Les filtres patternés, éléments cruciaux d’une imagerie multispectraleprécise et performante
Aujourd’hui, il est devenu indispensable de pouvoir " voir " toutes ces couleurs que l’œil ne peut pas capter, mais qui contiennent pourtant quantité d’informations cruciales sur le monde qui nous entoure. Pour cela, les humains ont construit leur propres " yeux " artificiels, capables de balayer à volonté tout le spectre.
Souvent, parmi cette immense gamme de couleurs (qu’on appelle " longueurs d’ondes "), on ne s’intéresse qu’à certaines en particulier, qui seront caractéristiques d’un phénomène à observer. Il sera alors nécessaire de construire s de ne laisser passer que la longueur d’onde considérée, ou qu’une plage de longueurs d’ondes bien définie.
Défis et solutions technologiques dans l’observation de l’environnement par satellite
Ces contraintes sont très présentes dans le domaine spatial. Prenons, par exemple, le programme européen Copernicus d’observation de l’environnement. Il s’appuie sur une multitude de satellites, chacun dédié à une partie de l’étude de l’environnement terrestre (le sol, l’atmosphère, les océans, les calottes polaires, la végétation, l’évolution du climat).
L’un de ces satellites, Sentinel 5 est chargé d’étudier la qualité de l’air et l’influence des gaz qui le composent (ozone, dioxyde de souffre, monoxyde de carbone, méthane…) sur l’évolution du climat.
Chacun de ces gaz n’émet qu’à des longueurs d’ondes bien spécifiques, sur lesquelles les instruments du satellite doivent pouvoir se régler pour n’observer et n’étudier que ce gaz en particulier.
Problème : Pour une position donnée au-dessus du sol, il est nécessaire de prendre des images de tous les type de gaz simultanément. Or le satellite est en mouvement permanent au-dessus de la surface de la planète, à une vitesse de 27 000 km/h. Il n’est donc pas envisageable de faire des images séquentielles, en changeant de filtre après chaque prise de vue, au risque que la surface observée par le dernier filtre ne soit plus la même que celle vue par le premier (sans compter les nuages qui peuvent traverser le champ observé durant ce temps).
Solution : placer devant l’instrument imageur un ensemble de minuscules bandes de chaque filtre, collées les unes aux autres, chacune pas plus larges qu’un pixel, le tout recouvrant tout le capteur.
Pour Sentinel 5, par exemple, qui travaille dans 7 plages de longueurs d’ondes différentes, on accolera 7 filtres en " allumette " les uns contre les autres, et on répètera l’opération sur toute la largeur du capteur. Ainsi, en une seule image, la même zone sera vue au travers de tous les filtres nécessaires et la correspondance sera parfaite.
Certes, il n’y a, au final, qu’une partie du capteur qui est dédiée à chaque filtre, mais les instruments contemporains ont largement assez de pixels pour qu’une petite portion de la surface totale suffise à faire une image parfaitement utilisable.
Les défis techniques de la fabrication de filtres pour l’espace
Le passage de la théorie à la pratique représente un challenge très important, pour plusieurs raisons.
Tout d’abord, ces filtres dans l’espace, l’un des environnements les plus hostiles qui existe pour les matériaux. Fabriquer des filtres exposés en permanences à des écarts de température de presque 150°C entre l’ombre et la lumière, au vide, à l’irradiation permanente des rayons cosmiques et autres ultraviolets, demande un grand savoir-faire.
Ensuite, la technologie des capteurs évoluant sans cesse, les pixels deviennent . Il est donc de plus en plus difficile de graver et coller ensemble des bandes de filtres dont la taille avoisine quelques microns de large pour quelques centimètres de long, et d’en certifier la qualité et l’uniformité.
La fabrication des filtres Patternés pour l’espace : Une précision au micromètre
Pour faire ces filtres dits " patternés " (ou " allumettes "), nous utilisons une technique de structuration sur verre. La surface est recouverte de résine, sauf sur la mince bande où l’on veut déposer le filtre prévu. Ce filtre est en réalité constitué de plus d’une centaine de couche de matériaux (oxydes métalliques) aux propriétés optiques parfaitement contrôlées, qui vont être déposées par " évaporation avec assistance ionique ", une technique qu’HEF maîtrise très bien. Une fois ces couches successives déposées, seules les longueurs d’ondes de lumière désirées traversent cet empilement jusqu’au capteur.
La résine est ensuite enlevée, et une autre couche de résine est à nouveau déposée, avec une ouverture juste à côté, là où l’on veut déposer une nouvelle bande d’un filtre différent, et ainsi de suite jusqu’à recouvrir toute la surface de verre avec une précision de l’ordre du micromètre.
Une fois cette surface de verre entièrement recouverte d’une grande quantité de bandes de filtres " allumette " en parallèles, un dépôt absorbant sera appliqué entre ces bandes, afin que la lumière traversant un filtre ne déborde pas sur le voisin. Le produit fini pourra enfin être déposé d’un bloc sur le capteur pour l’assemblage final.
De la conception à la production
La spécificité d’HEF dans toute cette procédure de dépôt de filtres " allumettes " par couches minces est que nous maîtrisons l’ensemble des technologies et des process au même endroit. Toute la chaîne d’opérations est entièrement contrôlée par nos soins, garantissant un produit final de haute qualité.
HEF collabore avec des institutions pour l’élaboration de technologies de pointe qui pourront être utilisées dans les prochaines générations de satellites.
