FR3148646A1 - Dispositif de mesure spectrometrique infrarouge d’un faisceau lumineux polychromatique et systeme de mesure spectrometrique associe - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif de mesure spectrométrique infrarouge (20) d’un faisceau lumineux polychromatique comprend :– un capteur d’images thermiques non refroidi (10) intégrant une matrice de micro-bolomètres (19) recevant le faisceau lumineux polychromatique à travers une fenêtre optique (12), cette dernière étant conçue pour transmettre les rayonnements infrarouges dans une gamme de longueurs d’onde comprise entre 1 et 25 micromètres de sorte que les micro-bolomètres (19) fonctionnent dans une gamme de résonnance fondamentale pour capter les rayonnements infrarouges entre 7 et 20 micromètres et dans une gamme de première résonnance harmonique pour capter des rayonnements infrarouges entre 3 et 4 micromètres ;– une unité de traitement d’image (29) apte à obtenir une mesure spectrométrique dans les gammes de ladite résonnance fondamentale et ladite première résonnance harmonique à partir des images captées par le capteur d’images thermiques non refroidi (10).
Figure pour l’abrégé : Fig 5
Description
L’invention a trait au domaine de l’analyse d’un faisceau lumineux polychromatique, par exemple un faisceau ayant préalablement interagi avec un échantillon contenant un produit ou une substance, au moyen d’un dispositif de mesure spectrométrique. L’invention concerne également le système de mesure spectrométrique associé.
Au sens de l’invention, un système de mesure spectrométrique permet de déterminer la composition chimique et/ou physique d’un échantillon en décomposant les longueurs d’onde d’une source de lumière émise ou absorbée par l’échantillon.
L’invention vise plus particulièrement un dispositif de mesure spectrométrique infrarouge, c’est-à-dire un dispositif apte à analyser le spectre d’un faisceau lumineux polychromatique d’une source de lumière infrarouge.
Les domaines d’application de l’invention sont variés, par exemple le domaine de la santé, de la pharmacie, de l’analyse de gaz, de l’agriculture, de l’agroalimentaire, du tri de déchets, tels que les déchets plastiques ou textiles…
Sur la gamme complète du moyen infrarouge, c’est-à-dire entre 1 et 25 micromètres, le dispositif de mesure spectrométrique infrarouge le plus utilisé est le dispositif FT-IR, pour transformée de Fourrier infrarouge ou « Fourier Transform InfraRed » dans la littérature anglo-saxonne.
Un dispositif FT-IR intègre classiquement un interféromètre de Michelson en éclairage polychromatique, un miroir mobile, et un capteur infrarouge mono-élément refroidi. Dans un interféromètre de Michelson en éclairage polychromatique, une source lumineuse émet dans une gamme de longueurs d’onde. Cette lumière passe par un séparateur de faisceau, le miroir mobile, qui divise le faisceau en deux parties. Un échantillon est placé sur l’une des parties du faisceau de sorte que la lumière qui traverse l’échantillon subit une modification de phase et d’amplitude qui dépend des propriétés physiques ou chimiques de l’échantillon.
Ainsi, chacune des parties du faisceau traverse un chemin optique différent avant de se combiner de nouveau sur un détecteur : le capteur infrarouge mono-élément refroidi.
Un premier inconvénient de ce dispositif FT-IR provient de sa complexité, ce qui rend l’instrument couteux et peu adapté aux applications portatives.
Un deuxième inconvénient provient du déplacement du miroir mobile, qui ne permet pas de faire une mesure instantanée, en plus de poser des problèmes en termes de fiabilité.
Afin de réaliser une mesure spectrométrique instantanée, il est possible d’utiliser des dispositifs de spectrométrie qui comprennent un élément optique dispersif ainsi qu’un capteur infrarouge matriciel ou linéaire.
La spectrométrie à base de capteurs matriciels ou linéaire s’effectue généralement sur la bande SWIR, ou proche infrarouge pour « Short Wave InfraRed » dans la littérature anglo-saxonne, caractérisée par la gamme de longueurs d’onde 0.9-2.5 micromètres, ou plus restrictivement sur la gamme de longueurs d’onde 0.9-1.7 micromètres. Par exemple, la spectrométrie à base de capteurs matriciels peut utiliser des diodes InGaAs. D’autres technologies de capteurs sont aussi possibles pour réaliser des mesures spectrométriques dans la bande SWIR, par exemple une diode HgCdTe, une diode T2SL (Type-2 Super-Lattice), une diode SiGeSn, ou encore la technologie CQD (pour l’acronyme anglo-saxon « Colloidal Quantum Dots »).
La spectrométrie SWIR présente comme inconvénient le fait qu’il s’agit d’une bande où n’apparaissent qu’une partie des raies d’absorption des composés organiques accessibles aux dispositifs FT-IR, et que ce ces raies sont généralement assez peu spécifiques. Il en résulte une analyse spectrométrique dégradée. La spectrométrie SWIR présente comme autre inconvénient le fait qu’elle est sensible à certains colorants inorganiques, ce qui peut introduire des biais dans l’analyse spectrométrique. En particulier, c’est une bande très sensible au noir de carbone, dont la présence conduit à une absorption totale sur toute la bande SWIR, ce qui rend la mesure spectrométrique dans cette bande impossible.
L’analyse des échantillons colorés au noir de carbone, comme par exemple les plastiques noirs, peut se faire dans la bande MWIR, ou moyen infrarouge pour « Middle Wave InfraRed » dans la littérature anglo-saxonne, qui se caractérise par la gamme de longueurs d’onde 3-5 micromètres. Il s’agit d’une gamme de longueurs d’onde dans laquelle la signature du noir de carbone est atténuée. Dans cette bande MWIR, il est possible de mettre en œuvre des dispositifs de spectrométrie infrarouge avec des diodes HgCdTe, InSb, QWIP (pour l’acronyme anglo-saxon « Quantum Well Infrared Photodetector ») ou encore T2SL.
Un inconvénient important associé à l’utilisation de ce type de capteurs est que ces diodes nécessitent généralement l’utilisation d’un dispositif de refroidissement, tel qu’une machine à froid de Stirling. Or, l’utilisation d’un dispositif de refroidissement pose des problèmes d’intégration et de fiabilité, ce qui limite la durée de vie du dispositif de spectrométrie.
Une alternative à l’utilisation de capteurs à photodiodes est l’utilisation de capteurs thermiques, comme par exemple des capteurs pyro-électriques ou thermo-électriques. Ce type de capteurs permet de couvrir toute la bande du moyen infrarouge et peut être passif, c’est-à-dire qu’ils peuvent s’affranchir de l’utilisation d’un dispositif de refroidissement. Cependant, ils présentent classiquement une sensibilité limitée.
Une troisième famille de capteurs thermiques, les matrices de micro-bolomètres, présentent l’avantage d’avoir une excellente sensibilité et ils peuvent également être utilisés de manière passive. En outre, ces capteurs d’images thermiques non refroidis présentent aujourd’hui une maturité technologique issue du développement des imageurs thermiques.
Tel qu’illustré sur la de l’état de la technique, un capteur d’images thermiques non refroidi100se présente classiquement sous la forme d’une cavité hermétique intégrant un réseau de micro-bolomètres19. Chaque micro-bolomètre19comporte une membrane15montée en suspension sur un substrat d’embase11au moyen de clous d’ancrage14. La cavité hermétique est constituée par une fenêtre optique12 0et des parois latérales13fixées entre le substrat d’embase11et la fenêtre optique12 0.
Un micro-bolomètre19est par exemple conçu pour présenter un maximum de sensibilité sur la gamme de longueurs d’onde d’intérêt 7.5-14 micromètres, ou plus restrictivement sur la bande 8-13 micromètres, tout en étant peu sensible aux rayonnements en dehors de cette bande spectrale. Ainsi, les micro-bolomètres19sont classiquement efficaces dans la bande LWIR ou long infrarouge pour « Long Wave InfraRed » dans la littérature anglo-saxonne. Intrinsèquement, la fenêtre optique non traitée présente une transmittance plus large que la gamme de longueurs d’onde d’intérêt.
Pour améliorer les performances des micro-bolomètres19, cette fenêtre optique est traitée ou structurée au regard des micro-bolomètres19. Typiquement, cette fenêtre optique est configurée pour atténuer les longueurs d’onde comprises entre 2 et 8 micromètres, et à former un filtre anti-reflet pour les longueurs d’onde d’intérêt comprises entre 8 et 13 micromètres. Pour ce faire, la fenêtre optique12 0peut comporter un premier filtre17 0et un second filtre18 0, formés respectivement sur la face inférieure et la face supérieure de la fenêtre optique12 0.
Le document US 7,135,682 et la publication scientifique « Hyperspectral LWIR measurements with imaging diffraction grating spectrometer and uncooled thermal camera », R. Olbrycht et al., in Measurement Automation Monitoring, 2015, proposent deux dispositifs de mesure spectrométrique infrarouge utilisant un capteur d’images thermiques non refroidi.
Cependant, les capteurs d’images thermiques non refroidis étant sensibles dans la gamme LWIR, ces solutions ne permettent pas de caractériser les échantillons identifiables avec la gamme MWIR.
Pour remédier à ce problème, le document WO 2003/29769 propose d’utiliser deux spectromètres distincts avec un premier spectromètre, qui utilise une caméra InSb refroidie, fonctionnant dans la bande MWIR, et un second spectromètre, qui utilise un capteur d’images thermiques non refroidi fonctionnant dans la bande LWIR.
Cependant, comme pour le dispositif FT-IR, cette solution est complexe car elle nécessite deux capteurs, dont un capteur refroidi. Ainsi, cette solution est également couteuse et peu adaptée aux applications portatives.
Le problème technique de l’invention est donc de proposer un dispositif de mesure spectrométrique infrarouge, sans élément mobile, et capable de caractériser simplement des échantillons dans la bande MWIR et dans la bande LWIR.
L’invention propose de répondre à ce problème technique en utilisant un capteur d’images thermiques non refroidi comportant une fenêtre optique conçue pour transmettre les rayonnements infrarouges dans une gamme de longueurs d’onde comprises entre 1 et 25 micromètres. Avec cette fenêtre optique particulièrement large bande, les micro-bolomètres fonctionnent dans une gamme de résonnance fondamentale pour capter les rayonnements infrarouges entre 7 et 20 micromètres et dans une gamme de première résonnance harmonique pour capter des rayonnements infrarouges entre 3 et 4 micromètres. Ainsi, l’invention ne permet pas de capter toutes les signatures présentent dans la bande MWIR entre 3 et 5 micromètres, mais simplement une sous partie de cette bande, la sensibilité du capteur d’images thermiques non refroidi étant classiquement dégradée entre 4.5 et 5.5 micromètres.
Or, l’invention est issue d’une première observation selon laquelle un grand nombre de matériaux peut être caractérisé dans l’infrarouge dans deux gammes de longueurs d’onde distinctes : une première gamme de longueur d’onde entre 7 et 20 micromètres et une seconde gamme de longueur d’onde entre 3 et 4 micromètres.
Cette première observation est combinée à une seconde observation selon laquelle la première résonnance harmonique d’un capteur d’images thermiques non refroidi à base de micro-bolomètres est située dans cette seconde gamme de longueurs d’onde entre 3 et 4 micromètres.
Ainsi, en augmentant la gamme de longueurs d’onde transmise par la fenêtre optique et en utilisant la résonnance fondamentale et la première résonnance harmonique, il est possible de caractériser un grand nombre de matériaux avec un seul capteur non refroidi.
Cette analyse est contre-intuitive pour un homme du métier qui sait que la responsivité d’un micro-bolomètre chute drastiquement autour de 5 micromètres, si bien que celui-ci n’utiliserait pas un micro-bolomètre pour capter les longueurs d’onde dans la bande MWIR. En outre, augmenter la gamme de longueurs d’onde transmises par la fenêtre optique impose de limiter la sélectivité de celle-ci, dégradant ainsi la réponse des micro-bolomètres dans la première gamme de longueurs d’onde entre 7 et 20 micromètres.
Dans le cadre de l’invention, il est apparu que la dégradation de la réponse dans la première gamme de longueurs d’onde dans la bande LWIR est avantageusement compensée par la détection dans la seconde gamme de longueurs d’onde dans la bande MWIR.
Ainsi, en utilisant une unité de traitement d’image apte à obtenir le spectre d’un faisceau lumineux polychromatique en fonction d’une analyse spectrale de la résonnance fondamentale et de la première résonnance harmonique, il est possible de caractériser efficacement un grand nombre de matériaux ou produits avec des éléments techniques simples et implémentables au sein d’un dispositif portable.
Plus précisément, l’invention concerne un dispositif de mesure spectrométrique infrarouge d’un faisceau lumineux polychromatique comprenant :
– un capteur d’images thermiques non refroidi intégrant une matrice de micro-bolomètres recevant le faisceau lumineux polychromatique à travers une fenêtre optique ; la fenêtre optique étant configurée pour limiter la gamme de longueurs d’ondes reçue par les micro-bolomètres afin de maximiser leurs réponse ; et
– une unité de traitement d’image apte à obtenir une mesure spectrométrique à partir des images captées par le capteur d’images thermiques non refroidi.
– un capteur d’images thermiques non refroidi intégrant une matrice de micro-bolomètres recevant le faisceau lumineux polychromatique à travers une fenêtre optique ; la fenêtre optique étant configurée pour limiter la gamme de longueurs d’ondes reçue par les micro-bolomètres afin de maximiser leurs réponse ; et
– une unité de traitement d’image apte à obtenir une mesure spectrométrique à partir des images captées par le capteur d’images thermiques non refroidi.
L’invention se caractérise en ce que la fenêtre optique du capteur est conçue pour transmettre les rayonnements infrarouges dans une gamme de longueurs d’onde comprise entre 1 et 25 micromètres de sorte que les micro-bolomètres fonctionnent dans une gamme de résonnance fondamentale pour capter les rayonnements infrarouges entre 7 et 20 micromètres, et dans une gamme de première résonnance harmonique pour capter des rayonnements infrarouges entre 3 et 4 micromètres.
L’unité de traitement d’image est apte à obtenir une mesure spectrométrique dans les gammes de ladite résonnance fondamentale et ladite première résonnance harmonique.
De préférence, la fenêtre optique du capteur d’images thermiques non refroidi est conçue pour transmettre les rayonnements infrarouges sur une gamme de longueurs d’onde comprise entre 2.5 et 14 micromètres.
Pour fixer correctement la résonnance fondamentale et la première résonnance harmonique du capteur d’images thermiques non refroidi, celui-ci peut comporter une cavité optique résonnante de type Fabry-Perot avec une longueur d’onde de résonnance fondamentale λ0de ladite cavité comprise entre 8 et 12 micromètres. Ce choix technologique permet notamment d’optimiser l’absorbance des micro-bolomètres par interférence constructive, et par conséquent la sensibilité du capteur, autour de 10 micromètres, ce qui est avantageux vis-à-vis de la bande de transparence de l’atmosphère de la bande LWIR.
La réponse spectrale du capteur d’images thermiques non refroidi n’étant pas identique avec ladite résonnance fondamentale et de ladite première résonnance harmonique, il est possible de compenser cette disparité avec des traitements optiques spécifiques. Dans un mode de réalisation, la fenêtre optique du capteur d’images thermiques non refroidi intègre une couche mince interférométrique conçue pour présenter une interférence constructive au voisinage de λ0/2.
Avec une interférence constructive au voisinage de λ0/2, une interférence destructive est générée au voisinage de λ0/3, et la fenêtre optique permet de s’opposer aux inhomogénéités de la réponse spectrale du capteur d’images thermiques non refroidi, et ainsi contribuer à la réduction desdites inhomogénéités spectrales.
En variante ou en complément, une couche mince interférométrique conçue pour présenter une interférence constructive au voisinage de λ0/2 est placée sur une optique focale.
En effet, le dispositif de mesure spectrométrique infrarouge comprend préférentiellement :
– une ouverture disposée de telle sorte à recevoir le faisceau lumineux polychromatique ;
– une optique de collimation disposée pour recevoir le faisceau lumineux polychromatique transmis par l’ouverture ;
– un élément optique dispersif passif placé après l’optique de collimation, et configuré pour séparer angulairement les composantes spectrales du faisceau lumineux polychromatique ; et
– une optique de focalisation configurée pour focaliser les composantes spectrales du faisceau lumineux polychromatique, issu de l’élément optique dispersif passif, sur le capteur d’images thermiques non refroidi.
– une ouverture disposée de telle sorte à recevoir le faisceau lumineux polychromatique ;
– une optique de collimation disposée pour recevoir le faisceau lumineux polychromatique transmis par l’ouverture ;
– un élément optique dispersif passif placé après l’optique de collimation, et configuré pour séparer angulairement les composantes spectrales du faisceau lumineux polychromatique ; et
– une optique de focalisation configurée pour focaliser les composantes spectrales du faisceau lumineux polychromatique, issu de l’élément optique dispersif passif, sur le capteur d’images thermiques non refroidi.
L’utilisation d’un élément optique dispersif passif permet de séparer angulairement les composantes spectrales du rayonnement infrarouge sans aucun élément mécanique mobile, permettant d’obtenir une mesure instantanée. De préférence, l’élément optique dispersif passif est un réseau échelle qui permet de maximiser l’efficacité de diffraction pour un ordre donné, par exemple l’ordre de diffraction -1, et fonctionne dans une configuration proche de la configuration dite de Littrow, où l’efficacité du réseau est optimale à l’ordre de diffraction souhaité. En variante, l’élément optique dispersif passif est un prisme.
Le dispositif de mesure spectrométrique infrarouge est préférentiellement intégré dans un boîtier opaque ou dans une enceinte hermétique sous vide.
L’invention concerne également un système de mesure spectrométrique infrarouge comprenant :
– une source de lumière infrarouge apte à émettre un rayonnement infrarouge sur un échantillon ; un faisceau lumineux polychromatique résultant de l’interaction entre le rayonnement infrarouge et ledit échantillon ; et
– un dispositif de mesure spectrométrique infrarouge tel que précédemment défini, configuré pour mesurer le spectre du faisceau lumineux polychromatique résultant de l’interaction entre le rayonnement infrarouge et ledit échantillon.
– une source de lumière infrarouge apte à émettre un rayonnement infrarouge sur un échantillon ; un faisceau lumineux polychromatique résultant de l’interaction entre le rayonnement infrarouge et ledit échantillon ; et
– un dispositif de mesure spectrométrique infrarouge tel que précédemment défini, configuré pour mesurer le spectre du faisceau lumineux polychromatique résultant de l’interaction entre le rayonnement infrarouge et ledit échantillon.
L’échantillon peut être relié optiquement à la source de lumière infrarouge et/ou au dispositif de mesure spectrométrique infrarouge par au moins une fibre optique. L’avantage d’un tel mode de réalisation réside dans la possibilité de déporter facilement le dispositif hors de la zone de mesure.
En variante, le système comprend :
– une optique non-imageante, interposée entre la source de lumière infrarouge et l’échantillon, apte à maîtriser l’ouverture numérique du rayonnement infrarouge projeté sur ledit échantillon ; et
– une optique objectif, interposée entre l’échantillon et l’ouverture du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge, apte à focaliser le faisceau polychromatique dont les composantes spectrales sont formées par l’interaction entre le rayonnement infrarouge et l’échantillon sur l’ouverture du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge.
– une optique non-imageante, interposée entre la source de lumière infrarouge et l’échantillon, apte à maîtriser l’ouverture numérique du rayonnement infrarouge projeté sur ledit échantillon ; et
– une optique objectif, interposée entre l’échantillon et l’ouverture du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge, apte à focaliser le faisceau polychromatique dont les composantes spectrales sont formées par l’interaction entre le rayonnement infrarouge et l’échantillon sur l’ouverture du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge.
L’invention permet ainsi d’intégrer le système de mesure spectrométrique infrarouge dans un dispositif portable.
Par exemple, le dispositif portable comprend :
– une source d’alimentation électrique de la source de lumière infrarouge et du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge ;
– un élément de déclenchement de la mesure ;
– une entretoise apte à positionner l’échantillon par rapport au rayonnement infrarouge ; et
– un boitier intégrant la source d’alimentation électrique, l’élément de déclenchement, l’entretoise, la source de lumière infrarouge et le dispositif de mesure spectrométrique infrarouge.
– une source d’alimentation électrique de la source de lumière infrarouge et du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge ;
– un élément de déclenchement de la mesure ;
– une entretoise apte à positionner l’échantillon par rapport au rayonnement infrarouge ; et
– un boitier intégrant la source d’alimentation électrique, l’élément de déclenchement, l’entretoise, la source de lumière infrarouge et le dispositif de mesure spectrométrique infrarouge.
Le dispositif portable peut comprendre également une interface homme-machine et/ou des moyens de transmission des mesures à une unité d’analyse distante.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d’exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels :
La illustre une vue schématique en section d’un capteur d’images thermiques non refroidi intégrant une matrice de micro-bolomètres selon l’état de la technique ;
La illustre une vue schématique en section d’un capteur d’images thermiques non refroidi intégrant une matrice de micro-bolomètres selon un mode de réalisation de l’invention ;
La illustre les longueurs d’ondes caractéristiques de plusieurs matériaux ;
La illustre l’évolution de la réponse spectrale du capteur de la en fonction des longueurs d’onde ; et
La illustre schématiquement un dispositif de mesure spectrométrique infrarouge d’un échantillon intégrant le capteur de la .
Tel qu’illustré sur la , un capteur d’images thermiques non refroidi10selon l’invention se présente sous la forme d’une cavité hermétique, placée sous vide, intégrant un réseau de micro-bolomètres19. Chaque micro-bolomètre19comporte une membrane15montée en suspension sur un substrat d’embase11au moyen de clous d’ancrage14. La cavité hermétique est constituée par une fenêtre optique12et des parois latérales13fixées entre le substrat d’embase11et la fenêtre optique12.
Les micro-bolomètres19absorbent les rayonnements infrarouges thermiques par l’intermédiaire de la membrane15et/ou via un absorbeur métallique (non représenté) placé au sein d’une cavité optique résonnante de type Fabry-Perot. Par exemple, cette cavité optique résonnante présente une longueur de cavité égale à λ0/4, avec λ0la longueur d’onde de résonnance fondamentale de ladite cavité. De préférence, la longueur d’onde de résonnance fondamentale de ladite cavité est comprise entre 8 et 12 micromètres, par exemple 10 micromètres.
Tel qu’illustré sur la , chaque micro-bolomètre19présente une réponse maximum dans la bande LWIR et une réponse non nulle pour des longueurs d’ondes en dessous de la bande LWIR. Ainsi, en plus de la résonnance fondamentale à λ0, une première résonnance dite harmonique est présente à λ0/3≈3.33 micromètres. Cette première résonnance harmonique apporte une deuxième bande de sensibilité, qui est située dans la bande MWIR. Cette bande de première résonnance harmonique est délimitée par une première interférence destructive à λ0/2 ≈ 5 micromètres, et par une deuxième interférence destructive à λ0/4 ≈ 2.5 micromètres. L’absorbance du micro-bolomètre19est dégradée au voisinage ce ces interférences destructives.
Une deuxième résonnance harmonique est présente autour de λ0/6 ≈ 1.67 micromètre, soit dans la bande SWIR.
Bien que le micro-bolomètre19soit conçu pour présenter un maximum de sensibilité dans la bande LWIR, c’est-à-dire dans la gamme de longueurs d’onde d’intérêt 7.5 - 14 micromètres, ou plus restrictivement sur la bande 8 - 13 micromètres, la fenêtre optique12correspond à une fenêtre large bande.
Selon l’invention, cette fenêtre optique12est conçue pour transmettre le rayonnement sur toute la gamme du moyen et du long infrarouge, c’est-à-dire entre 1 et 25 micromètres, ou plus restrictivement entre 2.5 et 14 micromètres. Pour constituer une telle fenêtre optique12, il est possible d’utiliser un substrat en silicium ou en germanium avec un premier filtre17et un second filtre18, formés respectivement sur la face inférieure et la face supérieure de la fenêtre optique12. Chaque filtre17-18peut être constitué d’une couche mince, ou d’un empilement de couches minces. Cet empilement est par exemple une alternance de couches diélectriques à faible indice de réfraction, par exemple du sulfure de zinc, du sélénure de zinc, du fluorure d’ytterbium ou un autre matériau à faible indice transparent dans la gamme spectrale d’utilisation, et de couches minces diélectriques à fort indice de réfraction, par exemple des couches amorphes ou cristallines de silicium, de germanium ou un autre matériau à fort indice transparent dans la gamme spectrale d’utilisation.
En outre, au moins un filtre17-18peut être réalisé au moyen d’une structuration qui comprend des motifs géométriques de taille inférieure à la longueur d’onde d’utilisation, c’est-à-dire des structurations de type « méta-surface diélectrique », « cristal photonique 2D à membrane », ou encore « moth-eye ».
Dans un premier mode de réalisation, la courbe de transmission d’une telle fenêtre optique12est conçue pour être sensiblement constante sur toute la bande spectrale d’utilisation, par exemple en autorisant une amplitude d’inhomogénéité de transmission spectrale inférieure à 20%.
Dans un second mode de réalisation, la fenêtre optique12est conçue avec un revêtement apte à compenser les inhomogénéités spectrales reçues et détectées par les micro-bolomètres19, par exemple en maximisant la transmission de la fenêtre au voisinage des zones d’interférences destructives de la cavité Fabry-Perot, quitte à dégrader la transmission au voisinage des zones d’interférences constructives de cette cavité Fabry-Perot.
Un tel revêtement de compensation peut, par exemple, être réalisé dans l’un des filtres17-18avec une couche mince interférométrique, conçue pour présenter une interférence constructive au voisinage de λ0/2.
En variante, la compensation des inhomogénéités spectrales du capteur d’images thermiques non refroidi10peut être traitée sur les éléments optiques du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20d’un faisceau lumineux polychromatique.
Tel qu’illustré sur la , un système de mesure spectrométrique infrarouge40d’un échantillon26intègre par exemple :
– une source de lumière infrarouge21apte à émettre un rayonnement infrarouge ;
– une optique non-imageanteL3, placée après la source de lumière infrarouge21, apte à maîtriser l’ouverture numérique du rayonnement infrarouge projeté sur l’échantillon26;
– une optique objectifL4apte à focaliser le faisceau polychromatique dont les composantes spectrales sont formées par l’interaction entre le rayonnement infrarouge et l’échantillon26sur une ouverture28d’un dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20; et
– une unité d’analyse35destinée à déterminer les caractéristiques de l’échantillon26en fonction de la mesure spectrale des images captées par le capteur d’images thermiques non refroidi10.
– une source de lumière infrarouge21apte à émettre un rayonnement infrarouge ;
– une optique non-imageanteL3, placée après la source de lumière infrarouge21, apte à maîtriser l’ouverture numérique du rayonnement infrarouge projeté sur l’échantillon26;
– une optique objectifL4apte à focaliser le faisceau polychromatique dont les composantes spectrales sont formées par l’interaction entre le rayonnement infrarouge et l’échantillon26sur une ouverture28d’un dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20; et
– une unité d’analyse35destinée à déterminer les caractéristiques de l’échantillon26en fonction de la mesure spectrale des images captées par le capteur d’images thermiques non refroidi10.
Par exemple, la source de lumière infrarouge21comprend au moins un élément émissif de forte luminance sur au moins la bande spectrale d’utilisation du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20. Cette source de lumière infrarouge21peut être une source thermique, telle qu’une source halogène, ou bien une source dite « Globar ». Une source Globar comprend un barreau de carbure de silicium chauffé à haute température, typiquement de l’ordre de 1500K, de sorte à émettre un rayonnement infrarouge qui s’apparente à un rayonnement de corps noir.
Alternativement, la source de lumière infrarouge21peut être une source à base de semi-conducteurs, telle qu’une diode électroluminescente (LED), une diode super-luminescente (SLED), ou une pluralité de lasers, par exemple des QCL (Quantum Cascade Lasers), des ICL (Interband Cascade Lasers), ou bien une source large bande issue d’un phénomène d’optique non linéaire de génération de super-continuum, par exemple utilisant l’effet Kerr.
Préférentiellement, la luminance de la source de lumière infrarouge21est stabilisée, par exemple en température, à l’aide d’une boucle de rétroaction sur le courant électrique injecté au travers de la source de lumière infrarouge21, ou bien à l’aide d’un module Pelltier en contact thermique avec la source de lumière infrarouge21. La source de lumière infrarouge21peut également être munie d’un radiateur, permettant d’évacuer la chaleur générée par la source de lumière infrarouge21lorsqu’elle est allumée.
La source de lumière infrarouge21peut être directement appliquée sur l’échantillon26, par exemple en utilisant une telle source associée à une optique non-imageanteL3. Une optique non imageanteL3est constituée d’au moins une lentille réfractive, par exemple un condenseur asphérique ou une lentille de Fresnel.
En variante, l’optique non imageanteL3peut être constituée d’un miroir parabolique dont le foyer se trouve au voisinage de la source de lumière infrarouge21, ou un miroir elliptique dont un premier foyer se trouve au voisinage de la source de lumière infrarouge21et un deuxième foyer se trouve au voisinage de l’échantillon26.
Après interaction entre le rayonnement infrarouge et l’échantillon26, une optique objectifL4peut être utilisée pour focaliser les composantes spectrales sur une ouverture28d’un dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20.
En mode spéculaire, l’optique objectifL4projette le faisceau formé par l’interaction entre le rayonnement infrarouge et l’échantillon26, à faible ouverture numérique, avec le plan de l’ouverture28du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20de sorte à transmettre un faisceau collimaté à travers l’ouverture28. La portion diffusée de ce faisceau ne parvient pas à l’ouverture28.
En mode diffus, l’optique non-imageanteL3focalise le rayonnement infrarouge sur une zone de l’échantillon26, de préférence avec une ouverture numérique élevée. L’optique objectifL4focalise ensuite cette zone éclairée de l’échantillon26avec le plan de l’ouverture28. Ce mode d’interaction permet de faire parvenir au dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20les rayonnements diffusés par l’échantillon26, et ce, avec une ouverture numérique qui correspond à l’ouverture numérique de l’optique objectifL4.
Outre la mesure en transmission ou en diffusion, il est également possible d’utiliser une transmission multi-passage, une réflexion, une transflexion, le mode d’interaction par ATR, le mode d’interaction par atténuation de l’onde évanescente ou tout autre mode d’interaction connue entre une lumière et un échantillon26.
De préférence, l’échantillon26est placé au sein d’un porte échantillon25. Un porte échantillon25comporte par exemple une embase sur laquelle est placé l’échantillon26. De manière alternative, l’échantillon26est placé sur un bloc sensiblement transparent dans la gamme spectrale d’utilisation. De manière alternative, l’échantillon26sous forme liquide ou gazeuse est projeté à travers le faisceau, par exemple à la sortie d’un convoyeur ou bien au moyen d’une convection forcée.
Le mode de transflexion consiste à placer l’échantillon26sur une surface réfléchissante de réflectance connue/calibrée, et de mesurer la combinaison d’une réflexion sur l’échantillon26ainsi qu’une double transmission de l’échantillon26. Le mode d’interaction de transmission multi-passage consiste à placer l’échantillon26dans une cavité optique multi-passage non résonnante, permettant de multiplier virtuellement la longueur de l’échantillon26. Un tel mode d’interaction est adapté aux échantillons26qui présentent une faible atténuation. Par exemple, il s’agit d’un mode adapté à l’analyse de gaz, au sein d’une cellule de gaz qui comprend des miroirs internes, des fenêtres transparentes dans la gamme spectrale d’utilisation permettant d’assurer l’étanchéité de la cellule, ainsi que des entrées et sorties de gaz.
Le mode d’interaction par réflexion permet d’évaluer l’interaction lumière-échantillon au voisinage de la surface de l’échantillon26, sur une épaisseur dite « épaisseur de peau » de l’ordre de grandeur de la profondeur de pénétration de l’onde évanescente. La profondeur de pénétration de l’onde évanescente est proportionnelle à la longueur d’onde, ce qui est particulièrement intéressant pour les mesures dans la bande LWIR comparativement à la bande SWIR.
Un porte échantillon25adapté à la mesure de réflexion est par exemple une embase sur laquelle est posé l’échantillon26sur une surface opposée à la surface de mesure. Alternativement, l’échantillon26est posé sur un convoyeur en mouvement. De préférence, le spectre de réflectance de l’embase/convoyeur est connu/calibré. Dans le cas où le dispositif fonctionne en mode diffus, les optiquesL3,L4sont focalisées au voisinage de la surface de mesure de l’échantillon26, ou au voisinage de la surface de l’embase. Alternativement, l’embase est une entretoise sur laquelle s’appuie l’échantillon au niveau de la surface de mesure, et qui permet de maitriser la distance entre l’échantillon26et les optiquesL3,L4,et ainsi garantir une bonne qualité de focalisation du rayonnement infrarouge.
Le mode d’interaction par ATR, pour « Attenuated Total Reflectance » dans la littérature anglo-saxonne, évalue notamment l’atténuation d’une onde évanescente dans le cas d’une réflexion totale interne au sein d’un matériau réfractif. Pour ce faire, un prisme de Dove est classiquement utilisé. Dans ce mode d’interaction, l’échantillon26est positionné sur la facette où se réalise la réflexion totale interne et l’atténuation de l’onde évanescente est mesurée.
Le mode d’interaction par atténuation de l’onde évanescente est effectué également au voisinage d’un guide d’onde, comme par exemple une fibre optique, un guide d’onde sur substrat, ou bien un guide plan. Ce guide d’onde peut être monomode, ou multimode. L’interaction est rendue possible lorsque la gaine du guide est libérée, pour y positionner l’échantillon26. L’avantage d’un tel mode d’interaction vient du fait qu’il est facile d’injecter la lumière en entrée du guide d’onde, et de coupler optiquement la sortie du guide d’onde au spectromètre. Pour optimiser l’interaction de l’onde évanescente avec l’échantillon26, il est possible d’augmenter la longueur du guide libéré, par exemple en lui faisant former une spirale, ou de réduire le confinement du mode guidé, par exemple en réduisant la section du cœur du guide.
Après passage dans l’échantillon26, les rayonnements infrarouges formés par l’interaction entre le rayonnement infrarouge et l’échantillon26sont captés par le capteur d’images thermiques non refroidi10. De préférence, ce dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20est intégré dans un boitier opaque30, ouvert optiquement seulement au niveau d’une ouverture28, et configuré pour limiter l’impact des sources de rayonnement thermiques extérieurs sur la mesure spectrométrique.
L’ouverture28 présente une taille contrôlée ou variable de sorte à recevoir et sélectionner spatialement le faisceau lumineux polychromatique infrarouge à analyser. Cette ouverture28peut être circulaire, par exemple un iris, ou rectangulaire, par exemple une fente.
L’ouverture28peut alternativement être remplacée par un connecteur femelle de fibre optique, par exemple un connecteur choisi parmi les standards FP/PC, pour « Flat Polish/Physical Contact » dans la littérature anglo-saxonne, ou SMA, pour « SubMiniature version A » dans la littérature anglo-saxonne. En outre, une fibre optique peut également être utilisée pour relier optiquement la source de lumière infrarouge21à l’échantillon26.
Dans le dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20, de nombreux éléments optiques peuvent être utilisés entre l’ouverture28et le capteur d’images thermiques non refroidi10. Par exemple, une optique de collimationL1peut être utilisée pour recevoir le faisceau lumineux polychromatique transmis par l’ouverture28. Cette optique de collimationL1peut être constituée d’une lentille réfractive, un groupe de lentilles réfractives ou un miroir concave, tel qu’un miroir parabolique.
Une lentille réfractive est formée à partir d’un matériau transparent dans la gamme spectrale d’utilisation, qui peut être choisi parmi les exemples de matériaux suivants : sulfure de zinc, sélénure de zinc, verre de chalcogénure, fluorure de baryum, fluorure de calcium, silicium, germanium, ou un alliage semi-conducteur de silicium et de germanium.
De préférence, au moins une surface de passage optique de la lentille est recouverte d’un revêtement antireflet, conçue selon sensiblement les mêmes méthodes que celles mises en œuvre pour la conception des revêtements de la fenêtre optique12. Un miroir concave est soit formé à partir d’un matériau réfléchissant dans la gamme spectrale d’utilisation, comme un métal, soit le miroir concave est muni d’un revêtement réfléchissant dans la gamme spectrale d’utilisation, comme un revêtement métallique.
L’élément optique dispersif passif24permet de séparer angulairement les composantes spectrales d’un faisceau infrarouge polychromatique. L’élément optique dispersif passif24se caractérise notamment par son paramètre de déviation dβ⁄dλ, donné en rad/nm, qui détermine sa capacité à séparer angulairement les composantes spectrales. Cet élément dispersif est choisi parmi un prisme ou un réseau de diffraction. Il est également possible de combiner les propriétés des prismes et des réseaux.
Un prisme dispersif est un élément réfractif constitué d’un même bloc, et qui présente au moins une facette d’entrée sensiblement plane et une facette de sortie sensiblement plane. Le prisme peut alternativement présenter au moins une facette de réflexion interne du faisceau lumineux le traversant. Le prisme dispersif se caractérise par un angle non nul entre la facette d’entrée et la facette de sortie virtuelle, issue du diagramme tunnel du prisme. Le faisceau polychromatique pénètre dans le prisme par la facette d’entrée, et en sort par la facette de sortie avec déviation angulaire des composantes spectrales du faisceau de sortie.
Le prisme est formé à partir d’un matériau transparent dans la gamme spectrale d’utilisation, et qui présente une dispersion d’indice de réfraction n(λ), répondant empiriquement à des modèles de dispersion tels que Seillmeier ou encore Herzberger. Ce matériau est par exemple du sulfure de zinc, du séléniure de zinc, du verre de chalcogénure, du fluorure de calcium, du fluorure de baryum ou encore du saphir. De préférence, la facette d’entrée ainsi que la facette de sortie sont recouvertes d’un revêtement anti-réfléchissant configuré pour optimiser la transmission optique du faisceau qui traverse le prisme. Un tel revêtement anti-réfléchissant se conçoit selon les mêmes techniques mises en œuvre pour former le revêtement de la fenêtre optique12. Dans le cas où le prisme présente au moins une facette de réflexion interne, et notamment lorsque le faisceau n’est pas dans des conditions en angle d’incidence propice au phénomène de réflexion totale interne, alors une telle facette de réflexion est recouverte d’un revêtement réfléchissant, comme par exemple un revêtement métallique.
La géométrie du prisme est par exemple choisie parmi les géométries suivantes : prisme triangulaire, prisme de Littrow, prisme de Pellin-Broca, prisme d’Abbe. Pour obtenir le paramètre de déviation dβ⁄dλ souhaité avec un prisme, il est possible d’utiliser la loi de dispersion d’indice.
Un réseau de diffraction est un élément constitué d’un motif périodique répété linéairement sur une face sensiblement plane. Le motif, dit « trait », est allongé dans la direction perpendiculaire à la direction de répétition. Le motif peut être géométrique, comme des sinusoïdes, des rainures, des dents, des facettes inclinées, ou un réseau échelle, également appelé « blaze grating » dans la littérature anglo-saxonne. Le réseau peut être également formé par modulation de l’indice de réfraction. Il permet de séparer angulairement les composantes spectrales d’un faisceau lumineux perpendiculairement à l’axe des traits, par principe de diffraction. Pour obtenir le paramètre de déviation dβ⁄dλ souhaité avec un réseau de diffraction, il est possible d’utiliser la loi de Bragg.
Un tel réseau de diffraction fonctionne préférentiellement en réflexion, c’est-à-dire que le faisceau incident se trouve dans le même hémisphère délimité par le plan du réseau que les composantes diffractées du faisceau de sortie. Il est formé à partir d’un matériau réfléchissant dans la gamme spectrale d’utilisation, comme un métal, ou alors est muni d’un revêtement réfléchissant dans la gamme spectrale d’utilisation, comme un revêtement métallique. De préférence, le réseau de diffraction est un réseau échelle qui permet de maximiser l’efficacité de diffraction pour un ordre donné (par exemple l’ordre de diffraction -1), et fonctionne dans une configuration proche de la configuration dite de Littrow, où l’efficacité du réseau est optimale à l’ordre de diffraction souhaité.
Alternativement, le réseau de diffraction fonctionne en mode de transmission, c’est-à-dire que le faisceau incident ne se trouve pas dans le même hémisphère délimité par le plan du réseau que les composantes diffractées du faisceau de sortie. Il est formé à partir d’un matériau transparent dans la gamme spectrale d’utilisation. Il s’agit par exemple d’un réseau holographique à transmission.
Alternativement, le réseau de diffraction est formé sur une surface concave, et non plane, ce qui permet de remplir la fonction de l’au moins une optiqueL1,L2du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20.
L’optique de focalisationL2est destinée à focaliser lesdites composantes spectrales sur un plan focal, au niveau duquel se trouve le capteur d’images thermiques non refroidi10. Cette optique de focalisationL2peut être conçue de la même manière que l’optique de collimationL1.
Dans l’exemple de la , le faisceau lumineux polychromatique est appliqué sur l’ouverture28et il passe par l’optique de collimationL1, l’élément optique dispersif passif24, l’optique de focalisationL2, à travers la fenêtre optique12avant d’être appliqué sur le plan focal des micro-bolomètres19.
Optionnellement, le dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20peut être encapsulé dans une enceinte hermétique, préférentiellement sous vide, munie d’une fenêtre transparente dans le moyen infrarouge, et destinée à limiter ou supprimer l’impact de l’absorption de l’air le long du chemin optique. La fenêtre transparente est de préférence munie d’un revêtement anti-réfléchissant sur la bande spectrale d’utilisation. Lorsque le dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20n’est pas encapsulé sous vide, le capteur d’images thermiques non refroidi10doit être nécessairement encapsulé sous vide pour garantir le fonctionnement des micro-bolomètres19.
Dans le cas où le système40est muni d’un système d’éclairage, il est judicieux d’encapsuler à la fois le dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20et la source de lumière infrarouge21dans un même boitier, ce dernier pouvant être hermétique.
Le capteur d’images thermiques non refroidi10est muni d’un circuit de lecture, de conversion digitale et de transmission du signal reçu par ledit capteur, au moyen d’un connecteur électrique.
Le signal issu du capteur est ensuite traité, afin de pouvoir fournir un spectre infrarouge.
Pour ce faire, une correction de non-uniformité est appliquée à l’image issue du capteur d’images thermiques non refroidi10. Cette correction de non-uniformité est réalisée par soustraction d’une image de référence qui contient l’information du bruit spatial fixe du capteur. Cette image de référence est obtenue, par exemple, en utilisant une image vue par le capteur lorsqu’un obturateur mécanique est enclenché. Alternativement, cette image de référence est obtenue, ou calculée à partir d’une calibration préalable du bruit spatial fixe du capteur d’images thermiques non refroidi10.
De préférence, l’image présente des zones non éclairées par le faisceau utile, ce qui donne une référence scalaire de noir. L’image est optionnellement issue d’une sommation temporelle de plusieurs images du flux vidéo, ce qui permet de réduire le bruit temporel stochastique. Une étape supplémentaire de débruitage spatial de l’image peut être réalisée, par exemple au moyen d’un flou gaussien, d’un filtre médian, d’un filtre bilatéral…
Un profil d’intensité horizontal est extrait sur une ligne de l’image. Plusieurs lignes peuvent être sommées horizontalement afin de réduire le bruit. Chacun des pixels le long du profil horizontal est associé à une longueur d’onde, ou bien à un nombre d’onde. Ce lien entre un pixel et une longueur d’onde est réalisé par une calibration préalable, par exemple par la mesure d’au moins un spectre qui présente des caractéristiques spectrales marquées et bien connues.
Ainsi, le spectre mesuré est ensuite divisé par un spectre de référence, obtenu par exemple en l’absence de l’échantillon26, ou bien en mode de réflexion avec un échantillon réfléchissant de référence. Cette opération permet notamment de compenser les inhomogénéités de la source de lumière infrarouge21, des éléments optiques et du capteur d’images thermiques non refroidi10. Le spectre ainsi obtenu est finalement restitué à l’utilisateur, soit au moyen d’un afficheur qui prend la forme d’un écran digital, soit par une connexion électrique, soit stocké sur une mémoire accessible après la mesure.
Alternativement, le système40intègre un modèle de classification mis en œuvre dans une unité d’analyse35, destinée à identifier une classe d’échantillon basée sur l’analyse du spectre infrarouge. Ce modèle de classification provient d’un apprentissage machine préalable, à partir d’une base de données de spectres de matériaux étiquetés. Un tel modèle est par exemple un modèle issu d’une unité d’analyse de composantes principales, également connue sous l’acronyme PCA pour « Principal Component Analysis » dans la littérature anglo-saxonne, suivie d’une machine de vecteurs de support, également connue sous l’acronyme SVM pour « Support Vector Machine » dans la littérature anglo-saxonne.
Alternativement, un tel modèle est par exemple issu d’un réseau de neurones. Une fois le modèle de classification correctement entrainé, le dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20permet de déterminer un identifiant de classe à partir du spectre mesuré.
Ce modèle est avantageusement intégré dans un calculateur embarqué dans le système de mesure spectrométrique infrarouge40. Cet identifiant de classe est alors restitué à l’utilisateur par les moyens décrits précédemment. De préférence l’identifiant de classe est restitué via un afficheur digital. Un tel système de mesure spectrométrique infrarouge40est ainsi un outil de classification/tri.
Tel qu’illustré sur la , les gammes de longueurs d’onde captées par le système de mesure spectrométrique infrarouge40permettent de caractériser un grand nombre de matériaux :
– le polyéthylène haute densité (HDPE) qui est un type de plastique haute densité résistant à la corrosion, souvent utilisé pour les tuyaux d’eau et les réservoirs de stockage chimique ;
– le polyéthylène basse densité (LDPE) qui est un plastique souple et transparent souvent utilisé pour les films plastiques et les sacs d’emballage ;
– le polyéthylène téréphtalate (PET) qui est un type de plastique résistant à la chaleur et à la déchirure souvent utilisé pour les bouteilles d’eau et les emballages alimentaires ;
– le polypropylène (PP) qui est un plastique résistant à la chaleur et aux produits chimiques souvent utilisé pour les emballages alimentaires, les sacs d’épicerie et les pièces automobiles ;
– le polystyrène (PS) qui est un plastique léger et rigide souvent utilisé pour les gobelets jetables et les emballages alimentaires ;
– le chlorure de polyvinyle (PVC) qui est un plastique résistant à la corrosion souvent utilisé pour les tuyaux d’eau, les revêtements de sol et les emballages alimentaires ;
– le polyuréthane (PU) qui est un matériau résistant à l’usure et à la déchirure souvent utilisé pour les revêtements de sol, les mousses, les meubles et les chaussures ;
– le polyamide (PA) qui est un plastique résistant à l’usure et à la chaleur souvent utilisé pour les pièces automobiles, les vêtements et les emballages alimentaires ;
– le polycarbonate (PC) qui est un plastique transparent résistant aux chocs souvent utilisé pour les lunettes, les écrans d’ordinateur, les casques de moto et les boîtiers de téléphone portable ;
– l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS) qui est un plastique résistant aux chocs et aux rayures souvent utilisé pour les pièces automobiles, les jouets, les matériaux de fabrication additive et les boîtiers d’ordinateur ;
– le polytétrafluoroéthylène (PTFE) qui est un matériau résistant à la chaleur et aux produits chimiques souvent utilisé pour les revêtements antiadhésifs et les joints d’étanchéité ;
– le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) qui est un plastique transparent souvent utilisé pour les vitres d’automobile, les écrans de télévision et les lentilles optiques ;
– l’acétate d’éthylène vinyle (EVA) qui est un matériau souple et résistant à l’eau souvent utilisé pour les chaussures et les tapis de yoga ;
– le nitrile qui est un caoutchouc synthétique résistant aux produits chimiques souvent utilisé pour les gants de protection,
– le latex qui est un caoutchouc naturel souvent utilisé pour les gants chirurgicaux, les préservatifs et les ballons ;
– le polyacrylic qui est un polymère acrylique résistant à la chaleur et aux intempéries souvent utilisé pour les revêtements de sol, les adhésifs et les textiles ;
– l’élasthanne (EL) qui est une fibre textile polymère, souvent mélangée au coton pour rentre le textile élastique et fournir des vêtements souples et stretch ;
– la laine (WO) qui est une fibre naturelle obtenue à partir de la toison des moutons et souvent utilisée pour les vêtements et les tapis ;
– la soie (Silk) qui est une fibre naturelle produite par les chenilles de certains types de papillons et souvent utilisée pour les vêtements et la literie ;
– le coton (CO) qui est une fibre naturelle, souvent utilisée pour les vêtements, la literie et les serviettes ;
– la viscose (CV) qui est une fibre végétale régénérée souvent utilisée pour des vêtements résistants au lavage ; et
– l’acétate de cellulose (CA) qui est une fibre végétale régénérée produite à partir de la cellulose et souvent utilisée pour les vêtements, les rideaux et les tapis.
– le polyéthylène haute densité (HDPE) qui est un type de plastique haute densité résistant à la corrosion, souvent utilisé pour les tuyaux d’eau et les réservoirs de stockage chimique ;
– le polyéthylène basse densité (LDPE) qui est un plastique souple et transparent souvent utilisé pour les films plastiques et les sacs d’emballage ;
– le polyéthylène téréphtalate (PET) qui est un type de plastique résistant à la chaleur et à la déchirure souvent utilisé pour les bouteilles d’eau et les emballages alimentaires ;
– le polypropylène (PP) qui est un plastique résistant à la chaleur et aux produits chimiques souvent utilisé pour les emballages alimentaires, les sacs d’épicerie et les pièces automobiles ;
– le polystyrène (PS) qui est un plastique léger et rigide souvent utilisé pour les gobelets jetables et les emballages alimentaires ;
– le chlorure de polyvinyle (PVC) qui est un plastique résistant à la corrosion souvent utilisé pour les tuyaux d’eau, les revêtements de sol et les emballages alimentaires ;
– le polyuréthane (PU) qui est un matériau résistant à l’usure et à la déchirure souvent utilisé pour les revêtements de sol, les mousses, les meubles et les chaussures ;
– le polyamide (PA) qui est un plastique résistant à l’usure et à la chaleur souvent utilisé pour les pièces automobiles, les vêtements et les emballages alimentaires ;
– le polycarbonate (PC) qui est un plastique transparent résistant aux chocs souvent utilisé pour les lunettes, les écrans d’ordinateur, les casques de moto et les boîtiers de téléphone portable ;
– l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS) qui est un plastique résistant aux chocs et aux rayures souvent utilisé pour les pièces automobiles, les jouets, les matériaux de fabrication additive et les boîtiers d’ordinateur ;
– le polytétrafluoroéthylène (PTFE) qui est un matériau résistant à la chaleur et aux produits chimiques souvent utilisé pour les revêtements antiadhésifs et les joints d’étanchéité ;
– le polyméthacrylate de méthyle (PMMA) qui est un plastique transparent souvent utilisé pour les vitres d’automobile, les écrans de télévision et les lentilles optiques ;
– l’acétate d’éthylène vinyle (EVA) qui est un matériau souple et résistant à l’eau souvent utilisé pour les chaussures et les tapis de yoga ;
– le nitrile qui est un caoutchouc synthétique résistant aux produits chimiques souvent utilisé pour les gants de protection,
– le latex qui est un caoutchouc naturel souvent utilisé pour les gants chirurgicaux, les préservatifs et les ballons ;
– le polyacrylic qui est un polymère acrylique résistant à la chaleur et aux intempéries souvent utilisé pour les revêtements de sol, les adhésifs et les textiles ;
– l’élasthanne (EL) qui est une fibre textile polymère, souvent mélangée au coton pour rentre le textile élastique et fournir des vêtements souples et stretch ;
– la laine (WO) qui est une fibre naturelle obtenue à partir de la toison des moutons et souvent utilisée pour les vêtements et les tapis ;
– la soie (Silk) qui est une fibre naturelle produite par les chenilles de certains types de papillons et souvent utilisée pour les vêtements et la literie ;
– le coton (CO) qui est une fibre naturelle, souvent utilisée pour les vêtements, la literie et les serviettes ;
– la viscose (CV) qui est une fibre végétale régénérée souvent utilisée pour des vêtements résistants au lavage ; et
– l’acétate de cellulose (CA) qui est une fibre végétale régénérée produite à partir de la cellulose et souvent utilisée pour les vêtements, les rideaux et les tapis.
En comparaison, les dispositifs de l’état de la technique utilisant uniquement un capteur d’images thermiques non refroidi100permettent seulement de capter les longueurs d’onde dans la zone encadrée.
Dans le domaine applicatif du tri de déchets plastiques, l’invention permet ainsi de classifier ou de quantifier les mélanges de plastiques tels que le PET (PolyEthylene Terephtalate), le HDPE (High Density PolyEthylene), le PVC (PolyVinyl Chloride), LDPE (Low Density PolyEthylene), PP (PolyPropylene), PS (PolyStyrene), ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene), PA (PolyAmide), PMMA (PolyMethyl MethAcrylate), PC (PolyCarbonate) ainsi que d’autres types de plastiques cités ci-dessus. Le dispositif selon l’invention est aussi capable de trier les plastiques sombres, colorés au noir de carbone.
Dans le domaine applicatif du tri de déchets textiles, l’invention peut classifier ou quantifier les mélanges de fibres textiles provenant de sources végétales (coton, lin, jute, sissal etc.), régénérées (acétate de cellulose, viscose, lyocell etc.), animales (laine, soie, cachemire etc.) et synthétiques (polyester, polyamide/nylon, élasthanne etc.).
Par exemple, un tel dispositif de mesure spectrométrique20a été testé pour évaluer le spectre d’un échantillon plastique d’épaisseur inférieure à 1 millimètre dans un montage de transflectance spéculaire, avec un angle d’incidence d’environ 13°.
En outre, le système de mesure spectrométrique infrarouge40peut être intégré dans un dispositif portable comprenant :
– une source d’alimentation électrique de la source de lumière infrarouge21et du capteur d’images thermiques non refroidi10;
– un élément de déclenchement de la mesure ;
– une entretoise apte à positionner l’échantillon26par rapport au rayonnement infrarouge ; et
– un boitier intégrant la source d’alimentation électrique, l’élément de déclenchement, l’entretoise, la source de lumière infrarouge21et le capteur d’images thermiques non refroidi10.
– une source d’alimentation électrique de la source de lumière infrarouge21et du capteur d’images thermiques non refroidi10;
– un élément de déclenchement de la mesure ;
– une entretoise apte à positionner l’échantillon26par rapport au rayonnement infrarouge ; et
– un boitier intégrant la source d’alimentation électrique, l’élément de déclenchement, l’entretoise, la source de lumière infrarouge21et le capteur d’images thermiques non refroidi10.
Par exemple, le boitier peut prendre une forme ergonomique avec une poignée dans laquelle l’élément de déclenchement est agencé sous la forme d’une gâchette.
De préférence, le dispositif portable comprend une interface homme-machine et/ou des moyens de transmission des mesures à une unité distante.
Selon une variante d’implémentation de l’invention, l’invention peut être utilisée pour former un système d’imagerie hyperspectral à balayage linéaire, également appelée « push-broom » dans la littérature anglo-saxonne.
Le principe d’un tel système est de coupler un capteur d’images thermiques non refroidi10à deux dimensions avec un élément optique dispersif passif24de sorte à former l’image d’une ligne de scène sur une première dimension du capteur, et des composantes spectrales sur la deuxième dimension du capteur. Dans ce mode de réalisation, l’ouverture28du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20est préférentiellement une ouverture rectangulaire, par exemple avec une ou plusieurs fentes. Cette fente est couplée optiquement avec l’optique objectifL4à une ligne sur le plan objet. Afin d’obtenir une image hyperspectrale à deux dimensions de la scène, il est possible d’enregistrer une séquence d’images en fonction du déplacement relatif rectiligne (perpendiculaire à ladite ligne) du système d’imagerie par rapport à la scène. Ce type de scène est par exemple un convoyeur d’une ligne industrielle, ou un convoyeur d’une ligne de tri, un véhicule agricole, un drone...
Ledit imageur hyperspectral est avantageusement muni d’un éclairage linéaire, ainsi qu’une optique non-imageanteL3, qui peut comprendre au moins une optique cylindrique, et qui permet de projeter l’image de l’éclairage linéaire sur la ligne du plan objet évaluée par le spectromètre.
Selon une autre variante d’implémentation, l’invention peut être utilisée pour former un spectromètre associé à un microscope, permettant de réaliser une mesure spectrométrique sur une zone microscopique d’un échantillon26.
Le microscope peut être constitué d’un microscope standard. Il comprend un revolver sur lequel s’adapte au moins un objectif de microscope. Dans ce mode de réalisation, l’optique objectifL4peut être appliquée sur l’objectif du microscope, par exemple sur un port latéral.
Ainsi, le dispositif de mesure spectrométrique infrarouge20de l’invention peut détecter efficacement le spectre d’un faisceau lumineux polychromatique et répondre à plusieurs applications distinctes, notamment pour former un système de mesure spectrométrique infrarouge40.
Claims (12)
- Dispositif de mesure spectrométrique infrarouge (20) d’un faisceau lumineux polychromatique comprenant :
– un capteur d’images thermiques non refroidi (10) intégrant une matrice de micro-bolomètres (19) recevant le faisceau lumineux polychromatique à travers une fenêtre optique (12) ; la fenêtre optique (12) étant configurée pour limiter la gamme de longueurs d’onde reçues par les microbolomètres (19) afin de maximiser leurs réponse ;
– une cavité optique résonnante ; et
– une unité de traitement d’image (29) apte à obtenir une mesure spectrométrique à partir des images captées par le capteur d’images thermiques non refroidi (10) ;
caractériséen ce que la fenêtre optique (12) du capteur d’images thermiques non refroidi (10) est conçue pour transmettre les rayonnements infrarouges dans une gamme de longueurs d’onde comprise entre 1 et 25 micromètres de sorte que les micro-bolomètres (19) fonctionnent dans une gamme de résonnance fondamentale pour capter les rayonnements infrarouges entre 7 et 20 micromètres et dans une gamme de première résonnance harmonique pour capter des rayonnements infrarouges entre 3 et 4 micromètres ; ladite unité de traitement d’image (29) étant apte à obtenir une mesure spectrométrique dans les gammes de ladite résonnance fondamentale et ladite première résonnance harmonique. - Dispositif de mesure spectrométrique infrarouge selon la revendication 1,dans lequella fenêtre optique (12) du capteur d’images thermiques non refroidi (10) est conçue pour transmettre les rayonnements infrarouges sur une gamme de longueurs d’onde comprise entre 2.5 et 14 micromètres.
- Dispositif de mesure spectrométrique infrarouge selon la revendication 1 ou 2,dans lequella cavité optique résonnante est de type Fabry-Perot avec une longueur d’onde de résonnance fondamentale λ0de ladite cavité comprise entre 8 et 12 micromètres.
- Dispositif de mesure spectrométrique infrarouge selon la revendication 3,dans lequella fenêtre optique (12) du capteur d’images thermiques non refroidi (10) intègre une couche mince interférométrique conçue pour présenter une interférence constructive au voisinage de λ0/2.
- Dispositif de mesure spectrométrique infrarouge selon l’une des revendications 1 à 4, comprenant :
– une ouverture (28) disposée de sorte à recevoir le faisceau lumineux polychromatique ;
– une optique de collimation (L1) disposée pour recevoir le faisceau lumineux polychromatique transmis par l’ouverture (28) ;
– un élément optique dispersif passif (24), placé après l’optique de collimation (L1), et configuré pour séparer angulairement les composantes spectrales du faisceau lumineux polychromatique ; et
– une optique de focalisation (L2) configurée pour focaliser les composantes spectrales du faisceau lumineux polychromatique, issu de l’élément optique dispersif passif (24), sur le capteur d’images thermiques non refroidi (10). - Dispositif de mesure spectrométrique infrarouge selon la revendication 5,dans lequell’élément optique dispersif passif (24) est un réseau échelle ou un prisme.
- Dispositif de mesure spectrométrique infrarouge selon la revendication 5 ou 6,dans lequelune couche mince interférométrique conçue pour présenter une interférence constructive au voisinage de λ0/2 est placée sur une optique focale.
- Système de mesure spectrométrique infrarouge (40) comprenant :
– une source de lumière infrarouge (21) configurée pour émettre un rayonnement infrarouge sur un échantillon (26) ; un faisceau lumineux polychromatique étant formé par l’interaction entre le rayonnement infrarouge et ledit échantillon (26) ; et
– un dispositif de mesure spectrométrique infrarouge (20) selon l’une des revendications 1 à 7, configuré pour mesurer le spectre du faisceau lumineux polychromatique formé par l’interaction entre le rayonnement infrarouge et ledit échantillon (26). - Système de mesure spectrométrique infrarouge selon la revendication 8,dans lequell’échantillon (26) est relié optiquement à la source de lumière infrarouge (21) par au moins une fibre optique et/ou au dispositif de mesure spectrométrique infrarouge (20) par au moins une fibre optique.
- Système de mesure spectrométrique infrarouge selon la revendication 8,dans lequelle système comprend :
– une optique non-imageante (L3), interposée entre la source de lumière infrarouge et l’échantillon (26), apte à maitriser l’ouverture numérique du rayonnement infrarouge projeté sur ledit échantillon (26) ; et
– une optique objectif (L4), interposée entre l’échantillon et l’ouverture du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge, apte à focaliser le faisceau polychromatique dont les composantes spectrales sont formées par l’interaction entre le rayonnement infrarouge et l’échantillon (26) sur une ouverture (28) du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge (20). - Système de mesure spectrométrique infrarouge selon l’une des revendications 8 à 10, intégré dans un dispositif portable comprenant :
– une source d’alimentation électrique de la source de lumière infrarouge (21) et du dispositif de mesure spectrométrique infrarouge (20) ;
– un élément de déclenchement de la mesure ;
– une entretoise apte à positionner l’échantillon (26) par rapport au rayonnement infrarouge ; et
– un boitier intégrant la source d’alimentation électrique, l’élément de déclenchement, l’entretoise, la source de lumière infrarouge (21) et le dispositif de mesure spectrométrique infrarouge (20). - Système de mesure spectrométrique infrarouge selon la revendication 11,dans lequelle dispositif portable comprend une interface homme-machine et/ou des moyens de transmission des mesures à une unité d’analyse distante (25).
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024231610A1 (fr) | 2024-11-14 |
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