FR3080191A1

FR3080191A1 - Filtre spectral de rayonnement electromagnetique

Info

Publication number: FR3080191A1
Application number: FR1800306A
Authority: FR
Inventors: Mathilde MAKHSIYAN; Patrick Bouchon; Sebastien Heron; Riad Haidar
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2018-04-13
Publication date: 2019-10-18
Anticipated expiration: 2038-04-13
Also published as: WO2019197754A1; FR3080191B1

Abstract

Un filtre spectral (10) de type Fabry-Pérot pour rayonnement électromagnétique comprend deux couches métalliques (1, 2) parallèles qui sont disposées de chaque côté d'un milieu diélectrique (3). L'une des deux couches métalliques est micro-structurée, avec une dimension (w) de zones (4) à épaisseur réduite ou nulle qui est plus petite que des longueurs d'onde d'un rayonnement à filtrer. Le filtre présente des valeurs de facteur de qualité et/ou de taux de réjection qui sont améliorées par rapport à un filtre à couches métalliques qui sont continues et uniformes.

Description

La présente invention concerne un filtre spectral de rayonnement électromagnétique, ainsi qu’un procédé de filtrage qui utilise un tel filtre.

De nombreuses applications nécessitent de filtrer un rayonnement électromagnétique en fonction de sa longueur d’onde, en particulier des applications d’imagerie et de spectroscopie. Pour cela, des filtres spectraux de types très variés ont été développés, dont des filtres absorbants, des filtres par dispersion du rayonnement, des filtres interférentiels, des filtres par diffraction, etc.

Parmi les filtres interférentiels, ceux dits de type Fabry-Pérot sont très utilisés. Un tel filtre est basé sur deux structures planes et parallèles, dont l’une est partiellement réfléchissante et partiellement transmissive, et forme la face d’entrée du filtre. L’autre structure plane est aussi partiellement réfléchissante et partiellement transmissive lorsque le filtre est destiné à être utilisé en transmission, ou bien est complètement réfléchissante lorsque le filtre est destiné à être utilisé en réflexion. Les deux structures planes sont continues et uniformes, c’est-à-dire invariantes par des translations quelconques parallèles à ces structures, et sont séparées par un milieu diélectrique qui est transparent pour le rayonnement à filtrer. Chaque structure plane peut être une couche mince métallique, ou un empilement approprié de plusieurs couches minces de matériaux diélectriques, alternativement à haut indice et à bas indice de réfraction. De façon connue, un tel filtre spectral présente des résonances pour des valeurs particulières de la longueur d’onde du rayonnement à filtrer, qui dépendent principalement de l’épaisseur du milieu diélectrique, et de son indice de réfraction. Le facteur de qualité d’un tel filtre de Fabry-Pérot, ainsi que son taux de réjection en dehors de chaque résonance, sont déterminés par le niveau de réflexion des structures planes, et au-delà par leur niveau d’absorption qui réduit leur efficacité de réflexion : plus les structures planes qui limitent un filtre de type Fabry-Pérot sont absorbantes, moins élevés sont le facteur de qualité et le taux de réjection de ce filtre. Pour cette raison, les filtres de type Fabry-Pérot dont les structures réfléchissantes sont constituées

-2d’empilements de couches minces de matériaux diélectriques sont plus performants que ceux à base de couches réfléchissantes qui sont métalliques. Mais leur fabrication est plus longue, plus complexe et plus onéreuse à cause du nombre de couches à déposer et des vitesses de dépôt qui sont en général faibles pour les matériaux diélectriques.

Les filtres par diffraction les plus simples sont chacun basés sur la mise en œuvre d’un réseau diffractant. Un tel réseau, qui peut être conçu pour former un filtre efficace en transmission ou en réflexion selon la constitution du réseau, comporte un motif qui est répété périodiquement un grand nombre de fois. En général, et notamment lorsque le réseau est destiné à être utilisé en incidence normale pour le rayonnement à filtrer, la période spatiale qui résulte de la répétition du motif est plus grande qu’une borne supérieure d’un intervalle spectral du rayonnement à filtrer, exprimé en valeurs de longueur d’onde. Pour les réseaux diffractants les plus simples, le trajet optique du rayonnement filtré n’est pas rectiligne au niveau du réseau, ce qui rend leur mise en œuvre plus complexe ou incompatible avec certaines applications, notamment certaines applications au sein d’objectifs imageurs.

A partir de cette situation, il existe un besoin pour des filtres spectraux de rayonnement électromagnétique qui présentent des valeurs de facteur de qualité et/ou de taux de réjection qui sont encore améliorées par rapport à des filtres existants.

Un but annexe de l’invention est de fournir de tels filtres améliorés qui soient faciles à fabriquer, faciles à mettre en œuvre et dont le coût de fabrication est réduit.

Enfin, un autre but annexe de l’invention est de fournir de tels filtres améliorés pour lesquels la valeur de résonance qui est effective pour la longueur d’onde du rayonnement à filtrer puisse être variée simplement lors de la fabrication du filtre, sans provoquer de surcoût important.

Pour atteindre l’un au moins de ces buts ou d’autres, un premier aspect de l’invention propose un filtre spectral pour rayonnement électromagnétique qui comprend :

- une première couche métallique, qui est partiellement réfléchissante et partiellement transmissive pour un rayonnement à filtrer en fonction d’une longueur d’onde de ce rayonnement ;

- une seconde couche métallique, qui est parallèle à la première couche métallique et au moins partiellement réfléchissante pour le rayonnement à filtrer ; et

- un milieu diélectrique, qui est transparent pour le rayonnement à filtrer et intermédiaire entre les première et seconde couches métalliques.

Un tel filtre est destiné à être utilisé en transmission ou en réflexion lorsque le rayonnement à filtrer est incident sur la première couche métallique.

Ce filtre présente une résonance lorsqu’une longueur d’onde du rayonnement à filtrer est égale à une valeur de résonance À_r qui est déterminée par des caractéristiques géométriques du filtre et des caractéristiques de ses matériaux. Cette résonance est due à la formation, lorsque le rayonnement à filtrer est incident sur la première couche métallique, d’au moins une onde dans le milieu diélectrique qui est stationnaire selon une direction perpendiculaire aux couches métalliques. Autrement dit, un filtre tel que proposé par l’invention possède un principe de fonctionnement de type Fabry-Pérot. La direction de propagation du rayonnement filtré est donc colinéaire avec celle du rayonnement incident, ce qui facilite l’intégration du filtre dans de nombreux instruments optiques, notamment dans des objectifs imageurs.

En outre, l’une au moins des couches métalliques du filtre, dite couche métallique micro-structurée, présente au moins une zone dans laquelle une valeur d’épaisseur de cette couche métallique micro-structurée est réduite en comparaison avec la même couche métallique micro-structurée en dehors de chaque zone. Pour cela, l’épaisseur de couche est mesurée perpendiculairement aux couches métalliques. Possiblement, l’épaisseur de la couche micro-structurée peut être nulle dans certaines au moins des zones de cette couche où son épaisseur est réduite selon l’invention. Dans ce cas, chaque zone dans laquelle l’épaisseur de la couche micro-structurée est nulle constitue une ouverture à travers cette couche. Possiblement encore, chaque couche micro-structurée peut avoir certaines de ses zones à épaisseur réduite

-4où cette épaisseur de couche est nulle, et d’autres de ses zones à épaisseur réduite où cette épaisseur réduite n’est pas nulle.

Selon l’invention, au moins une dimension de chaque zone de la couche métallique micro-structurée, lorsque cette dimension est mesurée parallèlement aux couches métalliques, est inférieure à la valeur de résonance A_r qui est effective pour la longueur d’onde du rayonnement. Alors, lorsque le filtre est utilisé pour filtrer un rayonnement électromagnétique, ce rayonnement possède une partie au moins de son spectre qui correspond à des longueurs d’onde plus grandes que la (les) dimension(s) des zones de la couche métallique micro-structurée. Dans le jargon de l’Homme du métier, une telle micro-structuration est dite «sub-longueur d’onde».

Les inventeurs ont en effet observé que, pour un même matériau des couches métalliques, le filtre spectral de l’invention est plus performant qu’un filtre de Fabry-Pérot à couches métalliques qui sont invariantes par des translations quelconques parallèles à ces couches, lorsque les deux filtres - le filtre de l’invention et un filtre tel que connu avant l’invention - possèdent la même valeur de résonance λ_Γ et une même valeur de transmission ou de réflexion à la résonance, selon que le filtre est destiné à être utilisé en transmission ou en réflexion. Plus précisément, le filtre de l’invention possède une valeur de facteur de qualité et/ou une valeur de taux de réjection qui est (sont) améliorée(s) par rapport au filtre de Fabry-Pérot à couches métalliques invariantes par translations. Cette amélioration résulte de la présence des zones à épaisseur réduite ou nulle dans la couche métallique micro-structurée. Les réductions dans la quantité du matériau métallique qui résultent de ces zones à épaisseur réduite ou nulle engendrent une réduction de l’absorption par le métal de l’énergie du rayonnement à filtrer. Cette réduction d’absorption est à l’origine de l’amélioration du facteur de qualité et/ou du taux de réjection pour le filtre de l’invention.

Ces améliorations apportées par l’invention sont corrélées avec la surface de la zone ou de l’ensemble des zones à épaisseur réduite ou nulle dans chaque couche du filtre spectral qui est microstructurée. Le nombre de ces zones peut alors être quelconque, y compris une seule zone par exemple

-5en forme d’une succession de méandres dont la largeur de trace est inférieure à la valeur de résonance À_r, ou des zones multiples qui sont disjointes, dont chacune possède aussi au moins une dimension inférieure à la valeur de résonance A_r, et dont la surface totale peut être équivalente à celle d’une zone en méandres.

Dans des modes de réalisation préférés de l’invention, la ou les zone(s) à épaisseur réduite ou nulle de la couche métallique micro-structurée peut (peuvent) former un motif qui est répété périodiquement le long d’au moins une direction de répétition parallèle aux couches métalliques. Dans ce cas, une période spatiale qui est formée par la répétition du motif est de préférence aussi inférieure à la valeur de résonance A_r effective pour la longueur d’onde du rayonnement. Ainsi, aucun faisceau de rayonnement émergent à valeur d’ordre de diffraction non-nulle ne peut être produit par effet de réseau diffractant à partir d’un rayonnement à filtrer qui est envoyé sur le filtre avec une incidence normale. Une quantité de lumière parasite qui pourrait être gênante pour certaines applications du filtre est évitée de cette façon.

Dans des premiers modes de réalisation préférés de l’invention, à motif qui est répété périodiquement, la couche métallique micro-structurée peut comprendre des bandes métalliques rectilignes qui ont des largeurs identiques, et qui sont séparées par des intervalles dépourvus de matériau métallique. Ces intervalles, qui forment les zones de la couche métallique micro-structurée, sont identiques pour des paires quelconques de bandes voisines à l’intérieur de la couche. De tels modes de réalisation peuvent être simples à concevoir et à fabriquer, notamment en utilisant des procédés lithographiques et des procédés de gravure qui sont très connus dans le domaine technique de la fabrication de circuits électroniques intégrés.

Dans d’autres modes de réalisation, le motif peut être bidimensionnel et répété périodiquement le long de deux directions de répétition qui sont perpendiculaires entre elles et parallèles aux couches métalliques.

De façon générale pour l’invention, la ou les zone(s) à épaisseur réduite ou nulle de chaque couche micro-structurée peut (peuvent) être telle(s) qu’en incidence normale du rayonnement à filtrer sur la première couche

-6métallique, un coefficient de transmission ou de réflexion spectrale du filtre, qui est effectif pour le rayonnement transmis ou réfléchi, respectivement, soit identique pour deux polarisations du rayonnement à filtrer qui sont orthogonales entre elles. Le filtre possède ainsi une réponse spectrale qui est indépendante d’un état de polarisation du rayonnement à filtrer, en incidence normale.

Encore de façon générale pour l’invention, un matériau du milieu diélectrique peut présenter des variations qui sont alignées avec des bords de la (des) zone(s) à épaisseur réduite ou nulle de la couche métallique microstructurée, selon une direction d’alignement qui est perpendiculaire aux couches métalliques. De telles variations pour le milieu diélectrique procurent un degré de liberté supplémentaire pour ajuster la valeur de résonance À_r, tout en gardant un procédé de fabrication pour le filtre qui peut être simple. En effet, la couche métallique micro-structurée ou une partie de base de cette couche peut être utilisée comme masque de gravure pour remplacer localement un matériau initial du milieu diélectrique par un autre matériau. Un tel mode d’ajustement de la valeur de résonance λ_Γ, par modification locale du matériau du milieu diélectrique, peut en outre être combiné avec une variation de la valeur de résonance λ_Γ qui résulte d’une sélection appropriée des dimensions des zones à épaisseur réduite ou nulle de la couche micro-structurée.

Enfin, la (les) zone(s) à épaisseur réduite ou nulle de la couche métallique micro-structurée, notamment au moins une dimension de cette (ces) zone(s), peut (peuvent) être variée(s) entre des régions différentes du filtre, qui sont décalées sans recouvrement les unes par rapport aux autres parallèlement aux couches métalliques, de sorte que la valeur de résonance λ_Γsoit constante à l’intérieur de chaque région mais varie entre au moins deux des régions. Le filtre spectral à régions qui est ainsi obtenu peut être fabriqué sans augmenter le nombre d’étapes de sa fabrication, seulement en utilisant un masque de lithographie qui est adapté par région du filtre. Un tel filtre procure alors plusieurs valeurs de résonance λ_Γ qui sont différentes, tout en ne formant qu’un seul composant optique. Son assemblage dans un instrument d’utilisation à plusieurs voies optiques, par exemple un instrument d’imagerie multispectrale ou de spectroscopie, reste donc simple.

-7Enfin, de façon générale, un matériau de chaque couche métallique peut comprendre au moins un métal qui est sélectionné parmi l’or, l’aluminium, le cuivre, l’argent, le platine, le rhodium, le titane, le zirconium, le chrome, le tungstène, ou peut comprendre du nitrure de titane ou du nitrure de zirconium. En particulier, le matériau de chaque couche métallique peut comprendre un alliage à base de l’un au moins des métaux ou nitrures qui viennent d’être cités, et/ou être différent ou non du matériau de l’autre couche métallique. Ces métaux ou nitrures possèdent des valeurs de conductivité électrique qui sont élevées, et réduisent de ce fait l’absorption du rayonnement par les couches métalliques. Ils contribuent ainsi à augmenter dans une mesure supplémentaire le facteur de qualité et/ou le taux de réjection du filtre.

Selon une configuration qui est possible pour un filtre spectral conforme à l’invention, le filtre peut comprendre en outre un support à face plane qui est transparent dans un intervalle spectral s’étendant de part et d’autre de la valeur de résonance λ_Γ. Alors, la seconde couche métallique, le milieu diélectrique et la première couche métallique forment un empilement sur la face plane du support.

Selon une autre configuration aussi possible, le milieu diélectrique peut être constitué par un film autosupporté à deux faces parallèles et opposées, notamment par un film de matériau organique. Alors les première et seconde couches métalliques peuvent être portées une-à-une par les deux faces du film autosupporté.

Un second aspect de l’invention propose un procédé de filtrage spectral d’un rayonnement électromagnétique, qui est mis en œuvre en utilisant au moins un filtre spectral conforme au premier aspect de l’invention. Pour cela, le rayonnement à filtrer possède des valeurs de longueur d’onde qui sont supérieures à la dimension de chaque zone à épaisseur réduite ou nulle de la (des) couche(s) métallique(s) du filtre qui est (sont) micro-structurée(s). Pour produire un filtrage effectif, l’intervalle d’extension spectrale du rayonnement à filtrer contient la valeur de résonance λ_Γ du filtre, lorsque cet intervalle est exprimé en valeurs de longueur d’onde.

-8Un tel procédé peut notamment être mis en œuvre pour une application sélectionnée parmi une acquisition d’image monochromatique ou multispectrale, une analyse spectroscopique, une émission sélective de rayonnement qui est produite par un chauffage du filtre, etc.

Lorsque le filtre spectral comporte un motif qui est répété selon une période spatiale plus petite que la valeur de résonance À_r du filtre, les valeurs de longueur d’onde du rayonnement à filtrer sont de préférence supérieures aussi à cette période spatiale.

D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en perspective d’un filtre spectral de rayonnement électromagnétique conforme à la présente invention ;

- la figure 2 est un diagramme qui compare des caractéristiques spectrales de réflectivité d’un filtre conforme à la figure 1 et d’un filtre connu de l’art antérieur, pour une incidence normale du rayonnement à filtrer ;

- la figure 3 est un autre diagramme qui montre des variations d’une valeur de résonance d’un filtre conforme à la figure 1, lorsqu’une dimension d’ouvertures de couche métallique est variée ;

- la figure 4 est encore un autre diagramme, qui montre des variations de la valeur de résonance d’un filtre conforme à la figure 1 lorsqu’une période spatiale des ouvertures de couche métallique est variée ; et

- les figures 5 à 7 correspondent à la figure 1 pour trois autres modes de réalisation de l’invention.

Pour raison de clarté, les dimensions des éléments qui sont représentés dans les figures 1 et 5-7 ne correspondent ni à des dimensions réelles ni à des rapports de dimensions réels. En outre, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques.

La référence 10 désigne de façon générale un filtre spectral conforme

-9à l’invention, et les références 1 et 2 désignent deux couches métalliques de ce filtre, qui sont parallèles et espacées l’une de l’autre d’une distance intermédiaire notée h. Chacune de ces deux couches possède une épaisseur : ei pour la couche métallique 1 et e₂ pour la couche métallique 2, qui peuvent être égales ou différentes. L’intervalle qui est intermédiaire entre les deux couches métalliques 1 et 2 est rempli par un milieu diélectrique 3, qui est supposé homogène dans un premier temps. Ce milieu diélectrique 3 est caractérisé par une valeur d’indice de réfraction optique n, qui peut être supposée constante sur un domaine spectral d’utilisation du filtre 10, mais non nécessairement. Des modifications de la description qui suit, qui seraient dues à des variations spectrales de cette valeur n, par rapport au cas où cette valeur n est sensiblement constante sur le domaine spectral d’utilisation du filtre, sont bien connues de l’Homme du métier, si bien qu’elles ne seront pas décrites à nouveau ici. Par exemple, le filtre 10 peut être prévu pour un domaine spectral d’utilisation qui est compris entre 0,75 pm (micromètre) et 4,0 pm, en valeurs de longueur d’onde. De façon générale, le domaine spectral d’utilisation est prescrit pour chaque filtre dans une notice de ce filtre.

A titre d’exemples, les couches métalliques 1 et 2 peuvent être en or (Au), et le milieu diélectrique 3 peut être en silice (SiO₂), en sulfure de zinc (ZnS), en poly-méthacrylate de méthyle (PMMA), ou à base de polyimide tel que le matériau Kapton® de Dupont de Nemours, ou encore en une résine de type epoxy, par exemple telle que désignée par SU8.

L’épaisseur de la couche métallique 1 est telle que cette couche soit partiellement réfléchissante et partiellement transmissive pour un rayonnement électromagnétique quelconque dans le domaine spectral d’utilisation du filtre 10. Par exemple, l’épaisseur ei peut être comprise entre 5 nm (nanomètre) et 60 nm lorsque la couche 1 est en or.

Dans des premiers types de réalisation de l’invention, l’épaisseur e₂ de la couche métallique 2 peut être telle que cette couche 2 soit aussi partiellement réfléchissante et partiellement transmissive dans le domaine spectral d’utilisation du filtre 10. Dans ce cas, l’épaisseur e₂ peut aussi être comprise entre 5 nm et 60 nm lorsque la couche 2 est en or. De façon connue,

- 10les deux couches métalliques 1 et 2 forment alors, avec le milieu diélectrique 3, un filtre de Fabry-Pérot qui est efficace en transmission : la couche 1 forme la face d’entrée du rayonnement à filtrer, et la couche 2 forme la face de sortie du rayonnement filtré. Un tel filtre spectral à utiliser en transmission présente des résonances lorsque le rayonnement à filtrer, quand il est dirigé sur la couche 1 avec une incidence normale, possède une longueur d’onde qui est égale à A_r = 4 k n h, où k est un entier naturel non nul qui identifie des résonances successives apparaissant pour des valeurs croissantes de longueur d’onde du rayonnement à filtrer.

Dans des seconds types de réalisation de l’invention, l’épaisseur e₂ de la couche métallique 2 peut être telle que cette couche 2 soit réfléchissante avec une transmission du rayonnement qui est nulle à travers elle. Dans cet autre cas, l’épaisseur e₂ est supérieure à 60 nm si la couche 2 est en or. Alors, de façon encore connue, les deux couches métalliques 1 et 2 forment, avec le milieu diélectrique 3, un filtre de Fabry-Pérot qui est efficace en réflexion : la couche 1 forme à la fois la face d’entrée du rayonnement à filtrer, et la face de sortie du rayonnement filtré. Un tel autre filtre à utiliser en réflexion présente des résonances lorsque le rayonnement à filtrer, quand il est dirigé sur la couche 1 avec une incidence normale, possède une longueur d’onde qui est égale à λ_Γ = 2 k’ n h, où k’ est aussi un entier naturel non nul pour identifier les résonances qui apparaissent successivement lorsque la longueur d’onde du rayonnement à filtrer croît.

De façon encore connue, les résonances qui viennent d’être rappelées pour les deux cas de filtrage de type Fabry-Pérot en transmission et en réflexion, sont dues à des structures d’onde stationnaire qui sont produites par le rayonnement à filtrer dans le milieu diélectrique 3, selon la direction z. Comme indiqué sur les figures 1 et 5-7, z désigne la direction qui est perpendiculaire aux couches 1 et 2. Les expressions des valeurs de résonance À_r qui viennent d’être rappelées sont des approximations qui ne tiennent pas compte des épaisseurs ei et e₂ des deux couches métalliques 1 et 2, mais l’Homme du métier connaît des expressions plus précises pour ces valeurs de résonance λ_Γ qui prennent en compte ces épaisseurs.

-11 Dans les réalisations de filtres de Fabry-Pérot connues avant la présente invention, les couches métalliques 1 et 2 sont continues et homogènes, en étant invariantes chacune par des translations quelconques qui sont parallèles à ces couches, c’est-à-dire parallèles aux directions x et y telles qu’indiquées sur les figures. Contrairement à ces réalisations connues, la présente invention propose des filtres 10 de type Fabry-Pérot pour lesquels l’une au moins des deux couches métalliques 1 et 2 est micro-structurée, avec au moins une dimension de micro-structuration, mesurée parallèlement au plan x-y, qui est plus petite qu’une borne inférieure du domaine spectral d’utilisation du filtre, ou plus petite qu’une borne inférieure d’une partie de ce domaine spectral qui est utile pour l’application de filtrage envisagée. En particulier, la dimension de micro-structuration est plus petite que certaines au moins des valeurs de résonance λ_Γ de ce filtre. Dans la suite, on ne considérera que la valeur de résonance qui correspond à k=1 ou k’=1, selon que le filtre 10 est destiné à être utilisé en transmission ou en réflexion.

Selon des premiers modes de réalisation d’un filtre spectral 10 qui est conforme à l’invention, tel que représenté sur la figure 1, l’une au moins des couches métalliques 1 et 2, par exemple la couche 1, peut être constituée de bandes métalliques rectilignes et parallèles qui ont des largeurs identiques. Ces bandes sont séparées par des intervalles 4 qui sont dépourvus de matériau métallique, et qui ont des largeurs identiques entre des paires différentes de bandes voisines. Ces intervalles correspondent aux zones à épaisseur réduite qui ont été mentionnées dans la partie générale de la présente description. Etant donné que dans le cas présent, l’épaisseur de la couche micro-structurée 1 est nulle dans chaque intervalle 4 entre deux bandes métalliques voisines, chaque intervalle 4 constitue une ouverture à travers la couche 1. Les références 1a, 1b et 1c désignent trois bandes métalliques successives de la couche 1, Λ désigne la période spatiale du motif de micro-structuration ainsi formé, et w désigne la largeur des intervalles 4 de séparation entre bandes métalliques voisines, qui est aussi appelée distance inter-bande w. Conformément à l’invention, la distance inter-bande w, et de préférence aussi la période spatiale Λ, est (sont) inférieure(s) à la valeur de résonance À_r du filtre 10. Ainsi, lorsque le filtre 10 est destiné à être utilisé en

- 12réflexion, la période Λ peut être inférieure à la valeur de résonance A_r = 2-nh, où h désigne encore l’épaisseur du milieu diélectrique 3. Tel est le cas, notamment, pour un mode de réalisation dans lequel h = 1,2pm, n = 1,4 lorsque le milieu diélectrique 3 est constitué de silice, w = 0,55 pm, Λ = 2,1 pm, ei = 50 nm, et e₂ = 80 nm correspondant à un filtre 10 à utiliser en réflexion. En effet, dans ces conditions, λ_Γ = 3,613 pm pour l’entier naturel k’ égal à 1.

Le diagramme de la figure 2 compare le profil de résonance en incidence normale qui est obtenu pour ce filtre 10, correspondant aux valeurs numériques qui viennent d’être citées, avec celui d’un filtre de Fabry-Pérot tel que connu antérieurement, c’est-à-dire à couches métalliques continues et uniformes. Pour cela, le filtre de Fabry-Pérot tel que connu antérieurement, appelé filtre de référence, est paramétré pour présenter une valeur résonance A_r qui est identique à celle du filtre 10 de l’invention, ainsi qu’une valeur de réflectivité résiduelle lorsque la longueur d’onde du rayonnement à filtrer est égale à A_r, qui est identique de même à celle du filtre 10. Ainsi, le filtre de référence possède les valeurs de paramètres suivantes : h = 1,191 pm, n = 1,4 correspondant à un milieu diélectrique qui est encore constitué de silice, et les deux couches métalliques étant encore en or avec ei = 41 nm et e₂ = 80 nm, correspondant donc aussi à A_r = 3,613 pm.

Comme le montre le diagramme de réflectivité spectrale de la figure 2, la largeur de résonance autour de la valeur A_r, en fonction de la longueur d’onde du rayonnement à filtrer qui est repérée en abscisse, est plus faible pour le filtre 10 de l’invention que pour le filtre de référence. Cela correspond à un facteur de qualité Q qui est supérieur, lorsqu’il est défini par Q = A_r/5A, où δλ désigne la largeur de résonance à mi-hauteur. Pour les deux filtres du diagramme de la figure 2 : Q = 90,32 pour le filtre 10 de l’invention, et Q = 35,1 pour le filtre de référence. En outre, le taux de réjection du filtre 10 de l’invention, c’est-à-dire la valeur de réflectivité du filtre 10 en dehors de la résonance, est en moyenne supérieur de 0,05 environ au taux de réjection du filtre de référence. Dans le cadre de l’invention, le taux de réjection peut être défini comme la valeur moyenne de réflectivité qui est produite par un filtre sur la bande spectrale d’intérêt lorsque la longueur d’onde du rayonnement est inférieure à 1 - 3/Q fois la valeur de résonance A_r ou supérieure à 1 + 3/Q fois

-13cette valeur de résonance A_r, pour la résonance considérée (k’=1 pour la figure 2).

Le diagramme de la figure 3 montre des variations de la valeur de résonance À_r qui résultent de modifications de la distance inter-bande w, lorsque tous les autres paramètres du filtre 10 de la figure 1 restent identiques aux valeurs citées plus haut. En particulier, la période spatiale Λ est constante et égale à 2,1 pm. L’axe horizontal du diagramme repère les valeurs de la distance inter-bande w, entre 0,1 pm et 2,3 pm environ. Pour des valeurs de w qui sont proches de 0, la valeur de résonance λ_Γ correspond à la formule de Fabry-Pérot pour des couches métalliques continues et uniformes, en prenant en compte un effet des épaisseurs ei et β2 des couches métalliques 1 et 2. Toutefois, le facteur de qualité Q est bas lorsque la distance inter-bande w est inférieure à 0,4 pm, à cause d’une quantité de métal trop importante qui provoque un niveau élevé d’absorption du rayonnement. La valeur de résonance À_r est une fonction croissante de la distance inter-bande w. Cette variation de la valeur de résonance A_r en fonction de la distance inter-bande w, notamment pour λ_Γ comprise entre 3,58 pm et 3,68 pm dans les conditions de ce diagramme, pourra être utilisée pour produire des filtres à régions comme décrit plus loin en référence à la figure 7. Lorsque la distance inter-bande w est supérieure à 0,8 pm environ, le facteur de qualité Q devient à nouveau faible, notamment à cause d’un pouvoir de réflexion de la couche métallique 1 qui est trop faible.

Le diagramme de la figure 4 montre des variations de la valeur de résonance λ_Γ qui résultent de modifications de la période spatiale A, lorsque tous les autres paramètres du filtre 10 de la figure 1 restent identiques aux valeurs citées plus haut. En particulier, la distance inter-bande w est constante et égale à 0,55 pm. Lorsque la période spatiale Λ augmente, la valeur de résonance λ_Γ décroît en direction du résultat de la formule de Fabry-Pérot pour des couches métalliques qui sont continues et uniformes. Toutefois, le facteur de qualité Q du filtre 10 présente des valeurs qui sont basses, inférieures à 40, lorsque la période spatiale A est inférieure à 1,2 pm, alors qu’il est très élevé, supérieur à 90, lorsque la période A est comprise entre 1,5 pm et 3 pm,

- 14conformément à l’invention.

La figure 5 montre un autre mode de réalisation d’un filtre spectral 10 conforme à l’invention, qui est obtenu à partir de celui de la figure 1 en appliquant le motif périodique à bandes métalliques rectilignes d’une même façon selon les deux directions x et y. La référence 1x désigne des bandes qui sont parallèles à la direction x, et la référence 1y désigne des bandes qui sont parallèles à la direction y, similaires aux bandes 1a, 1b et 1c du mode de réalisation de la figure 1. Ainsi, la distance inter-bande w et la période spatiale A apparaissent selon les deux directions x et y. La micro-structuration de la couche métallique 1 qui est ainsi obtenue est constituée d’ouvertures carrées 4 qui sont réparties régulièrement et identiquement selon les deux directions x et y. Un avantage d’un tel mode de réalisation, pour lequel la micro-structuration présente des caractéristiques qui sont identiques entre les deux directions x et y, est que la réflectivité du filtre 10 en incidence normale, et donc son efficacité de filtrage, est indépendante de la polarisation du rayonnement incident. Lorsque les valeurs numériques du mode de réalisation de la figure 1 sont reprises pour l’épaisseur h du milieu diélectrique 3, la distance inter-bande w, la période spatiale A, et les épaisseurs ei et e₂ des couches métalliques 1 et 2, la valeur de résonance À_r est de nouveau supérieure à la distance inter-bande w et à la période spatiale A. Le filtre 10 de la figure 5 possède donc encore un domaine spectral d’utilisation, exprimé en valeurs de longueur d’onde du rayonnement à filtrer, dont la borne inférieure est plus grande que la distance inter-bande w et que la période spatiale A.

La figure 6 montre encore un autre mode de réalisation d’un filtre spectral 10 conforme à l’invention, qui est obtenu à partir de celui de la figure 5 en utilisant des ouvertures 4 de formes variées pour constituer la microstructuration de la couche métallique 1. Comme représenté, ces ouvertures 4 peuvent chacune avoir des dimensions qui sont différentes entre les deux directions x et y, notamment lorsqu’elles sont allongées. Certaines au moins des ouvertures 4 peuvent aussi avoir des formes qui sont symétriques entre les deux directions x et y, telles que des ouvertures 4 en forme de croix ou de d’équerre, quelles que soient l’orientation de ces formes d’ouvertures. Un

- 15avantage de telles ouvertures qui sont symétriques entre les deux directions x et y est de contribuer à des performances de filtrage qui sont indépendantes de la polarisation du rayonnement à filtrer. Toutefois, il est aussi possible d’obtenir un filtre 10 dont l’efficacité de filtrage est indépendante de la polarisation du rayonnement à filtrer en utilisant des ouvertures 4 qui ne sont pas individuellement symétriques entre les deux directions x et y, mais dont les densités locales de répartition dans la couche métallique 1 sont égales. Dans ce cas, la sensibilité du filtre 10 à des états complémentaires de polarisation du rayonnement à filtrer est recouvrée par effet de moyenne locale dans la surface du filtre. Toujours selon l’invention, chaque ouverture 4 d’un mode de réalisation conforme à la figure 6 possède au moins une dimension w dans le plan x-y qui est inférieure à la valeur de résonance λ_Γ du filtre 10. En outre, une distance moyenne de séparation qui existe entre des centres respectifs d’ouvertures 4 qui sont voisines, prises par paires, est de préférence aussi inférieure à la valeur de résonance λ_Γ. Une telle distance moyenne de séparation entre ouvertures possède une fonction qui est similaire à la période spatiale A des modes de réalisation des figures 1 et 5.

Des filtres spectraux qui sont conformes à l’invention, notamment conformes aux figures 1,5 et 6, peuvent être fabriqués à faible coût en utilisant certaines techniques connues de gravure sélective, notamment de telles techniques qui ont été développées pour la fabrication de circuits électroniques intégrés. Par exemple, la couche métallique 2, continue et uniforme, peut être déposée sur une face plane S d’un support 5 qui est transparent pour le rayonnement à filtrer. Un tel support est représenté sur la figure 7. Une couche continue et uniforme d’un matériau du milieu diélectrique 3 peut ensuite être déposée par-dessus la couche métallique 2, et enfin la couche métallique 1 par-dessus la couche du milieu diélectrique 3. La couche métallique 1 est déposée sous forme d’une couche qui est aussi continue et uniforme. Pour les trois couches, les procédés de dépôt de matériaux qui sont mis en œuvre peuvent être sélectionnés en fonction de chaque matériau à déposer et de l’épaisseur voulue. Par exemple, des dépôts par pulvérisation cathodique sous vide peuvent être utilisés pour les couches métalliques 1 et 2, et un dépôt chimique en phase valeur assisté par plasma, connu sous l’acronyme PECVD

- 16pour «plasma-enhanced chemical vapour déposition» en anglais, peut être utilisé pour de la silice en tant que matériau du milieu diélectrique 3. Alternativement, lorsque le milieu diélectrique 3 est en résine, un procédé d’application qui est approprié en fonction de la nature de la résine peut être utilisé.

Une technique de photolithographie peut ensuite être mise en œuvre pour former, sur la couche métallique 1, un masque qui présente des ouvertures correspondant à celles voulues pour cette couche 1. La couche métallique 1 est alors gravée à travers les ouvertures du masque pour former les ouvertures 4 (figures 1 et 5-7). Un procédé de gravure chimique, par exemple avec de l’eau régale, ou un procédé de gravure sèche, c’est-à-dire en utilisant un plasma de gravure, peut être utilisé pour cela, en fonction du métal qui constitue la couche 1. Un filtre 10 qui est conforme à l’invention est ainsi obtenu, avec un nombre d’étapes successives pour sa fabrication qui est réduit.

Selon un premier perfectionnement de l’invention, optionnel, une dimension des ouvertures 4 qui sont formées dans la couche métallique 1, par exemple la distance inter-bande w pour des modes de réalisation conformes à la figure 1, peut être variée entre des régions différentes du filtre spectral 10. La figure 7 montre une première valeur Wi pour la distance inter-bande qui est utilisée dans la région Ri du filtre 10, et une seconde valeur w₂, plus petite que Wi, qui est utilisée pour la distance inter-bande dans la région R₂, voisine de la région Ri. Une variation de la valeur de résonance λ_Γ entre ces deux régions du filtre 10 en résulte, notamment d’après le diagramme de la figure 3 lorsque la période spatiale A est la même dans les deux régions Ri et R₂. Une telle variation de dimension pour les ouvertures 4 de la couche métallique 1 peut être réalisée en adaptant le masque de photolithographie qui est utilisé pour définir ces ouvertures. Aucune étape supplémentaire dans le procédé de fabrication du filtre 10 n’est donc nécessaire. Le filtre obtenu, avec des valeurs de résonance A_r qui sont différentes entre des régions différentes du filtre, peut être utilisé dans un instrument d’imagerie multispectrale ou de spectroscopie. Il définit alors simultanément les fenêtres spectrales de sensibilité pour plusieurs voies optiques d’acquisition qui sont juxtaposées en parallèle dans l’instrument.

- 17La fenêtre spectrale de chaque voie d’acquisition peut ainsi être définie avec précision tout en étant très fine et proche spectralement des fenêtres des autres voies. En outre, le filtre peut être assemblé dans l’appareil en une seule opération de montage, commune pour toutes les voies. L’assemblage de l’appareil peut ainsi être plus rapide que si des filtres indépendants étaient utilisés pour toutes les voies.

Selon un second perfectionnement de l’invention, qui est aussi optionnel, le milieu diélectrique 3 peut être varié entre des zones 3b du filtre spectral 10 qui sont exposées à travers les ouvertures 4 de la couche métallique 1, et des zones complémentaires 3a du filtre 10 qui sont recouvertes par la couche métallique 1 entre les ouvertures 4. Par exemple, le milieu diélectrique 3 peut être de la silice (SiO₂) dans les zones 3a, et un oxy-nitrure de silicium (SiO_xN_y) dans les zones 3b. Alors, par effet de champ moyen, un tel milieu diélectrique 3 qui est composite apparaît dans le fonctionnement du filtre 10 comme un milieu dont la valeur effective d’indice de réfraction est intermédiaire entre les valeurs respectives d’indice de réfraction des deux matériaux qui constituent ce milieu 3 : la valeur d’indice de réfraction de la silice dans les zones 3a, et celle de l’oxy-nitrure de silicium dans les zones 3b, pour l’exemple considéré.

Le mode de réalisation de l’invention qui est représenté en figure 7 combine les deux perfectionnements qui viennent d’être cités. La différence de valeur de résonance À_r qui est ainsi obtenue, entre les deux régions Ri et R₂, résulte de deux contributions qui sont combinées. La première contribution correspond au diagramme de la figure 3, comme déjà mentionné, et la seconde contribution est produite par la variation de proportion entre les deux matériaux constitutifs du milieu diélectrique 3, qui existe entre les régions Ri et R₂. La combinaison des deux contributions permet d’obtenir des valeurs de résonance A_r qui présentent un écart supérieur entre elles.

De nombreuses modifications peuvent être introduites par rapport aux filtres conformes à l’invention qui viennent d’être décrits en référence aux figures, tout en conservant certains au moins des avantages cités. Parmi ces modifications, les suivantes sont mentionnées de façon non-limitative :

- le filtre spectral 10 peut être conçu pour être utilisé en transmission, au lieu d’un filtre à utiliser en réflexion. Pour un filtre efficace en transmission, la couche métallique 2 possède une épaisseur β2 qui est réduite, par exemple identique à l’épaisseur e-ι de la couche métallique 1, afin de produire une transmission résiduelle de rayonnement qui n’est pas nulle ;

- dans le cas d’un filtre spectral par transmission, les deux couches métalliques 1 et 2 peuvent présenter chacune des ouvertures, ces ouvertures pouvant être identiques ou non entre les deux couches, et alignées ou non selon la direction z qui est perpendiculaire aux couches 1 et 2 ;

- les deux couches métalliques 1 et 2 peuvent être formées sur les deux faces opposées d’un film autosupporté d’épaisseur uniforme, par exemple un film de polyimide de type Kapton®. Le filtre spectral 10 qui est ainsi obtenu est particulièrement léger et rapide à fabriquer, puisque la synthèse du milieu diélectrique 3 par un procédé de dépôt de matériau n’est plus nécessaire ;

- les deux perfectionnements qui sont combinés dans le mode de réalisation de la figure 7 peuvent chacun être mis en œuvre sans l’autre perfectionnement ;

- lorsque l’une des deux couches métalliques 1 et 2 possède des ouvertures 4 conformément à l’invention, il est possible de déposer sur cette couche métallique, dite alors couche métallique de base, une surcouche métallique conforme. La surcouche métallique conforme recouvre avec une épaisseur additionnelle de métal qui est constante le milieu diélectrique 3 dans les ouvertures 4 et la couche métallique de base entre les ouvertures 4. Alors la couche métallique de base et la surcouche métallique conforme constituent ensemble la couche métallique 1 ou 2 au sens de l’invention. La couche métallique résultante, ou composite, possède ainsi une valeur d’épaisseur qui est réduite dans les zones qui correspondent aux ouvertures 4 de la couche métallique de base, en comparaison avec son épaisseur en

- 19dehors de ces zones, mais non-nulle. Un profil d’épaisseur d’une telle couche métallique composite est représenté en trait interrompu sur la figure 7, et désigné par la référence P. Un tel mode de réalisation de l’une au moins des couches métalliques 1 et 2 permet d’ajuster précisément son niveau de réflectivité ;

-enfin, toutes les valeurs numériques qui ont été citées peuvent être modifiées, notamment pour obtenir des filtres qui possèdent des valeurs différentes de résonance, ces valeurs pouvant être quelconques entre 0,5 pm et 10 pm.

Un filtre spectral conforme à l’invention peut être utilisé avantageusement pour de nombreuses applications, parmi lesquelles l’acquisition d’images monochromatiques ou multispectrales, et l’analyse spectroscopique. De telles applications sont très connues, si bien qu’il n’est pas nécessaire de les décrire à nouveau ici.

Un autre type d’applications peut être le contrôle spectral d’une émission radiative thermique. Pour cela, un filtre spectral qui est conforme à l’invention, ou une portion de matériau sur laquelle le filtre est appliqué, est chauffé(e), par exemple au moyen d’une résistance électrique qui est insérée dans la portion de matériau. L’émission thermique de rayonnement qui est provoquée par le chauffage, est alors concentrée dans l’intervalle spectral où la réflectivité du filtre est la plus faible, c’est-à-dire autour de chaque valeur de résonance λ_Γ.

Claims

1. Filtre spectral (10) pour rayonnement électromagnétique comprenant :

-une première couche métallique (1), partiellement réfléchissante et partiellement transmissive pour un rayonnement à filtrer en fonction d’une longueur d’onde dudit rayonnement ;

- une seconde couche métallique (

2), parallèle à la première couche métallique (1) et au moins partiellement réfléchissante pour le rayonnement à filtrer ; et

- un milieu diélectrique (3), transparent pour le rayonnement à filtrer et intermédiaire entre les première (1) et seconde (2) couches métalliques, le filtre (10) étant destiné à être utilisé en transmission ou en réflexion lorsque le rayonnement à filtrer est incident sur la première couche métallique (1), et le filtre (10) présentant une résonance lorsqu’une longueur d’onde du rayonnement à filtrer est égale à une valeur de résonance λ_Γ qui est déterminée par des caractéristiques géométriques du filtre et des caractéristiques de matériaux dudit filtre, ladite résonance étant relative à une formation, lorsque le rayonnement à filtrer est incident sur la première couche métallique (1), d’au moins une onde dans le milieu diélectrique qui est stationnaire selon une direction perpendiculaire aux couches métalliques (1, 2), l’une au moins (1) des couches métalliques, dite couche métallique microstructurée, présentant au moins une zone (4) dans laquelle une valeur d’épaisseur de ladite couche métallique micro-structurée est nulle ou plus petite en comparaison avec ladite couche métallique micro-structurée en dehors de ladite au moins une zone, l’épaisseur étant mesurée perpendiculairement aux couches métalliques (1, 2), le filtre (10) étant caractérisé en ce qu’au moins une dimension (w) de chaque zone (4), mesurée parallèlement aux couches métalliques (1, 2), est inférieure

-21 à la valeur de résonance λ_Γ qui est effective pour la longueur d’onde du rayonnement.

²· ^Fi|tre spectral (10) selon la revendication 1, dans lequel ladite au moins une zone (4) de la couche métallique micro-structurée (1) forme un motif qui est répété périodiquement le long d’au moins une direction (x) de répétition parallèle aux couches métalliques (1, 2).

3. Filtre spectral (10) selon la revendication 2, dans lequel une période spatiale (Λ) formée par la répétition du motif est inférieure à la valeur de résonance À_r qui est effective pour la longueur d’onde du rayonnement.

⁴· Filtre spectral (10) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel la couche métallique micro-structurée (1) comprend des bandes (1a, 1b, 1c) métalliques rectilignes qui ont des largeurs identiques, et qui sont séparées par des intervalles dépourvus de matériau métallique, lesdits intervalles formant les zones (

4) de la couche métallique micro-structurée et étant identiques pour des paires quelconques de bandes voisines à l’intérieur de ladite couche métallique micro-structurée.

5. Filtre spectral (10) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le motif est bidimensionnel et répété périodiquement le long de deux directions (x, y) de répétition qui sont perpendiculaires entre elles et parallèles aux couches métalliques (1, 2).

θ· Filtre spectral (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une zone (4) de chaque couche micro-structurée (1) est telle qu’en incidence normale du rayonnement à filtrer sur la première couche métallique (1), un coefficient de transmission ou de réflexion spectrale du filtre qui est effectif pour le rayonnement transmis ou réfléchi, respectivement, soit identique pour deux polarisations du rayonnement à filtrer qui sont orthogonales entre elles.

7- Filtre spectral (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le milieu diélectrique (3) présente des variations d’un matériau dudit milieu diélectrique qui sont alignées avec des bords de ladite au

-22moins une zone (4) de la couche métallique micro-structurée (1), selon une direction d’alignement (z) qui est perpendiculaire aux couches métalliques (1, 2).

8. Filtre spectral (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une zone (4) de la couche métallique micro-structurée (1), notamment au moins une dimension de ladite au moins une zone (w), est variée entre des régions (Ri, R₂) différentes du filtre, lesdites régions étant décalées sans recouvrement les unes par rapport aux autres parallèlement aux couches métalliques (1, 2), de sorte que la valeur de résonance λ_Γ soit constante à l’intérieur de chaque région, mais varie entre au moins deux desdites régions.

9. Filtre spectral (10) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un matériau de chaque couche métallique (1, 2) comprend au moins un métal sélectionné parmi l’or, l’aluminium, le cuivre, l’argent, le platine, le rhodium, le titane, le zirconium, le chrome, le tungstène, ou comprend du nitrure de titane ou du nitrure de zirconium.

10. Filtre spectral (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant en outre un support (5) à face plane (S) qui est transparent dans un intervalle spectral s’étendant de part et d’autre de la valeur de résonance A_r, et dans lequel la seconde couche métallique (2), le milieu diélectrique (3) et la première couche métallique (1) forment un empilement sur la face plane du support.

11. Filtre spectral (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le milieu diélectrique (3) est constitué par un film autosupporté à deux faces parallèles et opposées, et les première (1) et seconde (2) couches métalliques sont portées une-à-une par les deux faces du film autosupporté.

12. Procédé de filtrage spectral d’un rayonnement électromagnétique, mis en œuvre en utilisant au moins un filtre spectral (10) qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes, le rayonnement à filtrer

-23ayant des valeurs de longueur d’onde qui sont supérieures à la dimension de chaque zone (4) de chaque couche micro-structurée (1) du filtre, le procédé étant mis en oeuvre pour une application qui est sélectionnée parmi une acquisition d’image monochromatique ou multispectrale, une analyse 5 spectroscopique, et une émission sélective de rayonnement qui est produite par un chauffage du filtre (10).

13. Procédé selon la revendication 12, suivant lequel le filtre spectral (10) est conforme à la revendication 3, et suivant lequel les valeurs de longueur d’onde du rayonnement à filtrer sont 10 supérieures à la période spatiale (Λ) qui est formée par la répétition du motif.