne. Ces données sont par exemple émises de manière électrique ou optique à partir d’une ligne appropriée de transmission des données.

Un dispositif est un appareil électrique qui traite les signaux de capteur et en fonction de ce traitement, génère des signaux de commande et/ou des signaux de données. Le dispositif peut comporter une interface réalisée sous la forme d’un circuit et/ou d’un programme. Dans le cas d’une réalisation sous la forme d’un circuit, les interfaces font par exemple partie d’un système ASIC qui contient diverses fonctions du dispositif. Mais il est également possible que les interfaces comportent leur propre circuit intégré ou du moins soient réalisées sous la forme de composants discrets. Dans le cas d’une réalisation sous la forme d’un programme, les interfaces peuvent être des modules de programme, par exemple des modules existant dans le microcontrôleur à côté d’autres modules de programme.

L’invention repose sur la considération qu’un module de microspectromètre réalisé par exemple à partir d’un interféromètre Fabry-Pérot accordable, peut avoir une ouverture d’entrée de dimensions variables. Une telle ouverture présente une forte flexibilité dans l’utilisation du module de microspectromètre, notamment dans son application à l’analyse chimique de différentes matières comme cela se rencontre dans le domaine de l’électronique de loisir. Cela permet pour chaque situation de mesure, d’avoir une combinaison optimale entre la résolution et l’intensité des signaux.

Selon un mode de réalisation, le résonateur optique est un interféromètre de Fabry-pérot. L’interféromètre Fabry-Pérot peut avoir une longueur de cavité accordée. Un interféromètre de Fabry-Pérot est un résonateur optique composé de deux miroirs semi-transparents. En particulier, l’interféromètre de Fabry-Pérot peut être accordé en variant la distance entre les miroirs. Cette forme de réalisation permet d’avoir un résonateur optique avec un filtre optique accordé.

Selon un autre développement, l’unité optique a une ouverture dépendant de l’intensité du signal de détecteur. Cela permet de faire varier la lumière incidente arrivant sur le résonateur optique en fonction de l’intensité mesurée.

Si le résonateur optique est un interféromètre de FabryPérot avec une longueur de cavité accordable, l’unité de commande accorde la longueur de la cavité.

Suivant une autre caractéristique, l’unité de commande comporte une interface pour enregistrer la valeur prédéfinie à partir d’une banque de données. La banque de données est une banque de données avec des valeurs prédéfinies pour différentes situations de mesure. Les valeurs prédéfinies sont par exemple déterminées de manière chémométrique. Cela permet une commande efficace et souple du diaphragme.

Suivant une autre caractéristique, le module de microspectromètre a une source lumineuse pour éclairer l’objet d’analyse à l’aide du module de microspectromètre, notamment une source de lumière infrarouge ou une source de lumière du proche infrarouge. Cela permet d’irradier l’objet d’analyse de manière ciblée avec la lumière dans la plage des longueurs d’onde caractéristiques pour l’analyse.

Selon un autre développement, le diaphragme est un diaphragme à iris, ce qui constitue un diaphragme particulièrement compact.

L’invention porte également de manière avantageuse sur un produit programme d’ordinateur ou plus simplement un programme d’ordinateur avec un code programme enregistré sur un support de mémoire lisible par une machine tel qu’une mémoire semiconductrice, un disque dur ou une mémoire optique et qui est utilisé pour exécuter, appliquer ou commander les étapes du procédé telles que définies cidessus, notamment lorsque le produit programme d’ordinateur ou le programme est appliqué à un ordinateur ou un calculateur.

Dessins

La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l’aide d’exemples de modules de microspectromètre et de procédés de gestion d’un tel module, représentés dans les dessins annexés dans lesquels :

la figure 1 est un schéma d’un appareil portatif ou appareil manuel selon un exemple de réalisation, la figure 2 est un schéma de l’unité de commande de la figure 1, la figure 3 montre un ordinogramme d’un procédé selon un exemple de réalisation, la figure 4 est un diagramme de représentation de la transmission de la lumière collimatée à travers un résonateur optique selon un exemple de réalisation, et la figure 5 est un diagramme représentant la transmission de la lumière non collimatée à travers un résonateur optique correspondant à un exemple de réalisation.

Description de modes de réalisation

La figure 1 montre schématiquement un appareil portatif ou appareil manuel 100 selon un exemple de réalisation. L’appareil 100 est par exemple un smartphone ou un appareil d’analyse portatif avec un module de microspectromètre 102 pour saisir un objet de mesure 104. Le module de microspectromètre 102 comporte un résonateur optique 106 qui est ici un interféromètre Fabry-Pérot formé de deux éléments de miroirs semi-transparents 108 qui se font face, d’un détec3063807 teur 110 et d’un diaphragme 112 d’ouverture réglable. Le résonateur optique 106 filtre la lumière incidente traversant le diaphragme 112 ; le détecteur 110 est installé face au résonateur optique 106 pour que la lumière filtrée par le résonateur optique 106 arrive sur le détecteur 110. Le détecteur 110 est par exemple conçu pour saisir l’intensité de la lumière filtrée et générer un signal de détecteur 114 représentant cette intensité.

Selon cet exemple de réalisation, le diaphragme 112 et le détecteur 110 sont reliés chacun à une unité de commande 116. L’unité de commande 116 reçoit le signal 114 du détecteur 110 et l’utilise pour commander le diaphragme 112, c'est-à-dire pour modifier son ouverture. Pour cela, l’unité de commande 116 fournit un signal de commande 118 correspondant au diaphragme 112. L’unité de commande 116 modifie par exemple l’ouverture à la figure 1 en fonction de l’intensité du signal de détecteur 114.

Selon un exemple de réalisation, le détecteur 110 est précédé d’un préfiltre passe-bande 122.

La figure 1 montre la structure de mesure de principe pour mesurer une dispersion diffuse sur l’objet de mesure 104 à l’aide du module de microspectromètre 102. Pour éclairer l’objet 104, le module de microspectromètre 102 est équipé en option d’une source lumineuse 120, notamment d’une source de lumière infrarouge. La source de lumière infrarouge peut également être une source de lumière du proche infrarouge. La lumière émise par la source lumineuse 120 est diffractée de manière diffuse par l’objet de mesure 104 et arrive ainsi à travers le diaphragme 112 sur le résonateur optique 106. La lumière émise et diffractée est caractérisée à la figure 1 par des flèches.

Selon un exemple de réalisation, le module de microspectromètre 102 a au moins une autre ouverture d’entrée de dimensions variables, réglables.

Selon l’exemple de réalisation, la source lumineuse 102 présente en fonction de la plage de longueurs d’onde souhaitée, au moins une diode LED, une diode LED avec phosphore ou une lampe à incandescence.

Le résonateur optique 106 a par exemple deux couches très réfléchissantes formant des éléments de miroirs 108. Ces miroirs sont par exemple réalisés sous la forme de réflecteurs diélectriques de Bragg ou sous la forme de couches métalliques minces avec des couches protectrices diélectriques. La distance entre les couches est par exemple accordée par un moyen électrostatique ou piézoélectrique.

Le détecteur 110 est par exemple un monodétecteur réalisé sous la forme d’un détecteur par exemple en silicium, germanium InGaAs ou InGaAs étendu selon la plage des longueurs d’onde utilisées.

Selon une application caractéristique du module de microspectromètre 102, on éclaire l’objet de mesure 104 à l’aide de la source lumineuse 120 et la lumière diffractée diffuse est analysée par la combinaison formée par le résonateur optique 106 et le détecteur 110 pour déterminer la composition spectrale de la lumière.

La figure 2 montre schématiquement une unité de commande 116 selon la figure 1. L’unité de commande 116 comporte une unité d’enregistrement 210 pour enregistrer le signal de détecteur 114 et une unité d’émission 220 pour fournir le signal de commande 118 en utilisant le signal de détecteur 114. Selon cet exemple de réalisation, l’unité d’enregistrement 210 fonctionne en plus comme interface pour enregistrer une valeur prédéfinie 222 de la solution à réaliser pour la détection. La valeur prédéfinie 222 est par exemple fournie par une banque centrale de données 230, notamment une banque de données chémométrique avec des valeurs prédéfinies. L’unité d’émission 220 génère le signal de commande 118 en utilisant la valeur prédéfinie 222.

La figure 3 montre un ordinogramme simplifié du procédé 300 correspondant à un exemple de réalisation. Le procédé 300 de gestion d’un module de microspectromètre est par exemple appliqué par l’unité de commande comme cela a été décrit ci-dessus à l’aide des figures 1 et 2. Dans l’étape 310, on enregistre le signal de détecteur ou en plus ou en variante, la valeur prédéfinie. Selon une autre étape 320, on émet le signal de commande en utilisant le signal de détecteur ou la valeur prédéfinie.

Selon l’application spectroscopique, on fait fonctionner le module de microspectromètre par exemple en mode de balayage rapide encore appelé mode A ou en mode de balayage précis encore appelé mode B. Dans le mode A, on effectue le balayage avec une grande ouverture, ce qui permet un débit lumineux important pour un balayage rapide à faible résolution. Le mode A est par exemple utilisé pour des spectres de l’analyse de données multivariées (classification et analyse quantitative) qui ne demande qu’une faible résolution pour avoir une analyse complète. Le mode A est en outre suffisant pour une classification et ensuite passer dans une plage de longueurs d’onde prédéfinie pour le balayage en mode B selon lequel on utilise la plage de longueurs d’onde pour quantifier avec une meilleure résolution. Dans le mode B, on effectue le balayage avec une petite ouverture, c'est-à-dire un faible débit lumineux et une meilleure résolution. Cela permet d’augmenter le temps de mesure pour une même intensité de signal avec un balayage de la plage spectrale complète. Cela permet un balayage avec une bonne résolution dans une partie de plage spectrale caractéristique pour l’analyse de données multivariée.

L’avantage de cette application est que pour chaque cas de mesure, en fonction de l’intensité lumineuse, de la matière à analyser et de la lumière ambiante, on pourra choisir une ouverture réglée de façon optimale pour avoir un intervalle de longueurs d’onde suffisamment grand avec une résolution suffisante dans le balayage de façon à réduire au minimum le temps de mesure.

La figure 4 montre un diagramme pour représenter une transmission de lumière collimatée 400 par un résonateur optique 106 selon un exemple de réalisation, tel que le résonateur décrit ci-dessus à l’aide des figures 1 à 3. La figure 4 montre une courbe de transmission 402 qui représente la transmission de la lumière collimatée 400 en fonction de la longueur d’onde.

La figure 5 montre un diagramme représentant la transmission de la lumière 500 non collimatée dans le résonateur optique 106 selon un exemple de réalisation ; il s’agit par exemple du résonateur décrit ci-dessus à l’aide des figures 1 à 4. La figure montre une autre courbe de transmission 502 qui représente la transmission de la lumière non collimatée 500 en fonction de la longueur d’onde.

Pour collimater la lumière incidente qui arrive sous un angle 0 par rapport à la normale au résonateur optique 106, la longueur d’onde centrale de l’interférence d’ordre m, transmise, est représentée par la formule suivante :

_ IdncosO

Zm m

Dans cette formule :

n est l’indice de réfraction de réfraction entre les couches miroirs, d est la distance entre les couches miroirs.

Pour des valeurs angulaires importantes, la longueur d’onde centrale se déplace vers les courtes valeurs d’onde.

Dans un cas caractéristique pour lequel on examine la lumière spectrale diffractée de manière diffuse par un échantillon, il n’y a pas de lumière collimatée arrivant sur le résonateur optique 106 mais une distribution de rayons lumineux avec des angles d’incidences différentes comme cela est présenté schématiquement à la figure 5. Pour chaque angle d’incidence 0, on transmet la lumière de la longueur d’onde centrale Xm(O). En tout on transmet l’intégrale de plusieurs pics de transmission légèrement décalés. Cela correspond à un pic plus large et plus haut pour des longueurs d’onde plus courtes.

Les figures 4 et 5 montrent la différence entre la transmission de lumière non collimatée et de lumière collimatée.

Dans certaines applications, on utilise de la lumière collimatée pour obtenir d’étroits pics de transmission et ainsi une forte résolution du spectromètre. Cela est par exemple le cas pour des problèmes de quantification. Pour avoir de la lumière pratiquement collimatée, on place un élément limitant l’angle d’incidence sous la forme d’une ouverture ou de plusieurs ouvertures devant le résonateur optique qui, en combinaison avec la surface du résonateur ou la surface du détecteur, ne laisse passer que les rayons lumineux dans une faible plage angulaire. Ainsi, toute l’intensité qui ne se situe pas dans cet intervalle angulaire passant sera perdue car les rayons lumineux respec3063807 ίο tifs ne pourront arriver sur le détecteur. De ce fait, la mesure se traduit par un moins bon rapport signal/bruit, c'est-à-dire que l’on augmente la durée de la mesure.

Dans d’autres applications, il suffit d’une résolution moindre pour obtenir l’information souhaitée par l’exploitation chémométrique. Cela est par exemple le cas pour de simples problèmes de classification. Dans ce cas, il est avantageux d’utiliser une ouverture d’entrée plus grande car elle permet le passage d’une quantité de lumière plus importante. La plus forte intensité lumineuse arrivant sur le détecteur permet une mesure plus rapide, c'est-à-dire avec moins de bruit.

Il est également avantageux de laisser variable la dimension de l’ouverture d’entrée. Le choix de la dimension effective pour la mesure se fait selon l’exemple de réalisation en se fondant sur l’intensité du signal à mesurer sur le détecteur ou à base de mesures préalables provenant d’une banque de données chémométrique pour la résolution nécessaire à la mesure souhaitée.

Une telle ouverture variable se réalise par exemple à l’aide d’un diaphragme à iris commandé de manière mécanique, électrique ou piézoélectrique.

NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX

	100	Appareil portatif/appareil manuel
	102	Module de microspectromètre
5	104	Objet mesuré
	106	Résonateur optique/interféromètre Fabry-Pérot
	108	Elément de miroir
	110	Détecteur
	112	Diaphragme
10	114	Signal de détecteur
	116	Unité de commande
	118	Signal de commande
	120	Source lumineuse
	122	Préfiltre passe-bande
15	210	Unité d’enregistrement
	220	Unité d’émission
	222	Valeur prédéfinie
	230	Banque de données
	300	Procédé de gestion d’un module de microspectromètre
20	310, 320	Etapes du procédé
	400	Lumière collimatée
	402	Courbe de transmission
	500	Lumière non collimatée
	502	Courbe de transmission

Claims

REVENDICATIONS

1°) Module de microspectromètre (102) ayant les caractéristiques suivantes :

un résonateur optique (106), un diaphragme (112) d’ouverture réglable pour modifier la lumière incidente arrivant sur le résonateur optique (106), un détecteur (110) pour détecter la lumière filtrée par le résonateur optique (106), et une unité de commande (116) pour commander le diaphragme (112) en utilisant le signal de détecteur (114) généré par le détecteur (110) et/ou une valeur prédéfinie (222) représentant la résolution à obtenir pour la détection.
2°) Module de microspectromètre (102) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le résonateur optique (106) est un interféromètre Fabry-Pérot à longueur de cavité accordable.
3°) Module de microspectromètre (102) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de commande (116) règle l’ouverture en fonction de l’intensité du signal de détecteur (114).
4°) Module de microspectromètre (102) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de commande (116) comporte une interface (210) pour enregistrer la valeur prédéfinie (222) à partir d’une banque de données (230).
5°) Module de microspectromètre (102) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’ il comporte une source lumineuse (120), notamment une source de lumière infrarouge ou une source de lumière proche de l’infrarouge pour irradier l’objet à analyser (104) à l’aide du module de microspectromètre (102).
6°) Module de microspectromètre (102) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diaphragme (112) est un diaphragme à iris.
7°) Module de microspectromètre (102) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’ il comporte un préfiltre passe-bande (122) installé en amont du détecteur (110) selon le sens de la lumière incidente.
8°) Appareil portatif (100) comportant un module de microspectromètre (102) selon l’une des revendications 1 à 6, le module de microspectromètre (102) ayant les caractéristiques suivantes :

un résonateur optique (106), un diaphragme (112) d’ouverture réglable pour modifier la lumière incidente arrivant sur le résonateur optique (106), un détecteur (110) pour détecter la lumière filtrée par le résonateur optique (106), et une unité de commande (116) pour commander le diaphragme (112) en utilisant le signal de détecteur (114) généré par le détecteur (110) et/ou une valeur prédéfinie (222) représentant la résolution à obtenir pour la détection.
9°) Procédé (300) de gestion d’un module de microspectromètre (102) selon l’une des revendications 1 à 6, procédé (300) comprenant les étapes suivantes consistant à :

enregistrer (310) le signal de détecteur (114) et/ou la valeur prédéfinie (222), et émettre (320) un signal de commande (118) pour commander le diaphragme (112) en utilisant le signal de détecteur (114) et/ou la valeur prédéfinie (222).

5 10°) Programme d’ordinateur conçu pour exécuter et/ou commander le procédé (300) selon la revendication 8 et support de mémoire lisible par une machine contenant l’enregistrement du programme d’ordinateur.

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