WO2009127794A1 - Spectrometre compact a echantillonage bidimensionnel - Google Patents

Spectrometre compact a echantillonage bidimensionnel Download PDF

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Sylvain Blaize
Aurélien BRUYANT
Gilles Lerondel
Pascal Royer
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    • G01J3/453—Interferometric spectrometry by correlation of the amplitudes

Definitions

  • the present invention relates to the field of Fourier Transform spectrometers.
  • the invention relates more particularly to a spectrometer comprising a diopter, means for capturing at said diopter an interferogram coming from two interference beams and forming interference lines along the transverse axis of the interferogram belonging to in the plane of the diopter, said capture means comprising an array of detection elements arranged to detect the spatial distribution of said interferogram.
  • a two-dimensional spectrometer in integrated optics is known from the patent application FR 2,889,587.
  • the two interference beams are two contra-propagative waves introduced into a waveguide.
  • Sampling means in the form, for example, of nanometric pads positioned along the waveguide allow spatial sampling of the evanescent waves originating from this interference field.
  • the sensor is one-dimensional and captures the interference lines of the interferogram over their entire width, making it possible to control the resolution of the sensor.
  • the disadvantage of the solution described in this application lies in the limitation of the spectral band of analysis of the sensor. This limitation is due to the spacing between the nanometric pads which can not fall below a certain value. In indeed, below this value, diffraction problems of light prevent satisfactory measurements by the spectrometer. The system described then does not make it possible to reconstruct, by inverse Fourier transform, the entire spectrum since the interferogram is undersampled, by loss of the high frequency components.
  • a solution complementary to that described above consists in using an optical element, in particular a projection lens, in order to enlarge the dimension of the interferogram - and therefore of the interference lines - at the level of the sensor.
  • the interferogram is projected on a screen by conjugation with the lens. It is thus possible to adjust the resolution via magnification of the lens, so as to oversample the interferogram. Therefore, the limitation of the spectral band by the effects of diffraction of light are decreased.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of sensors according to the state of the art, by proposing a compact spectrometer, broad spectral band and high spectral resolution.
  • the aim of the invention is to eliminate a compromise between the spectral band and the spectral resolution, while ensuring a certain compactness of the spectrometer.
  • the invention proposes that the array of detection elements be two-dimensional, and that at least part of said capture means and the interferogram are inclined with respect to each other along the transverse axis. interferogram.
  • This inclination can be obtained in two different ways: either by physically tilting a part of the capture means with respect to the plane of the diopter, or by tilting the interferogram via a two-dimensional phase delay means. A combination of these two ways of proceeding can also be considered.
  • an interferogram from two counter-propagating incidence beams gives rise to a set of interfering lines parallel to each other. Moreover, this interferogram is invariant along the axis of the lines.
  • the inclination of the interferogram with respect to at least part of the capture means makes it possible to offset several lines of the detector array with respect to the interference lines of the interferogram while maintaining the distance between each detection element. Under these conditions, each offset line provides complementary information compared to those obtained by the other lines.
  • the sampling step is then no longer the spacing between the detection elements, but the shift of these elements from one line to another, and therefore it is possible to oversample to obtain a high spectral resolution while having an enlarged spectral band.
  • the spectrometer comprises at least one two-dimensional phase delay means arranged to delay the phase of one of the two interference beams in order to incline the interferogram with respect to the plane of the diopter along the transverse axis of the interferogram.
  • the interferogram is inclined with respect to at least part of the capture means, which makes it possible to obtain the advantage provided by the invention.
  • the spectrometer comprises at least one one-dimensional phase delay means arranged to delay the phase of one of the two interference beams so as to displace the position of the center of the interferogram along the transverse axis of the interferogram.
  • the spectrometer comprises calculation means connected at least in part to the two-dimensional array of detection elements for data processing. measured by at least a part of the detection elements and the reconstruction of the spectral distribution of at least one of the two interference beams.
  • each detection element is a transducer element.
  • a particular type of transducer element may be a pixel, for example a CCD or CMOS sensor.
  • Two types of configurations are possible depending on the angles of incidence of the two incidence beams.
  • the first configuration called “dark field”
  • the angle of incidence of each of the two interference beams on the plane of the diopter is less than the critical angle of total reflection.
  • the second configuration called “evanescent waves”
  • the angle of incidence of each of the two interference beams on the plane of the diopter is greater than the critical angle of total reflection.
  • the two-dimensional array of detection elements is inclined with respect to the interferogram along the transverse axis of the interferogram.
  • the interferogram is thus disposed on the two-dimensional network of detection elements and the inclination makes it possible to perform oversampling so that the resolution is less than a quarter of the interfrange of the interferogram.
  • the two-dimensional array of detection elements is inclined with respect to the plane of the diopter along the transverse axis of the interferogram.
  • it is the inclination of the two-dimensional array of detection elements that allows the shift of the detection element lines with respect to the interferogram.
  • add to the spectrometer a two-dimensional phase delay means arranged so as to delay the phase of one of the two interference beams in order to tilt the interferogram relative to the plane of the diopter along the transverse axis of the interferogram, provided that the inclination caused by the two-dimensional delay means is different from that of the two-dimensional array of detection elements.
  • the two-dimensional array of sensing elements is parallel to the plane of the diopter and the spectrometer comprises at least one two-dimensional phase delay means arranged to delay the phase of one of the two interference beams to tilt the interferogram relative to the plane of the diopter along the transverse axis of the interferogram.
  • the two-dimensional array of detection elements is very close to the diopter so as to be located in the zone illuminated by the two interference beams.
  • the two-dimensional array of detection elements thus directly receives light from the two interference beams.
  • the capture means also comprise an index gel disposed between said two-dimensional array of detection elements and said diopter, and in contact with said network and said diopter so as to reduce the multiple reflections between said network. and said diopter.
  • the two-dimensional array of detection elements is moved away from the diopter so as to be located in a dark area not illuminated by the two interference beams.
  • the two-dimensional array of detection elements thus does not receive light from the two interference beams.
  • the capture means also comprise a two-dimensional array of diffusion elements arranged to project the interferogram onto the two-dimensional array of propagation wave scattering detection elements.
  • the capture means also comprise a two-dimensional array of diffusion elements arranged to project the interferogram onto the two-dimensional array of evanescent wave scattering detection elements, said two-dimensional array of diffusion elements being inclined relative to the interferogram along the transverse axis of the interferogram. It is thus possible to arrange the interferogram on the two-dimensional array of detection elements via the two-dimensional network of diffusion elements located between the two-dimensional array of detection elements and the diopter. This then makes it possible to perform an oversampling so that the resolution is less than a quarter of the interfrange of the interferogram.
  • the two-dimensional network of diffusion elements is inclined with respect to the plane of the diopter along the transverse axis of the interferogram.
  • it is the inclination of the two-dimensional network of diffusion elements that allows the shift of the detection element lines with respect to the interferogram.
  • add to the spectrometer a two-dimensional phase delay means arranged so as to delay the phase of one of the two interference beams in order to tilt the interferogram relative to the plane of the diopter along the transverse axis of the interferogram, provided that the inclination caused by this two-dimensional delay means is different from that of the two-dimensional network of diffusion elements.
  • the two-dimensional network of diffusion elements is parallel to the plane of the diopter and the spectrometer comprises at least one two-dimensional phase delay means arranged in such a way as to delay the phase of the one of the two interference beams to incline the interferogram relative to the plane of the diopter along the transverse axis of the interferogram.
  • the two-dimensional array of detection elements is parallel to the two-dimensional network of diffusion elements.
  • each detection element is superimposed on a projection diffusion element along the axis orthogonal to the plane of the diopter.
  • a projection diffusion element along the axis orthogonal to the plane of the diopter.
  • the width of at least a portion of the diffusion elements is much less than a quarter of the interfrange of the interferogram.
  • the minimum resolution given by the Shannon criterion as being a quarter of the interframe of the interferogram, is not limited by the width of the scattering elements.
  • At least one diffusion element is a rod of length equal to the length of a detection element.
  • At least one diffusion element is a diffusing stud.
  • At least one diffusion element is a diffusing point.
  • the spectrometer comprises an isosceles prism arranged so that the diopter consists of at least a portion of the rear faces of the prism, and that the interference beams arrive on the face. front of the prism in normal incidence symmetrically with respect to the median plane of said front face which cuts the edge formed by the intersection of the two rear faces of said prism. It is thus possible to produce a very compact spectrometer where the inclination of the interferogram with respect to the two-dimensional array of detection elements makes it possible to control the spectral resolution and the spectral band of analysis.
  • the spectrometer comprises at least one one-dimensional phase delay means arranged to delay the phase of one of the two interference beams so as to displace the position of the center of the interferogram along the transverse axis of the interferogram.
  • these one-dimensional phase delay means at least one is arranged against one of the two front half-faces of the front face of the isosceles prism, each front half-face being formed by the intersection of the front face with the plane. median of said front face which cuts the edge formed by the intersection of the two rear faces of said prism.
  • the spectrometer comprises at least one two-dimensional phase delay means arranged to delay the phase of one of the two interference beams in order to incline the interferogram with respect to the plane of the diopter along the transverse axis of the interferogram.
  • these two-dimensional phase delay means it can be provided that at least one is disposed against one of the two front half-faces of the front face of the isosceles prism, each half-face being formed by the intersection of the front face with the median plane of said front face which cuts the edge formed by the intersection of the two rear faces of said prism. It can also be expected that at least one is disposed against one of the two rear face of the isosceles prism.
  • the spectrometer comprises a transduction means and an isosceles prism arranged so that the diopter is constituted by at least a portion of a rear face, so that a beam of interference arrives on said transducer means placed against said diopter in normal incidence after passing through the other rear face and then reflected on the front face, and that the other interference beam arrives directly on said diopter, on which it is reflected due to the presence of said transducing means.
  • this prism is a rectangle isosceles prism.
  • the invention also proposes a spectroscopic imaging device comprising means for emitting two interference beams and a spectrometer according to any one of the embodiments above.
  • the transmission means comprise a light source emitting a light beam, a means for separating this light beam into two interference beams, and means for guiding and collimating the light. These two beams of interference to the diopter so as to locate the interferogram from two interference beams at the plane of said diopter.
  • FIG. 1 a schematic diagram of a spectrometer according to a first embodiment of the invention in the so-called “dark field” configuration
  • FIG. 2 a top view of the spectrometer illustrating a second embodiment of the invention in the so-called “dark field” configuration
  • FIG. 3 a schematic diagram of a spectrometer, a first embodiment of the invention in the so-called “evanescent wave” configuration
  • FIG. 4 a top view of the spectrometer illustrating a second embodiment of the invention. invention in configuration called “evanescent waves”
  • FIG. 5 a top view of the spectrometer according to the first and second embodiments of the invention in "evanescent wave" configuration
  • FIG. 6 a graph of the intensity distribution measured by the spectrometer according to these first and second embodiments in "evanescent wave" configuration
  • FIG. 7 a top view of the spectrometer illustrating a third mode of embodiment of the invention in the configuration called "evanescent waves",
  • FIG. 8 a top view of the spectrometer according to the third embodiment of the invention in "evanescent wave" configuration
  • FIG. 9 a sectional view of the spectrometer illustrating a first configuration making it possible to obtain a "wavefront separation" interference system
  • FIG. 10 a sectional view of the spectrometer illustrating a second configuration making it possible to obtain a "wavefront separation" interference system
  • FIG. 11 a sectional view of the spectrometer illustrating a second configuration making it possible to obtain the "retro-reflection" interference system
  • FIG. 1 represents a schematic diagram of a spectrometer, a first embodiment of the invention in the so-called “dark field” configuration.
  • the spectrometer in this configuration comprises a dioptre 11, capture means 18, and calculation means 20.
  • the spectrometer makes it possible to measure the spectral distribution of a previously separated light source in two interference light beams F1 and F2, these two beams being collimated, shaped and projected on the diopter to form an interference system, or interferogram.
  • the dioptre 11 is a transparent plane located in the plane (xOy) and separating two half-planes of different refractive indices. It is arranged to locate in its plane the interferogram 12 from the two interference beams F1 and F2.
  • the two beams F1 and F2 arrive on the diopter 11 at an angle ⁇ with the transverse axis (Oz) of the diopter 11. They form an interference field 12 (or interferogram) consisting of interference lines 13 in the direction cross-section (Ox) of the interferogram belonging to the plane (xOy) of the diopter 11. lines 13 correspond to a succession of dark and brilliant fringes.
  • the capture means 18 comprise a two-dimensional array 18 of detection elements 19 situated in a plane parallel to the plane of the diopter 11.
  • the detection elements 19 are arranged equidistantly over the entire two-dimensional array 18.
  • the detection elements 19 are photosensitive transducer elements able to detect a part of the interferogram.
  • the calculation means 20 are connected to the two-dimensional network 18. More specifically, each detection element 19 of the network 18 is connected to said calculation means 20.
  • These calculation means perform the processing of the experimental data measured by each detection element 19 and the reconstruction of the spectral distribution of at least one of the two interference beams (F1, F2), or from the light source to the light source. origin of these two beams (F1.F2).
  • the electrical signals obtained by the network 18 are filtered and digitally processed to reconstitute, by inverse Fourier transform, said spectral distribution.
  • a phase delay means 23 may be arranged to be traversed by one of the two interference beams.
  • This phase delay means 23 is a phase delay line. It is crossed by the beam F1 and introduced for this beam the same phase shift whatever the plane of incidence (yOz) where we are, the phase shift being thus independent of the transverse component (Ox).
  • This line 23 thus makes it possible to move and control the position of the central glossy fringe along the axis (Oy).
  • a two-dimensional phase delay means 24 is arranged to be traversed by the other interference beam.
  • This phase delay means 24 is a two-dimensional phase delay line. It is traversed by the beam F2 and introduces a different phase shift in the transverse direction (Ox), this phase shift being incremental or linear.
  • the beam F2 crossing the phase delay line 24 then has a transverse distribution of its phase controlled by the structure of the line 24.
  • the means 24 may be for example a gradient gradient transparent element or an inclined mirror. In both cases, it makes it possible to generate a path difference that increases linearly or in stages according to the direction (Ox).
  • the light beam F2 passing through the line 24 and combined with the beam F1 makes it possible to obtain a system of shiny and dark interference lines inclined at an angle ⁇ with respect to the axis (Ox).
  • the two-dimensional array 18 of detection elements is the two-dimensional array 18 of detection elements
  • the capture means 19 is located at a very short distance from the dioptre 11 so as to be in the area illuminated by the two interference beams.
  • the capture means then also comprise an index gel 21 located between the two-dimensional array of detection elements 19 and the diopter, and in contact therewith. This makes it possible to avoid multiple reflections between the grating 18 and the diopter, which could cause interfering light disturbing the measurement on the interferogram 12.
  • the two-dimensional array 18 of detection elements 19 is remote from the diopter 11 so as to be located in a dark area not illuminated by the two interference beams.
  • the capture means then also comprise a two-dimensional network of diffusion elements arranged to project the interferogram 12 onto the two-dimensional array 18 of detection elements 19 by propagation of propagating waves.
  • FIG. 2 represents a view from above of the spectrometer illustrating a second embodiment of the invention in the so-called "dark field" configuration.
  • the spectrometer according to this embodiment has no phase delay means 24.
  • the two-dimensional array 18 of detection elements 19 is inclined at an angle ⁇ with respect to the plane (xOy) of the diopter 11 along the transverse axis (Ox) of the interferogram 12.
  • the network 18 is thus inclined with respect to the interference lines 13.
  • the phase delay means 24 is rendered unnecessary because it is not necessary to tilt the lines. interference.
  • the result obtained at the level of the detection is therefore the same as that provided by the spectrometer according to the first embodiment and illustrated in FIG. 1. Indeed, it is equivalent to tilting the lines of interference 13 an angle ⁇ and to maintain the network 18 parallel to the transverse axis (Ox) of the interferogram 12, or to incline the grating 18 by an angle ⁇ and to keep the interference lines 13 parallel to the transverse axis (Ox) of the interferogram 12.
  • FIG. 3 represents a schematic diagram of a spectrometer, a first embodiment of the invention in the so-called “evanescent wave” configuration.
  • the spectrometer in this configuration comprises in the same way a dioptre 11, capture means 18, and calculation means 20.
  • the capture means 18 comprise a two-dimensional network 18 of detection elements 19 and a two-dimensional network 15 of diffusion elements 16. These two networks are located in a plane parallel to the plane of the diopter 11.
  • the two-dimensional network 15 of diffusion elements 16 is located in a plane parallel to the plane of the diopter 11, above the plane of said dioptre 11 and in contact with the evanescent wave.
  • the diffusion elements 16 are arranged equidistantly over the entire two-dimensional network 15.
  • the detection means comprise a two-dimensional array 18 of detection elements 19 also located in a plane parallel to the plane of the diopter 11, above the plane of the two-dimensional network 15 of diffusion elements 16.
  • the detection elements 19 are arranged equidistantly over the entire two-dimensional network 18.
  • each diffusion element 16 is associated with a detection element 19.
  • the projection of a diffusion element 16 on the plane of the two-dimensional network 18 of detection elements 19 coincides with the detection element 19 associated with said element In such a configuration, each diffusion element 16 is perfectly centered below a detector 19.
  • the network 15 of diffusion elements 16 and the network 18 of detectors 19 coincide.
  • a phase delay means 23 may be arranged in the same manner as in the first dark field embodiment shown in FIG. 1.
  • the angle of incidence ⁇ of the interference beams F1, F2 is greater than the critical angle ⁇ c of total reflection.
  • Evanescent waves are then generated and localized on the surface of the low incidence side of the diopter 11. Under these conditions, no beam propagates beyond the diopter 1 1.
  • the intensity distribution at the evanescent wave reflects exactly that of the interferogram produced by the total internal reflection of the beams F1 and F2.
  • the sampled signal of this intensity distribution on the diopter 11 is obtained by combining the grating 15 of diffusing elements 16 and the network 18 of detection elements 19.
  • the shape and height of the diffusing elements 16 may be chosen in order to optimize the extraction efficiency of the evanescent wave towards the detectors 19, by using the maximum useful area of the detector 19 associated with this diffusion element 16.
  • An example of shape may be rods whose width is much less than a quarter of the interfrange and length along a fringe would be of the same order as that of the detector. In case of saturation of the detectors, it is then possible to reduce the length of the rods until obtaining points or studs.
  • a two-dimensional phase delay means 24 is arranged to be traversed by the other interference beam.
  • This phase delay means 24 is a two-dimensional phase delay line. It is traversed by the beam F2 and introduces a different phase shift in the transverse direction (Ox), this phase shift being incremental or linear.
  • the beam F2 crossing the phase delay line 24 then has a transverse distribution of its phase controlled by the structure of the line 24.
  • the means 24 may be for example a gradient gradient transparent element or an inclined mirror. In both cases, it makes it possible to generate a path difference that increases linearly or in stages according to the direction (Ox).
  • the light beam F2 passing through the line 24 and combined with the beam F1 makes it possible to obtain a system of shiny and dark interference lines inclined at an angle ⁇ with respect to the axis (Ox).
  • FIG. 4 represents a view from above of the spectrometer illustrating a second embodiment of the invention in the so-called “evanescent wave” configuration.
  • the two-dimensional arrays 15 and 18 of diffusion elements 16 and detection elements 19 are inclined at an angle ⁇ with respect to the axis (Ox) of the plane of the diopter 11.
  • the diffusion elements 16 and detection 19 are perfectly aligned.
  • the two networks 15 and 18 are thus inclined with respect to the interference lines 13.
  • the phase delay means 24 is rendered unnecessary because it is not necessary to tilt the interference lines.
  • the result obtained at the detection level is therefore the same as that provided by the spectrometer according to the first embodiment in "evanescent wave" configuration.
  • FIG. 5 represents a view from above of the spectrometer according to the first and second embodiments of the invention in "evanescent wave" configuration.
  • FIG. 6 is a graph of the intensity distribution measured by the spectrometer according to these first and second embodiments in "evanescent wave" configuration.
  • the detectors 19 located in column “a” and lines 1 to N provide a sampling of the intensity distribution along this column "a".
  • the points "1a” to “Na” give the intensity of the interference field at the corresponding points of the network 18.
  • the maximum resolution of this transverse sampling depends on the angle of inclination ⁇ between the interference lines 13 and the columns of the networks 15 and 18, as well as the size P of the pixels.
  • the Shannon criterion requires that the minimum sampling step r Min be less than or equal to one quarter of the minimum interferogram interferogram 12.
  • the wavelength resolution of the spectrometer according to the invention is related to the longitudinal component in the plane of incidence and involves a condition on the beam width projected on the plane of incidence (yOz).
  • Its spectral band of analysis is related to the transverse component (perpendicular to the plane of incidence) and involves a condition on the transversal size of the beams along the axis (Ox).
  • the performances also depend on the precision with which the inclination of the interference lines 13 with respect to the arrays 15 and 18 is carried out and controlled. Therefore, a spectrometer according to this embodiment has the advantage of having a resolution and a spectral band of analysis that do not depend on the size of the pixels.
  • FIGS. 5 and 6 also applies to the two embodiments of the invention in the "dark field" configuration, illustrated by FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 7 represents a view from above of the spectrometer illustrating a second embodiment of the invention in the so-called “evanescent wave” configuration.
  • the two-dimensional network of diffusion elements 15 is inclined at an angle ⁇ relative to the axis (Ox) of the plane of the diopter 1 1.
  • the two-dimensional network 18 of detection elements 19 is parallel to the plane of the diopter 11.
  • the diffusion elements 16 and detection 19 are inclined at an angle ⁇ along the axis (Ox) of the plane of the dioptre 11.
  • this mode called "off-center configuration"
  • only the grating 15 is tilted with respect to the interference lines 13.
  • the networks of diffusers 16 and sensors 19 are no longer superimposed.
  • This inclination of a predetermined angle ⁇ can be obtained by a method of producing grids on the surface by two-beam holography. This type of method makes it possible to register the diffusers 16 on the surface of the diopter 11 with excellent control of the angle of inclination ⁇ on all the columns.
  • FIG. 8 represents a view from above of the spectrometer according to the third embodiment of the invention in "evanescent wave” configuration.
  • FIG. 6 also illustrates the results obtained according to this third embodiment.
  • the diffusers 16 are in this case staggered with respect to the centers of the detectors 19. The offset depends on the angle of inclination ⁇ .
  • the interference line 13 is parallel to the axis (Ox).
  • the detectors 19 located in column “a” and lines 1 to N provide a sampling of the intensity distribution along this column "a", as illustrated in FIG. 6.
  • the points "1 a" to "Na” give the intensity of the interference field 12 at the corresponding points of the grating 18, in a manner similar to that obtained by the spectrometer according to the first two embodiments described above.
  • the same information is obtained at the level of the spectrometer as that obtained by the configuration according to the first two embodiments.
  • Figures 9, 10 and 11 show configurations for spectroscopic sensor applications.
  • the transducing element performing the spectroscopic function can be arranged on only one side of a prism and is shown for illustrative purposes only.
  • FIG. 9 represents a sectional view of the spectrometer illustrating a first configuration making it possible to obtain a "wavefront separation" interference system.
  • the spectrometer comprises an isosceles prism 41.
  • This isosceles prism 41 is formed of five faces: a front face (44), two rear faces (42,43), a top face and a bottom face. Said top and bottom faces each form an isosceles triangle. It is arranged so that the diopter is now constituted by at least a portion of the rear faces 42 and 43 of the prism 41.
  • the interference beams F1 and F2 arrive on the front face 44 of the prism 41. in normal incidence symmetrically with respect to the median plane of said front face 44 which cuts the edge formed by the intersection of the two rear faces 42 and 43 of said prism 41. Each beam is thus distributed along one of the two sides of this median plane.
  • the angle of the prism determines the angle of incidence of the two beams.
  • a right isosceles prism corresponds to an angle of incidence of 45 °.
  • the structure thus formed with this prism 41 ensures a compactness and a mechanical and thermal stability of the spectrometer.
  • the transducing means 25 is disposed against the rear face 43 and performs the function of spectroscopic sensor. Equivalently with what is obtained with a spectrometer according to the first three embodiments, one obtains with this configuration an interference field 12 distributed symmetrically between the two rear faces (42,43) of the isosceles prism 41. Indeed, with this configuration, the beam F1 passes through the means 23 and the prism 41, before being reflected on the rear face 42 of the prism. Similarly, the beam F2 passes through the means 24 and the prism 41, before being reflected on the rear face 43 of the prism. The interference field is thus formed on the faces 42 and 43. For example the interference on the face 42 corresponds to the interference between the light beam F1 sent on said face 42 and the beam F2 sent on said face 42 after reflection on the face 43.
  • the one-dimensional phase delay means 23 is arranged against one of the two front half-faces 44 'or 44 "of the front face 44 of the prism 41.
  • Each of the two front half-faces 44' and 44" is formed by the intersection of the front face 44 with the median plane of said front face 44 which intersects the edge formed by the intersection of the two rear faces 42 and 43 of said prism 41. It will be understood later that each front half-face (44 ', 44' ') of the prism 41 is thus constituted
  • the means 23 is arranged on the side of the beam F1 It allows to delay the beam F1 so as to shift the central fringe away from the top of the prism 41. This allows to minimize the effects of parasitic light scattered at the top.
  • the two-dimensional phase delay means 24 is disposed against the front half-face 44 "of the front face 44 of the prism 41, the first half-face 44 'being already occupied by the phase delay means 23.
  • FIG. 10 represents a sectional view of the spectrometer illustrating a second configuration making it possible to obtain a "wavefront separation" interference system.
  • the two-dimensional phase delay means 24 is disposed this time against the rear face 43 of the isosceles prism 41. This choice of the rear face 43 is due to the fact that the phase delay means 23 is arranged against the half-face before 44 '.
  • the lower part of the beam F2 undergoes reflection with a phase shift along the axis (Ox) which depends on the means 24.
  • the means 24 may be a phase-delay mirror or a mirror inclined at an angle ⁇ .
  • the transducing means 25 is disposed on the rear face 43 and also acts as a one-dimensional 23 or two-dimensional phase delay means 24. This transducer 25 makes it possible to carry out sensor applications. By being in contact with the medium to be analyzed, it can induce:
  • Fig. 11 shows a sectional view of the spectrometer illustrating a second configuration for obtaining the "retro-reflection" interference system.
  • the spectrometer has a right angle prism and an element which acts as a mirror.
  • the beam F1 arrives on the face 52 and is reflected on the face 54 to arrive on the element 25 placed against the face 53.
  • the beam F2 arrives directly on the face 53, on which it is reflected due to the presence of the element 25.
  • the interferogram or standing wave is then formed between the faces 53 and 54, which the detection system can capture and measure.
  • said transducing means 25 is combined with a two-dimensional phase delay element.
  • FIG. 12 represents a diagram of the spectroscopic imaging device according to the invention.
  • This device comprises means for transmitting the two interference beams (F1, F2) and a spectrometer according to the present invention.
  • the transmission means comprise a light source 31 emitting a light beam, a means 32 for separating this light beam into two interference beams F1 and F2 (amplitude separation), as well as guiding and collimating means (33). , 33 ') of said two beams of interference to the diopter 11.
  • the separation means 32 is constituted by a standard optical separation means, in particular one of a separating plate, a cube with a half-wave plate, optical fiber couplers, etc.
  • the two light beams F1 and F2 are collimated so as to locate the interference field 12 on the diopter 11.
  • a beam of cross-section interference rectangular example can be obtained with a system of cylindrical microlenses.
  • the two interference beams F1 and F2 respectively pass through the one-dimensional 23 and two-dimensional phase delay means 24 and are sent to the diopter 11.
  • connection for separating the light beam from the source 31 into two beams F1 and F2 is a fiber connection.
  • This device finally has two networks 15 and 18 of diffusion elements 16 and detection 19, as well as calculation means 20.
  • a spectrometer and a spectroscopic imaging device according to the invention can be used for different applications, in particular for the following applications:
  • the assembly of the spectrometer with the two-dimensional network of detection elements - by providing the appropriate inclination - also makes it possible to perform the spectroscopic function without departing from the scope of the patent.

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Abstract

La présente invention concerne un spectromètre comprenant un dioptre (11), des moyens de capture (15,18) au niveau dudit dioptre (11) d'un interférogramme (12) issu de deux faisceaux d'interférence (F1,F2) et formant des lignes d'interférence (13) suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme (12) appartenant au plan (xOy) du dioptre (11), lesdits moyens de capture (15,18) comprenant un réseau (18) d'éléments de détection (19) agencé pour détecter la répartition spatiale dudit interférogramme (12), caractérisé en ce que ledit réseau (18) d'éléments de détection (19) est bidimensionnel et en ce qu'au moins une partie desdits moyens de capture (15,18) et ledit interférogramme (12) sont inclinés l'un par rapport à l'autre suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme (12). La présente invention concerne également un dispositif d'imagerie spectroscopique comprenant des moyens d'émission de deux faisceaux d'interférence (F1,F2) et un tel spectromètre.

Description

SPECTROMETRE COMPACT A ECHANTILLONAGE BIDIMENSIONNEL
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des spectromètres à Transformée de Fourier.
L'invention se rapporte plus particulièrement à un spectromètre comprenant un dioptre, des moyens de capture au niveau dudit dioptre d'un interférogramme issu de deux faisceaux d'interférence et formant des lignes d'interférence suivant l'axe transversal de l'interférogramme appartenant au plan du dioptre, lesdits moyens de capture comprenant un réseau d'éléments de détection agencé pour détecter la répartition spatiale dudit interférogramme.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Plusieurs types de capteurs spectroscopiques, en particulier à transformée de Fourier, sont connus de l'état de la technique.
Un spectromètre à deux dimensions en optique intégrée est connu de la demande de brevet FR 2,889,587. Dans cette demande, les deux faisceaux d'interférence sont deux ondes contra-propagatives introduites dans un guide d'onde. Des moyens d'échantillonnage sous la forme par exemple de plots nanométriques positionnés le long du guide d'onde permettent un échantillonnage spatial des ondes évanescentes issues de ce champ d'interférence. Le capteur est monodimensionnel et permet de capter les lignes d'interférence de l'interférogramme sur toute leur largeur, ce qui rend possible le contrôle de la résolution du capteur.
L'inconvénient de la solution décrite dans cette demande réside dans la limitation de la bande spectrale d'analyse du capteur. Cette limitation est due à l'écartement entre les plots nanométriques qui ne peut descendre en dessous d'une certaine valeur. En effet, en dessous de cette valeur, des problèmes de diffraction de la lumière empêchent des mesures satisfaisantes par le spectromètre. Le système décrit ne permet alors pas de reconstituer, par transformée de Fourier inverse, la totalité du spectre puisque l'interférogramme est sous-échantillonnée, par perte des composantes de haute fréquence.
Egalement, une solution complémentaire de celle décrite ci-dessus consiste à utiliser une élément optique, en particulier une lentille de projection, afin d'agrandir la dimension de l'interférogramme - et donc des lignes d'interférence - au niveau du capteur. Pour cela, l'interférogramme est projeté sur un écran par conjugaison avec la lentille. Il est ainsi possible de régler la résolution via le grandissement de la lentille, de façon à sur-échantillonner l'interférogramme. Dès lors, la limitation de la bande spectrale par les effets de diffraction de la lumière sont diminués.
Cette solution implique cependant de disposer une lentille entre le capteur et le dioptre et d'éloigner le capteur de manière significative. Par conséquent, un tel spectromètre est extrêmement volumineux.
Enfin, des capteurs spectroscopiques compacts sont connus de la demande de brevet US 2002/0075483. Dans cette demande, des ondes stationnaires sont échantillonnées par un capteur ultra-fin constitué d'une membrane en vibration. Un miroir disposé en aval du capteur reflète la lumière issu d'un faisceau lumineux et ayant traversé le capteur de sorte à ce qu'elle se superpose avec celle issu du même faisceau lumineux et arrivant sur ce capteur. L'interférogramme est alors situé dans le plan central de la membrane. Cette dernière vibre de sorte à balayer au moins une partie de l'interférogramme, ce qui permet d'augmenter la résolution spectrale.
L'inconvénient de cette solution réside néanmoins dans la limitation d'amplitude de vibration de la membrane. Cette limitation est due à la nécessaire courbure de la membrane au-delà d'une certaine amplitude de vibration, ce qui fausse la mesure spectrale de manière significative. Or, puisque c'est l'amplitude de vibration qui détermine la résolution, il apparaît qu'un tel spectromètre est limité en résolution spectrale.
D'autres solutions existent enfin pour réaliser un capteur spectrosocpique compact, en particulier des capteurs à dispersion par réseau de Bragg ou des interféromètres de Michelson stationnaires et dynamiques. Néanmoins, ces capteurs ne permettent pas d'obtenir une haute résolution sans nécessairement être limités en termes de bande spectrale d'analyse ou être volumineux.
Ainsi toutes les solutions de l'état de la technique impliquent un nécessaire compromis entre, d'un côté, la résolution spectrale et, d'un autre côté, la bande spectrale d'analyse et la compacité.
OBJET DE L'INVENTION
Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des capteurs selon l'état de la technique, en proposant un spectromètre compact, large bande spectrale et haute résolution spectrale. L'invention vise à cet effet la suppression d'un compromis entre la bande spectrale et la résolution spectrale, tout en assurant une certaine compacité du spectromètre.
Dans ce but, l'invention propose que le réseau d'éléments de détection soit bidimensionnel, et qu'au moins une partie desdits moyens de capture et l'interférogramme soient inclinés l'un par rapport à l'autre suivant l'axe transversal de l'interférogramme.
Cette inclinaison peut être obtenue de deux manières différentes : soit en inclinant physiquement une partie des moyens de capture par rapport au plan du dioptre, soit en inclinant l'interférogramme via un moyen de retard de phase bidimensionnel. Une combinaison de ces deux manières de procéder peut également être envisagée.
II est connu qu'un interférogramme issu de deux faisceaux d'incidence contra- propagatifs donne lieu à un ensemble de lignes d'interférence parallèles entre elles. De plus, cet interférogramme est invariant suivant l'axe des lignes. L'inclinaison de l'interférogramme par rapport à une partie au moins des moyens de capture permet de décaler entre elles plusieurs lignes du réseau de détecteurs, par rapport aux lignes d'interférence de l'interférogramme, ceci tout en maintenant la distance entre chaque élément de détection. Dans ces conditions, chaque ligne décalée apporte une information complémentaire par rapport à celles obtenues par les autres lignes. Le pas d'échantillonnage n'est alors plus l'espacement entre les éléments de détection, mais le décalage de ces éléments d'une ligne à l'autre, et par conséquent il est possible de sur-échantillonner de façon à obtenir une haute résolution spectrale tout en disposant d'une bande spectrale élargie.
Dans un mode de réalisation visant à incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre, le spectromètre comprend au moins un moyen de retard de phase bidimensionnel agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence afin d'incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme. Ainsi l'interférogramme est incliné par rapport à une partie au moins des moyens de capture, ce qui permet d'obtenir l'avantage procuré par l'invention.
Dans un mode de réalisation visant à régler la position de l'interférogramme au niveau du dioptre, le spectromètre comprend au moins un moyen de retard de phase monodimensionnel agencé pour retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence de sorte à déplacer la position du centre de l'interférogramme suivant l'axe transversal de l'interférogramme.
Afin d'obtenir en sortie du spectromètre la discrimination du spectre de la lumière dont sont issus les deux faisceaux d'interférence, le spectromètre comprend des moyens de calcul reliés au moins en partie au réseau bidimensionnel d'éléments de détection pour le traitement des données expérimentales mesurées par au moins une partie des élément de détection et la reconstitution de la distribution spectrale d'au moins l'un des deux faisceaux d'interférence. Selon un mode de réalisation particulier, chaque élément de détection est un élément transducteur. Un type d'élément transducteur particulier peut être un pixel, par exemple d'un capteur CCD ou CMOS.
Deux types de configurations sont possible en fonction des angles d'incidence des deux faisceaux d'incidence. Dans la première configuration, dite « champ sombre », l'angle d'incidence de chacun des deux faisceaux d'interférence sur le plan du dioptre est inférieur à l'angle critique de réflexion totale. Dans la seconde configuration, dite « ondes évanescentes », l'angle d'incidence de chacun des deux faisceaux d'interférence sur le plan du dioptre est supérieur à l'angle critique de réflexion totale.
Dans le cas où l'angle d'incidence de chacun des deux faisceaux d'interférence sur le plan du dioptre est inférieur à l'angle critique de réflexion totale, c'est-à-dire en configuration dite « champ sombre », le réseau bidimensionnel d'éléments de détection est incliné par rapport à l'interférogramme suivant l'axe transversal de l'interférogramme. L'interférogramme est ainsi disposé sur le réseau bidimensionnel d'éléments de détection et l'inclinaison permet de réaliser un sur-échantillonnage de sorte que la résolution soit inférieure au quart de l'interfrange de l'interférogramme.
Selon un premier mode de réalisation de la configuration « champ sombre », le réseau bidimensionnel d'éléments de détection est incliné par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme. Dans ce cas, c'est l'inclinaison du réseau bidimensionnel d'éléments de détection qui permet le décalage des lignes d'éléments de détection par rapport à l'interférogramme. Il est également possible dans ce mode de réalisation d'adjoindre au spectromètre un moyen de retard de phase bidimensionnel agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence afin d'incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme, à condition que l'inclinaison provoquée par ce moyen de retard bidimensionnel soit différente celle du réseau bidimensionnel d'éléments de détection.
Suivant un deuxième mode de réalisation de la configuration « champ sombre », le réseau bidimensionnel d'éléments de détection est parallèle au plan du dioptre et le spectromètre comprend au moins un moyen de retard de phase bidimensionnel agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence afin d'incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme.
Dans chacun de ces modes de réalisation en configuration « champ sombre », deux types de configuration sont possibles. Dans la première configuration, le réseau bidimensionnel d'éléments de détection est très proche du dioptre de façon à ce situer dans la zone éclairée par les deux faisceaux d'interférence. Le réseau bidimensionnel d'éléments de détection reçoit ainsi directement la lumière issue des deux faisceaux d'interférence. Il est prévu dans cette configuration que les moyens de capture comprennent également un gel d'indice disposé entre ledit réseau bidimensionnel d'éléments de détection et ledit dioptre, et au contact dudit réseau et dudit dioptre de sorte à réduire les réflexions multiples entre ledit réseau et ledit dioptre.
Dans la deuxième configuration, le réseau bidimensionnel d'éléments de détection est éloigné du dioptre de façon à ce situer dans une zone sombre non éclairée par les deux faisceaux d'interférence. Le réseau bidimensionnel d'éléments de détection ne reçoit pas ainsi la lumière issue des deux faisceaux d'interférence. Il est prévu dans cette configuration que les moyens de capture comprennent également un réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion agencés pour projeter l'interférogramme sur le réseau bidimensionnel d'éléments de détection par diffusion d'ondes propagatives.
Dans le cas où l'angle d'incidence de chacun des deux faisceaux d'interférence sur le plan du dioptre est supérieur à l'angle critique de réflexion totale, c'est-à-dire en configuration dite « ondes évanescentes », les moyens de capture comprennent également un réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion agencés pour projeter l'interférogramme sur le réseau bidimensionnel d'éléments de détection par diffusion d'ondes évanescentes, ledit réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion étant incliné par rapport à l'interférogramme suivant l'axe transversal de l'interférogramme. Il est ainsi possible de disposer l'interférogramme sur le réseau bidimensionnel d'éléments de détection via le réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion située entre le réseau bidimensionnel d'éléments de détection et le dioptre. Cela permet alors de réaliser un sur-échantillonnage de sorte que la résolution soit inférieure au quart de l'interfrange de l'interférogramme.
Suivant un premier mode de réalisation de la configuration « ondes évanescentes », le réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion est incliné par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme. Dans ce cas, c'est l'inclinaison du réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion qui permet le décalage des lignes d'éléments de détection par rapport à l'interférogramme. Il est également possible dans ce mode de réalisation d'adjoindre au spectromètre un moyen de retard de phase bidimensionnel agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence afin d'incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme, à condition que l'inclinaison provoquée par ce moyen de retard bidimensionnel soit différente celle du réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion.
Suivant un deuxième mode de réalisation de la configuration « ondes évanescentes », le réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion est parallèle au plan du dioptre et le spectromètre comprend au moins un moyen de retard de phase bidimensionnel agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence afin d'incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme.
Dans chacun de ces modes de réalisation de la configuration « ondes évanescentes », il est possible de prévoir que le réseau bidimensionnel d'éléments de détection soit incliné par rapport au réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion suivant l'axe transversal de l'interférogramme.
Toujours dans ces modes de réalisation de la configuration « ondes évanescentes », il est également possible de prévoir que le réseau bidimensionnel d'éléments de détection soit parallèle au réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion.
De manière avantageuse, chaque élément de détection est superposé à un élément de diffusion par projection suivant l'axe orthogonal au plan du dioptre. Une telle configuration centrée des éléments de détection et de diffusion permet de mesurer exactement la projection de l'interférogramme sur chaque élément de détection sans décalage à corriger.
De manière avantageuse, la largeur d'au moins une partie des éléments de diffusion est très inférieure au quart de l'interfrange de l'interférogramme. Ainsi la résolution minimale, donnée par le critère de Shannon comme étant le quart de l'interfrange de l'interférogramme, n'est pas limitée par la largeur des éléments de diffusion.
Selon un premier mode particulier de mise en œuvre, au moins un élément de diffusion est un bâtonnet de longueur égale à la longueur d'un élément de détection.
Selon un deuxième mode particulier de mise en œuvre, au moins un élément de diffusion est un plot diffusant.
Selon un troisième mode particulier de mise en œuvre, au moins un élément de diffusion est un point diffusant.
Selon un premier mode de réalisation du spectromètre, celui-ci comprend un prisme isocèle agencé de manière à ce que le dioptre soit constitué par une partie au moins des faces arrières du prisme, et à ce que les faisceaux d'interférence arrivent sur la face avant du prisme en incidence normale de manière symétrique par rapport au plan médian de ladite face avant qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière dudit prisme. Il est ainsi possible de réaliser un spectromètre très compact où l'inclinaison de l'interférogramme par rapport au réseau bidimensionnel d'éléments de détection permet de contrôler la résolution spectrale et la bande spectrale d'analyse. Dans un mode de réalisation visant à régler la position de l'interférogramme au niveau du dioptre, le spectromètre comprend au moins un moyen de retard de phase monodimensionnel agencé pour retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence de sorte à déplacer la position du centre de l'interférogramme suivant l'axe transversal de l'interférogramme. Parmi ces moyens de retard de phase monodimensionnel, au moins un est disposé contre l'une des deux demi-faces avant de la face avant du prisme isocèle, chaque demi-face avant étant formée par l'intersection de la face avant avec le plan médian de ladite face avant qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière dudit prisme.
Dans un mode de réalisation visant à incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre, le spectromètre comprend au moins un moyen de retard de phase bidimensionnel agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence afin d'incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme. Parmi ces moyens de retard de phase bidimensionnel, il peut être prévu qu'au moins un soit disposé contre l'une des deux demi-faces avant de la face avant du prisme isocèle, chaque demi-face étant formée par l'intersection de la face avant avec le plan médian de ladite face avant qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière dudit prisme. Il peut être également prévu qu'au moins un soit disposé contre l'une des deux face arrière du prisme isocèle.
Selon un deuxième mode de réalisation du spectromètre, celui-ci comprend un moyen de transduction et un prisme isocèle agencé de manière à ce que le dioptre soit constitué par une partie au moins d'une face arrière, à ce qu'un faisceau d'interférence arrive sur ledit moyen de transduction placé contre ledit dioptre en incidence normale après avoir traversé l'autre face arrière puis avoir été réfléchi sur la face avant, et à ce que l'autre faisceau d'interférence arrive directement sur ledit dioptre, sur lequel il est réfléchi du fait de la présence dudit moyen de transduction.
Dans tous ces modes de réalisation utilisant un prisme isocèle, il peut être avantageusement prévu que ce prisme soit un prisme isocèle rectangle.
L'invention propose également un dispositif d'imagerie spectroscopique comprenant des moyens d'émission de deux faisceaux d'interférence et un spectromètre selon l'un quelconque des modes de réalisation ci-dessus.
Selon un mode particulier de mise en œuvre de ce dispositif, les moyens d'émission comprennent une source lumineuse émettant un faisceau lumineux, un moyen de séparation de ce faisceau lumineux en deux faisceaux d'interférence, et des moyens de guidage et de collimation de ces deux faisceaux d'interférence vers le dioptre de sorte à localiser l'interférogramme issu de deux faisceaux d'interférence au niveau du plan dudit dioptre.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation, accompagné de figures annexées représentant respectivement :
- la figure 1 , un schéma de principe d'un spectromètre selon un premier mode de réalisation de l'invention en configuration dite « champ sombre »,
- la figure 2, une vue de dessus du spectromètre illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention en configuration dite « champ sombre »,
- la figure 3, un schéma de principe d'un spectromètre un premier mode de réalisation de l'invention en configuration dite « onde évanescentes », - la figure 4, une vue de dessus du spectromètre illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention en configuration dite « ondes évanescentes »,
- la figure 5, une vue de dessus du spectromètre selon les premier et deuxième modes de réalisation de l'invention en configuration « ondes évanescentes »,
- la figure 6, un graphe de la répartition d'intensité mesurée par le spectromètre selon ces premier et deuxième modes de réalisation en configuration « ondes évanescentes »,
- la figure 7, une vue de dessus du spectromètre illustrant un troisième mode de réalisation de l'invention en configuration dite « ondes évanescentes »,
- la figure 8, une vue de dessus du spectromètre selon le troisième mode de réalisation de l'invention en configuration « ondes évanescentes »,
- la figure 9, une vue de coupe du spectromètre illustrant une première configuration permettant d'obtenir un système d'interférence par « séparation du front d'onde »,
- la figure 10, une vue de coupe du spectromètre illustrant une deuxième configuration permettant d'obtenir un système d'interférence par « séparation du front d'onde »,
- la figure 11 , une vue de coupe du spectromètre illustrant une seconde configuration permettant d'obtenir le système d'interférence par « rétro-réflexion », et
- la figure 12, un schéma du dispositif d'imagerie spectroscopique selon l'invention.
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
La figure 1 représente un schéma de principe d'un spectromètre un premier mode de réalisation de l'invention en configuration dite « champ sombre ».
Le spectromètre dans cette configuration comprend un dioptre 11 , des moyens de capture 18, et des moyens de calcul 20.
Le spectromètre permet la mesure de la distribution spectrale d'une source lumineuse préalablement séparée en deux faisceaux lumineux d'interférence F1 et F2, ces deux faisceaux étant collimatés, mis en forme et projetés sur le dioptre pour former un système d'interférences, ou interférogramme.
Le dioptre 11 est un plan transparent situé dans le plan (xOy) et séparant deux demi- plans d'indices de réfraction différents. Il est agencé pour localiser dans son plan l'interférogramme 12 issu des deux faisceaux d'interférence F1 et F2. Les deux faisceaux F1 et F2 arrivent sur le dioptre 11 en faisant un angle θ avec l'axe transversal (Oz) du dioptre 11. Ils forment un champ d'interférences 12 (ou interférogramme) constitués de lignes d'interférence 13 selon la direction transversale (Ox) de l'interférogramme appartenant au plan (xOy) du dioptre 11. Ces lignes 13 correspondent à une succession de franges sombres et brillantes.
Les moyens de capture 18 comprennent un réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 situé dans un plan parallèle au plan du dioptre 11. Les éléments de détection 19 sont disposés de manière équidistante sur l'ensemble du réseau bidimensionnel 18. Les éléments de détection 19 sont des éléments transducteurs photosensibles aptes à détecter une partie de l'interférogramme.
Les moyens de calcul 20 sont reliés au réseau bidimensionnel 18. Plus précisément, chaque élément de détection 19 du réseau 18 est relié auxdits moyens de calcul 20.
Ces moyens de calcul réalisent le traitement des données expérimentales mesurées par chaque élément de détection 19 et la reconstitution de la distribution spectrale d'au moins l'un des deux faisceaux d'interférence (F1 ,F2), ou de la source lumineuse à l'origine de ces deux faisceaux (F1.F2). Pour cela, les signaux électriques obtenus par le réseau 18 sont filtrés et traités numériquement pour reconstituer, par transformée de Fourier inverse, ladite distribution spectrale.
Selon un mode particulier de réalisation, un moyen de retard de phase 23 peut être disposé de sorte à être traversé par l'un des deux faisceaux d'interférence. Ce moyen de retard de phase 23 est une ligne à retard de phase. Elle est traversé par le faisceau F1 et introduit pour ce faisceau le même déphasage quelque soit le plan d'incidence (yOz) où l'on se trouve, le déphasage étant ainsi indépendant de la composante transversale (Ox). Cette ligne 23 permet ainsi de déplacer et de contrôler la position de la frange brillante centrale le long de l'axe (Oy).
On définit l'angle critique θc comme l'angle au-delà duquel on obtient une réflexion totale interne des faisceaux au niveau du dioptre 1 1. Par exemple, pour un dioptre séparant un milieu d'indice n=1 ,5 (demi-espace inférieur) de l'air d'indice 1 (demi- espace supérieur), cet angle θc vaut 45°. Dans ce cas particulier où l'angle d'incidence θ est inférieur à cet angle critique θc, les faisceaux d'incidence F1.F2 traversent le dioptre 11 et arrivent sur le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19. On parle alors de configuration « champ sombre ». Selon ce premier mode de réalisation en champ sombre, le réseau bidimensionnel
18 n'est pas incliné par rapport au plan (xOy) du dioptre 11. Un moyen de retard de phase à deux dimensions 24 est disposé de sorte à être traversé par l'autre faisceau d'interférence. Ce moyen de retard de phase 24 est une ligne à retard de phase bidimensionnelle. Elle est traversée par le faisceau F2 et introduit un déphasage différent selon la direction transversale (Ox), ce déphasage pouvant être incrémental ou linéaire. Le faisceau F2 traversant la ligne à retard de phase 24 présente alors une distribution transversale de sa phase contrôlée par la structure de la ligne 24. Le moyen 24 peut être par exemple un élément transparent à gradient d'indice ou un miroir incliné. Dans les deux cas, il permet de générer une différence de marche qui augmente de manière linéaire ou par étapes selon la direction (Ox).
Le faisceau lumineux F2 passant par la ligne 24 et combiné au faisceau F1 permet d'obtenir un système de lignes d'interférence brillantes et sombres inclinées d'un angle α par rapport à l'axe (Ox).
Dans ce mode de réalisation, le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection
19 est situé à une très faible distance du dioptre 11 de façon à se situer dans la zone éclairée par les deux faisceaux d'interférence. Les moyens de capture comprennent alors également un gel d'indice 21 situé entre le réseau bidimensionnel d'éléments de détection 19 et le dioptre, et au contact de ceux-ci. Cela permet d'éviter des réflexions multiples entre le réseau 18 et le dioptre, qui pourraient causer des lumières parasites faussant la mesure sur l'interférogramme 12.
Dans un autre mode de réalisation, le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 est éloigné du dioptre 11 de façon à se situer dans une zone sombre non éclairée par les deux faisceaux d'interférence. Les moyens de capture comprennent alors également un réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion agencés pour projeter l'interférogramme 12 sur le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 par diffusion d'ondes propagatives. La figure 2 représente une vue de dessus du spectromètre illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention en configuration dite « champ sombre ».
Le spectromètre selon ce mode de réalisation ne comporte pas de moyen de retard de phase 24. Le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 est incliné d'un angle α par rapport au plan (xOy) du dioptre 11 suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme 12. Le réseau 18 est ainsi incliné par rapport aux lignes d'interférences 13. Dans ce cas, le moyen de retard de phase 24 est rendu inutile car il n'est pas nécessaire d'incliner les lignes d'interférences.
Dans ces conditions, le résultat obtenu au niveau de la détection est donc le même que celui fourni par le spectromètre selon le premier mode de réalisation et illustré par la figure 1. En effet, il est équivalent d'incliner les lignes d'interférences 13 d'un angle α et de maintenir le réseau 18 parallèle à l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme 12, ou d'incliner le réseau 18 d'un angle α et de maintenir les lignes d'interférences 13 parallèles à l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme 12.
La figure 3 représente un schéma de principe d'un spectromètre un premier mode de réalisation de l'invention en configuration dite « ondes évanescentes ».
Le spectromètre dans cette configuration comprend de la même façon un dioptre 11 , des moyens de capture 18, et des moyens de calcul 20.
Dans ce cas particulier où l'angle d'incidence θ est supérieur à cet angle critique θc, les faisceaux d'incidence F1 ,F2 sont totalement réfléchis au niveau du dioptre 11 et une onde évanescente se forme du côté de l'espace de faible indice (demi-espace supérieur). On parle alors de configuration « ondes évanescentes ».
Les moyens de capture 18 comprennent un réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 et un réseau bidimensionnel 15 d'éléments de diffusion 16. Ces deux réseaux sont situés dans un plan parallèle au plan du dioptre 11. Le réseau bidimensionnel 15 d'éléments de diffusion 16 est situé dans un plan parallèle au plan du dioptre 11 , au-dessus du plan dudit dioptre 11 et en contact avec l'onde évanescente. Les éléments de diffusion 16 sont disposés de manière équidistante sur l'ensemble du réseau bidimensionnel 15.
Les moyens de détection comprennent un réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 également situé dans un plan parallèle au plan du dioptre 11 , au-dessus du plan du réseau bidimensionnel 15 d'éléments de diffusion 16. Les éléments de détection 19 sont disposés de manière équidistante sur l'ensemble du réseau bidimensionnel 18.
Avantageusement, chaque élément de diffusion 16 est associé à un élément de détection 19. La projection d'un élément de diffusion 16 sur le plan du réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 est confondu avec l'élément de détection 19 associé audit élément de diffusion 16. Dans une telle configuration, chaque élément de diffusion 16 est parfaitement centré en dessous d'un détecteur 19. Le réseau 15 d'éléments de diffusion 16 et le réseau 18 de détecteurs 19 coïncident.
Avantageusement, un moyen de retard de phase 23 peut être disposé de manière identique à celui dans le premier mde de réalisation en champ sombre illustré par la figure 1.
Dans cette configuration, l'angle d'incidence θ des faisceaux d'interférence F1 ,F2 est supérieur à l'angle critique θc de réflexion totale. Des ondes évanescentes sont alors générées et localisées en surface du côté de faible incidence du dioptre 11. Dans ces conditions, aucun faisceau ne se propage au-delà du dioptre 1 1. La distribution d'intensité au niveau de l'onde évanescente reflète exactement celle de l'interférogramme produit par la réflexion totale interne des faisceaux F1 et F2. Le signal échantillonné de cette distribution d'intensité sur le dioptre 11 est obtenu en combinant le réseau 15 d'éléments diffusants 16 et le réseau 18 d'éléments de détection 19. La forme et la hauteur des éléments diffusants 16 peut être choisie afin d'optimiser l'efficacité d'extraction de l'onde évanescente vers les détecteurs 19, en utilisant le maximum de surface utile du détecteur 19 associé à cet élément de diffusion 16. Un exemple de forme peut être des bâtonnets dont la largeur serait bien inférieure au quart de l'interfrange et de longueur le long d'une frange serait du même ordre que celle du détecteur. En cas de saturation des détecteurs, on peut alors réduire la longueur des bâtonnets jusqu'à obtenir des points ou plots.
Selon ce premier mode de réalisation en configuration « ondes évanescentes », un moyen de retard de phase à deux dimensions 24 est disposé de sorte à être traversé par l'autre faisceau d'interférence. Ce moyen de retard de phase 24 est une ligne à retard de phase bidimensionnelle. Elle est traversée par le faisceau F2 et introduit un déphasage différent selon la direction transversale (Ox), ce déphasage pouvant être incrémental ou linéaire. Le faisceau F2 traversant la ligne à retard de phase 24 présente alors une distribution transversale de sa phase contrôlée par la structure de la ligne 24. Le moyen 24 peut être par exemple un élément transparent à gradient d'indice ou un miroir incliné. Dans les deux cas, il permet de générer une différence de marche qui augmente de manière linéaire ou par étapes selon la direction (Ox). Le faisceau lumineux F2 passant par la ligne 24 et combiné au faisceau F1 permet d'obtenir un système de lignes d'interférence brillantes et sombres inclinées d'un angle α par rapport à l'axe (Ox).
La figure 4 représente une vue de dessus du spectromètre illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention en configuration dite « ondes évanescentes ».
Selon ce deuxième mode de réalisation, les réseaux bidimensionnels 15 et 18 d'éléments de diffusion 16 et de détection 19 sont inclinés d'un angle α par rapport à l'axe (Ox) du plan du dioptre 11. Les éléments de diffusion 16 et de détection 19 sont parfaitement alignés. Dans ce mode, dit « configuration centrée », les deux réseaux 15 et 18 sont ainsi inclinés par rapport aux lignes d'interférences 13. Dans ce cas, le moyen de retard de phase 24 est rendu inutile car il n'est pas nécessaire d'incliner les lignes d'interférences. Dans ces conditions, le résultat obtenu au niveau de la détection est donc le même que celui fourni par le spectromètre selon le premier mode de réalisation en configuration « ondes évanescentes ». En effet, il est équivalent d'incliner les lignes d'interférences 13 d'un angle α et de maintenir les réseaux 15 et 18 parallèles à l'axe transversal (Ox) du dioptre 11 , ou d'incliner les réseaux 15 et 18 d'un angle α et de maintenir les lignes d'interférences 13 parallèles à l'axe transversal (Ox) du dioptre 11.
La figure 5 représente une vue de dessus du spectromètre selon les premier et deuxième modes de réalisation de l'invention en configuration « ondes évanescentes ».
Comme illustré en figure 5, il est possible de réaliser un sur-échantillonnage « r » de sorte que r soit inférieur au quart de l'interfrange, tout en gardant un espacement entre les colonnes d'éléments de diffusion 16 parallèles à l'axe (Ox) qui soit égal à la taille P des pixels (en anglais « pixel pitch »). Plus précisément, P désigne la période du réseau de détecteurs et tend vers la taille du pixel dans le cas où l'espacement entre pixels est faible. Dans un mode de réalisation particulier où l'interférogramme ne serait pas périodique, l'interfrange minimale serait prise en compte pour définir la résolution maximale de l'échantillonnage et qui correspond au pas d'échantillonnage minimum rMin.
La figure 6 est un graphe de la répartition d'intensité mesurée par le spectromètre selon ces premier et deuxième modes de réalisation en configuration « ondes évanescentes ».
Comme illustré en figures 5 et 6, les détecteurs 19 situés en colonne « a » et lignes 1 à N fournissent un échantillonnage de la distribution d'intensité le long de cette colonne « a ». Les points « 1a » à « Na » donnent l'intensité du champ d'interférence aux points correspondants du réseau 18. La résolution maximale de cet échantillonnage transversal dépend de l'angle d'inclinaison α entre les lignes d'interférence 13 et les colonnes des réseaux 15 et 18, ainsi que de la taille P des pixels. Le critère de Shannon impose que le pas d'échantillonnage minimum rMin soit inférieur ou égal au quart de l'interfrange minimale de l'interférogramme 12.
La résolution en longueur d'onde du spectromètre selon l'invention est liée à la composante longitudinale dans le plan d'incidence et fait intervenir une condition sur la largeur des faisceaux projetée sur le plan d'incidence (yOz). Sa bande spectrale d'analyse est liée à la composante transversale (perpendiculaire au plan d'incidence) et fait intervenir une condition sur la taille transversale des faisceaux selon l'axe (Ox). Les performances dépendent également de la précision avec laquelle est réalisée et contrôlée l'inclinaison des lignes d'interférences 13 par rapport aux réseaux 15 et 18. Par conséquent, un spectromètre conforme à ce mode de réalisation présente l'avantage d'avoir une résolution et une bande spectrale d'analyse qui ne dépendent pas de la taille des pixels.
Le raisonnement illustré par les figures 5 et 6 s'applique également aux deux modes de réalisation de l'invention en configuration « champ sombre », illustrée par les figures 1 et 2.
La figure 7 représente une vue de dessus du spectromètre illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention en configuration dite « ondes évanescentes ».
Selon le troisième mode de réalisation, le réseau bidimensionnel 15 d'éléments de diffusion est incliné d'un angle α par rapport à l'axe (Ox) du plan du dioptre 1 1. Le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 est parallèle au plan du dioptre 11. Les éléments de diffusion 16 et de détection 19 sont inclinés d'un angle α suivant l'axe (Ox) du plan du dioptre 11. Dans ce mode, dit « configuration décentrée », seul le réseau 15 est incliné par rapport aux lignes d'interférence 13. En inclinant les colonnes d'éléments de diffusion 16 par rapport à l'axe (Ox), les réseaux de diffuseurs 16 et de capteurs 19 ne sont plus superposés. Cette inclinaison d'un angle α prédéterminé peut être obtenue par un procédé de fabrication de grilles en surface par holographie à deux faisceaux. Ce type de procédé permet d'inscrire les diffuseurs 16 à la surface du dioptre 11 avec une excellente maîtrise de l'angle d'inclinaison α sur l'ensemble des colonnes.
La figure 8 représente une vue de dessus du spectromètre selon le troisième mode de réalisation de l'invention en configuration « ondes évanescentes ».
La figure 6 illustre également les résultats obtenus selon ce troisième mode de réalisation. Les diffuseurs 16 sont dans ce cas décalés progressivement par rapport aux centres des détecteurs 19. Le décalage dépend de l'angle d'inclinaison α. La ligne d'interférence 13 est parallèle à l'axe (Ox). Les détecteurs 19 situés en colonne « a » et lignes 1 à N fournissent un échantillonnage de la distribution d'intensité le long de cette colonne « a », comme illustré en figure 6. Les points « 1 a » à « Na » donnent l'intensité du champ d'interférence 12 aux points correspondants du réseau 18, de façon similaire à celle obtenue par le spectromètre selon les deux premiers modes de réalisation décrits ci-dessus. Ainsi la même information est obtenue au niveau du spectromètre que celle obtenue par la configuration selon les deux premiers modes de réalisation.
Les figures 9, 10 et 11 représentent des configurations pour des application de capteurs spectroscopique. Dans chacune des ces configurations, l'élément de transduction réalisant la fonction spectroscopique peut être disposé uniquement sur une seule face d'un prisme et n'est représenté qu'à titre d'illustration.
La figure 9 représente une vue de coupe du spectromètre illustrant une première configuration permettant d'obtenir un système d'interférence par « séparation du front d'onde ».
Le spectromètre comporte un prisme isocèle 41. Ce prisme isocèle 41 est formé de cinq faces : une face avant (44), deux faces arrière (42,43), une face de dessus et une face de dessous. Lesdites faces de dessus et de dessous forment chacune un triangle isocèle. Il est agencé de manière à ce que le dioptre soit constitué à présent par une partie au moins des faces arrières 42 et 43 du prisme 41. Dans ce cas, les faisceaux d'interférence F1 et F2 arrivent sur la face avant 44 du prisme 41 en incidence normale de manière symétrique par rapport au plan médian de ladite face avant 44 qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière 42 et 43 dudit prisme 41. Chaque faisceau est ainsi répartie suivant l'un des deux côtés de ce plan médian. L'angle du prisme détermine l'angle d'incidence des deux faisceaux. En particulier, un prisme isocèle rectangle correspond à un angle d'incidence de 45°. La structure ainsi formée avec ce prisme 41 assure une compacité et une stabilité mécanique et thermique du spectromètre.
Le moyen de transduction 25 est disposé contre la face arrière 43 et réalise la fonction de capteur spectroscopique. De façon équivalente à ce qui est obtenu avec un spectromètre selon les trois premiers modes de réalisation, on obtient avec cette configuration un champ d'interférence 12 réparti de manière symétrique entre les deux faces arrière (42,43) du prisme isocèle 41. En effet, avec cette configuration, le faisceau F1 traverse le moyen 23 puis le prisme 41 , avant d'être réfléchi sur la face arrière 42 du prisme. De même, le faisceau F2 traverse le moyen 24 puis le prisme 41 , avant d'être réfléchi sur la face arrière 43 du prisme. Le champ d'interférence se forme donc sur les faces 42 et 43. Par exemple les interférences sur la face 42 correspondent aux interférences entre le faisceau lumineux F1 envoyé sur ladite face 42 et le faisceau F2 envoyé sur ladite face 42 après réflexion sur la face 43.
Le moyen de retard de phase monodimensionnel 23 est disposé contre l'une des deux demi-faces avant 44' ou 44" de la face avant 44 du prisme 41. Chacune des deux demi-faces avant 44' et 44" est formée par l'intersection de la face avant 44 avec le plan médian de ladite face avant 44 qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière 42 et 43 dudit prisme 41. On entendra par la suite que chaque demi-face avant (44', 44") du prisme 41 est ainsi constituée. Dans cette configuration, le moyen 23 est disposé du côté du faisceau F1. Il permet de retarder le faisceau F1 de manière à décaler la frange centrale loin du sommet du prisme 41. Cela permet de minimiser les effets de la lumière parasite diffusée au sommet.
Le moyen de retard de phase bidimensionnel 24 est disposé contre la demi-face avant 44" de la face avant 44 du prisme 41, la première demi-face 44' étant déjà occupée par le moyen de retard de phase 23.
La figure 10 représente une vue de coupe du spectromètre illustrant une deuxième configuration permettant d'obtenir un système d'interférence par « séparation du front d'onde ».
Le moyen de retard de phase bidimensionnel 24 est disposé cette fois-ci contre la face arrière 43 du prisme isocèle 41. Ce choix de la face arrière 43 est du au fait que le moyen de retard de phase 23 est disposé contre la demi-face avant 44'. La partie inférieure du faisceau F2 subit une réflexion avec un déphasage selon l'axe (Ox) qui dépend du moyen 24. Dans ce cas, le moyen 24 peut être un miroir à retard de phase ou un miroir incliné d'un angle α.
Le moyen de transduction 25 est disposé sur la face arrière 43 et joue aussi le rôle de moyen de retard de phase monodimensionnel 23 ou bidimensionnel 24. Ce transducteur 25 permet de réaliser des applications de capteurs. En étant en contact avec le milieu à analyser, il peut induire :
- un déphasage ou une modification du spectre de réflexion (activation de surface sur miroir diélectrique dont l'indice de réfraction dépend du milieu extérieur), - une variation d'angle de réflexion ou une absorption (plasmons de surface), et
- un découplage vers l'extérieur du prisme (réseaux de Bragg).
La figure 11 représente une vue de coupe du spectromètre illustrant une seconde configuration permettant d'obtenir le système d'interférence par « rétro-réflexion ».
Le spectromètre comporte un prisme à angle droit et un élément 25 qui joue le rôle d'un miroir. Le faisceau F1 arrive sur la face 52 puis est réfléchi sur la face 54 afin d'arriver sur l'élément 25 placé contre la face 53. Le faisceau F2 arrive directement sur la face 53, sur laquelle il est réfléchi du fait de la présence de l'élément 25. Il se forme alors l'interférogramme ou onde stationnaire entre les faces 53 et 54, qui le système de détection peut capter et mesurer. Selon un autre mode de réalisation, ledit moyen de transduction 25 est combiné avec un élément de retard de phase bidimensionnel.
La figure 12 représente un schéma du dispositif d'imagerie spectroscopique selon l'invention.
Ce dispositif comprend des moyens d'émission des deux faisceaux d'interférence (F1 ,F2) et un spectromètre conforme à la présente invention.
Les moyens d'émission comprennent une source lumineuse 31 émettant un faisceau lumineux, un moyen de séparation 32 de ce faisceau lumineux en deux faisceaux d'interférence F1 et F2 (séparation en amplitude), ainsi que des moyens de guidage et de collimation (33,33') desdits deux faisceaux d'interférence vers le dioptre 11.
Le moyen de séparation 32 est constitué par un moyen de séparation optique standard, en particulier un moyen parmi une lame séparatrice, un cube avec une lame demi-onde, des coupleurs en optique fibre, etc.
A l'aide des moyens de guidage et de collimation (33,33'), les deux faisceaux lumineux F1 et F2 sont collimatés de sorte à localiser le champ d'interférence 12 sur le dioptre 11. Un faisceau d'interférence de section par exemple rectangulaire peut être obtenu avec un système de microlentilles cylindriques.
Les deux faisceaux d'interférence F1 et F2 traversent respectivement les moyens de retard de phase monodimensionnel 23 et bidimensionnel 24 et sont envoyés vers le dioptre 11. Le dioptre 1 1 peut être par exemple l'une au moins des faces du prisme 41. Dans la cas où la détection se fait dans l'air, l'angle d'incidence θ est supérieur à l'angle critique θc = Arcsin(1/n). Plus précisément, mis à part le dioptre 11 , la forme du prisme 41 peut être quelconque : sphérique, trois ou plusieurs faces, etc.
La connexion permettant de séparer le faisceau lumineux issus de la source 31 en deux faisceaux F1 et F2 est une connexion fibrée. Ce dispositif comporte enfin deux réseaux 15 et 18 d'éléments de diffusion 16 et de détection 19, ainsi que des moyens de calcul 20.
Un spectromètre et un dispositif d'imagerie spectroscopique conforme à l'invention peuvent être utilisés pour différentes applications, en particulier pour les applications suivantes :
- un dispositif de mesure colorimétrique dans le visible, par exemple pour une bande spectrale 380-730nm avec une résolution de 10nm : un dispositif suffisant présente un angle d'incidence θ=70°, une taille de pixel P=12μm, un angle d'inclinaison α=0,16°, une taille transversale des faisceaux Lx=4,2mm et une largeur de faisceau Lyz≈O, 01 mm ;
- un dispositif de télécommunication dans l'infrarouge, par exemple pour une bande spectrale 1400-1600nm avec une résolution de 1 nm : un dispositif suffisant présente un angle d'incidence θ=70°, une taille de pixel P=12μm, un angle d'inclinaison α=0,6°, une taille transversale des faisceaux Lx=1 ,2mm et une largeur de faisceau Lyz=0, 5mm ;
- un dispositif de spectroscopie d'absorption dans l'infrarouge, par exemple pour une bande spectrale 1500-1600nm avec une résolution de 0,2nm : un dispositif suffisant présente un angle d'incidence θ=70°, une taille de pixel P=12μm, un angle d'inclinaison α=1 ,27°, une taille transversale des faisceaux Lx=0,5mm et une largeur de faisceau Ly=2,2mm.
Les modes de réalisation précédemment décrits de la présente invention sont donnés à titre d'exemples et ne sont nullement limitatifs. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet.
En particulier, il est possible de ne pas intégrer directement le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 au spectromètre. Dans ce cas, l'assemblage du spectromètre avec le réseau bidimensionnel d'éléments de détection - en prévoyant l'inclinaison qui convient - permet également de réaliser la fonction spectroscopique sans pour autant sortir du cadre du brevet.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Spectromètre comprenant un dioptre (11), des moyens de capture (15,18) au niveau dudit dioptre (11 ) d'un interférogramme (12) issu de deux faisceaux d'interférence (F1 ,F2) et formant des lignes d'interférence (13) suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme (12) appartenant au plan (xOy) du dioptre (11 ), lesdits moyens de capture (15,18) comprenant un réseau (18) d'éléments de détection (19) agencé pour détecter la répartition spatiale dudit interférogramme (12), caractérisé en ce que ledit réseau (18) d'éléments de détection (19) est bidimensionnel et en ce qu'au moins une partie desdits moyens de capture (15,18) et ledit interférogramme (12) sont inclinés l'un par rapport à l'autre suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme (12).
2 - Spectromètre selon la revendication 1 , comprenant au moins un moyen de retard de phase bidimensionnel (24) agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence (F1.F2) afin d'incliner l'interférogramme (12) par rapport au plan (xOy) du dioptre (11) suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme (12).
3 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant au moins un moyen de retard de phase monodimensionnel (23) agencé pour retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence (F1.F2) de sorte à déplacer la position du centre de l'interférogramme (12) suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme (12).
4 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens de calcul (20) reliés au moins en partie au réseau bidimensionnel (18) d'éléments de détection (19) pour le traitement des données expérimentales mesurées par au moins une partie des éléments de détection (19) et la reconstitution de la distribution spectrale d'au moins l'un des deux faisceaux d'interférence (F1 ,F2).
5 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque élément de détection (19) est un élément transducteur.
6 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, pour lequel l'angle d'incidence de chacun desdits deux faisceaux d'interférence (F1 ,F2) sur le plan (xOy) du dioptre (11 ) est inférieur à l'angle critique (θc) de réflexion totale, dans lequel le réseau bidimensionnel (18) d'éléments de détection (19) est incliné par rapport à l'interférogramme (12) suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme (12).
7 - Spectromètre selon la revendication 6, dans lequel le réseau bidimensionnel (18) d'éléments de détection (19) est incliné par rapport au plan (xOy) du dioptre (11) suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme (12).
8 - Spectromètre selon la revendication 6 en dépendance de la revendication 2, dans lequel le réseau bidimensionnel (18) d'éléments de détection (19) est parallèle au plan (xOy) du dioptre (11 ).
9 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel les moyens de capture (15,18) comprennent également un gel d'indice (21 ) disposé entre ledit réseau bidimensionnel (18) d'éléments de détection (19) et ledit dioptre
(11 ), et au contact dudit réseau (18) et dudit dioptre (11 ) de sorte à réduire les réflexions multiples entre ledit réseau (18) et ledit dioptre (11).
10 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel les moyens de capture (15,18) comprennent également un réseau bidimensionnel (15) d'éléments de diffusion (16) agencés pour projeter l'interférogramme (12) sur le réseau bidimensionnel (18) d'éléments de détection (19) par diffusion d'ondes propagatives.
11 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, pour lequel l'angle d'incidence de chacun desdits deux faisceaux d'interférence (F1.F2) sur le plan (xOy) du dioptre (11 ) est supérieur à l'angle critique (θc) de réflexion totale, dans lequel les moyens de capture (15,18) comprennent également un réseau bidimensionnel (15) d'éléments de diffusion (16) agencés pour projeter l'interférogràmme (12) sur le réseau bidimensionnel (18) d'éléments de détection (19) par diffusion d'ondes évanescentes, ledit réseau bidimensionnel (15) d'éléments de diffusion (16) étant incliné par rapport à l'interférogràmme (12) suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogràmme (12).
12 - Spectromètre selon la revendication 11 , dans lequel le réseau bidimensionnel (15) d'éléments de diffusion (16) est incliné par rapport au plan (xOy) du dioptre (11 ) suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogràmme (12).
13 - Spectromètre selon la revendication 11 en dépendance de la revendication 2, dans lequel le réseau bidimensionnel (15) d'éléments de diffusion (16) est parallèle au plan (xOy) du dioptre (11 ).
14 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel le réseau bidimensionnel (18) d'éléments de détection (19) est incliné par rapport au réseau bidimensionnel (15) d'éléments de diffusion (16) suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogràmme (12).
15 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel le réseau bidimensionnel (18) d'éléments de détection (19) est parallèle au réseau bidimensionnel (15) d'éléments de diffusion (16).
16 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, dans lequel chaque élément de détection (19) est superposé à un élément de diffusion (16) par projection suivant l'axe orthogonal (Oz) au plan (xOy) du dioptre (11 ).
17 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 11 à 16, dans lequel la largeur d'au moins une partie des éléments de diffusion (16) est très inférieure au quart de l'interfrange de l'interférogràmme (12). 18 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 11 à 17, dans lequel au moins un élément de diffusion (16) est un bâtonnet de longueur égale à la longueur d'un élément de détection (19).
19 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 11 à 18, dans lequel au moins un élément de diffusion (16) est un plot diffusant.
20 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 11 à 19, dans lequel au moins un élément de diffusion (16) est un point diffusant.
21 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant un prisme isocèle (41) agencé de manière à ce que le dioptre (11 ,42,43) soit constitué par une partie au moins des faces arrières (42,43) du prisme (41 ), et à ce que les faisceaux d'interférence (F1 ,F2) arrivent sur la face avant (44) du prisme (41 ) en incidence normale de manière symétrique par rapport au plan médian de ladite face avant (44) qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière (42,43) dudit prisme (41).
22 - Spectromètre selon la revendication 21 en dépendance de la revendication
3, dans lequel au moins un moyen de retard de phase monodimensionnel (23) est disposé contre l'une des deux demi-faces avant (44',44") de la face avant (44) du prisme isocèle (41 ), chaque demi-face avant (44',44") étant formée par l'intersection de la face avant (44) avec le plan médian de ladite face avant (44) qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière (42,43) dudit prisme (41 ).
23 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 21 à 22 en dépendance de la revendication 2, dans lequel au moins un moyen de retard de phase bidimensionnel (24) est disposé contre l'une des deux demi-faces avant (44',44") de la face avant (44) du prisme isocèle (41 ), chaque demi-face (44', 44") étant formée par l'intersection de la face avant (44) avec le plan médian de ladite face avant (44) qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière (42,43) dudit prisme (41 ).
24 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 21 à 23 en dépendance de la revendication 2, dans lequel au moins un moyen de retard de phase bidimensionnel (24) est disposé contre l'une des deux face arrière (42,43) du prisme isocèle (41).
25 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 21 à 24, comprenant un moyen de transduction (25) et un prisme isocèle (51 ) agencé de manière à ce que le dioptre (11 ,53) soit constitué par une partie au moins d'une face arrière (53), à ce qu'un faisceau d'interférence (F1 ) arrive sur ledit moyen de transduction 25 placé contre ledit dioptre (11 ,53) en incidence normale après avoir traversé l'autre face arrière (52) puis avoir été réfléchi sur la face avant (54), et à ce que l'autre faisceau d'interférence (F2) arrive directement sur ledit dioptre (11 ,53), sur lequel il est réfléchi du fait de la présence dudit moyen de transduction 25.
26 - Spectromètre selon l'une quelconque des revendications 21 à 25, dans lequel ledit prisme isocèle (41 ,51 ) est un prisme isocèle rectangle.
27 - Dispositif d'imagerie spectroscopique comprenant des moyens d'émission de deux faisceaux d'interférence (F1 ,F2) et un spectromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes.
28 - Dispositif d'imagerie spectroscopique selon la revendication 27, dans lequel les moyens d'émission comprennent une source lumineuse (31 ) émettant un faisceau lumineux, un moyen de séparation (32) de ce faisceau lumineux en deux faisceaux d'interférence (F1.F2), et des moyens de guidage et de collimation
(33', 33") de ces deux faisceaux d'interférence (F1 ,F2) vers le dioptre (11 ) de sorte à localiser l'interférogramme (12) issu de deux faisceaux d'interférence (F1.F2) au niveau du plan (xOy) dudit dioptre (11 ).
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