Brevet FR2003299A1 — publié le 19691107

i 2003299 Les spectromètres sont des dispositifs utilisés pour mesurer la distribution de l'énergie spectrale frappant sa fente d'entrée. Les spectromètres peuvent, d'une manière générale, être classés en deux types, à savoir : le type dispersif qui provoque une concen-5 tration de l'énergie dans l'espace en fonction de la longueur d'cnde et le type interféromètre qui produit des interférences distribuées dans l'espace en fonction de la longueur d'onde. Le type dispersif doit être utilisé dans toutes les situations où il est nécessaire d'isoler un intervalle de longueurs d'ondes particulier, c'est à 10 dire, dans les expériences dont les résultats dépendent de l'énergie des photons constituant l'énergie incidente. Deux procédés sont classiquement utilisés pour produire la dispersion, le premier utilisant un prisme et le second un réseau de diffraction. Le premier procédé est fondé sur les vaiiations de la vitesse des photons en 15 fonction de leur énergie et, partant, dépend dans une large mesure de l'utilisation de matières appropriées. Le second procédé utilise les interférences entre les ondelettes réfléchies par les diverses parties d'une surface réglée ou rayée. Du fait que des interférences peuvent se produire pour chaque nombre entier d'ondes com-20 pris entre deux rayures voisines du réseau, la séparation spatiale en fonction de la longueur d'onde n'est pas unique. En conséquence, il est nécessaire d'utiliser avec le réseau, un procédé de "triage d'ordre". Du fait des variations d'espacement et d'inclinaison des rayu-25 res qui se produisent généralement pendant la fabrication de ces réseaux, il n'a pas été possible jusqu'à présent d'utiliser ceux-ci dans le cas où la longueur d'onde à mesurer est située dans la région visible du spectre et lorsque le nombre des différences des longueurs d'ondes est grand entre les rayures voisines. Une excep-30 tion réside dans l'utilisation d'un réseau dit "en échelle" pour la spectrographie de l'infra-rouge lointain, où les dimensions des rayures sont suffisamment grandes pour que les tolérances d'usinage obtenues permettent d'utiliser des machines-outils pour leur fabrication. Toutefois, récemment de nouvelles techniques pour 35 contrôler le rayage des réseaux ont permis de produire avec une précision convenable des réseaux pouvant être utilisés dans les régions visible et ultra-violette du spectre. Des spectromètres utilisant de tels réseaux ont été étudiés et construits et des instruments sont disponibles qui utilisent une combinaison de deux 40 spectromètres en série, dont l'un sert à sélectionner l'ordre de 69 05949 2 2003299 l'autre. Toutefois, la majorité de ces instruments n'opèrent que dans un étroit intervalle de longueurs d'ondes à chaque position de réglage. Ceci est dû à ce que les réseaux classiques capables d'une haute résolution produisent un étalement angulaire 5 trop grand pour être convenablement collecté et focalisé. L'invention apporte un nouveau spectromètre à réseau en échelle qui ne présente pas les défauts de la technique antérieure. Le nouveau spectzariètre de la présente invention comprend les composants essentiels suivants : 10 Une fente d'entrée, au moins un premier miroir de collimation, un prisme, un réseau en échelle et, au moins un premier plan focal de sortie. Le réseau est monté dans le spectiomètre de façon à tourner suivant deux directions, à savoir : 1) autour d'un axe parallèle 15 à l'axe de montage du prisme qui est parallèle à la face de celui-ci, et 2)autour d'un axe parallèle aux rayures du réseau et, partant, perpendiculaire au premier axe de montage du réseau, offrant ainsi un moyen pour régler la commosante verticale et horizontale de l'énergie dispersée dansée plan focal. 20 La possibilité de rotation mentionnée ci-dessus du réseau de diffraction permet de régler séparément les composantes horizontales et verticales de l'énergie dispersée dans le plan de sortie focal, permettant ainsi d'obtenir une meilleure résolution et un meilleur espacement d'ordres qu'il n'était possible auparavant. 25 Le prisme est monté à rotation autour d'un axe qui passe par le rayon central du faisceau incident et qui est parallèle à la première surface de ce prisme, c'est-à-dire à la face sur laquelle tombe le faisceau incident. En faisant pivoter le prisme, l'angle entre l'énergie incidente et la face de celui-ci peut "être ré-30 glé sans modifier de façon appréciable, la position du faisceau incident sur cette face. En ne permettant qu'un seul degré de liberté de rotation du prisme, on est assuré que la dispersion du prisme ne s'additionne pas par inadvertance à celle du réseau. De préférence, la face du prisme qui est la plus éloignée du réseau 35 n'est pas dispersive, ce qui évite la nécessité de déplacer les miroirs de collimation. Bien que la forme de la fente d'entrée ne soit pas critique, il est préférable qu'elle soit de cinq à dix fois plus longue que large. ^0 L'excellente résolution du nouveau spectromètre selon l'in 69 05949 h 2003299 vention peut être mise en évidence par la méthode du triplet du fer. L'industrie utilise comme règle pratique de l'acceptabilité d'un spectromètre la référence à ce que l'on appelle le "triplet du fer'' O c'est à dire, à une série de lignes situées à 3020 A. Un instrument 5 est considéré comme satisfaisant lorsqu'on peut distinguer trois lignes sur un spectrographe avec un faible agrandissement. Grâce au degré élevé de résolution pouvant être obtenu avec le nouveau dispositif de la présente invention, or)£eut réaliser des spectro-graphes qui non seulement montrent trois lignes du triplet du fer, 10 mais où l'on voit réellement cinq lignes, ces lignes pouvant être vues sans agrandissement. Par lin choix judicieux de la forme et de la matière du prisme jointes à un réseau en échelle ayant un nombre approprié de rayures convenablement espacées, on peut facilement obtenir une 15 puissance de résolution de 250.000 dans toute la région spectrale O comprise entre 1200 A et 0,50 yx. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortir ont de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans 20 lequel : - la fig. 1 est une représentation schématique en plan d'un spectromètre conforme à la présente invention montrant la disposition de son prisme par rapport au réseau de diffraction, - la fig. 2 est une vue en élévë;ion de la fig. 1, 25 - la fig. 3 est une représentation schématique du spectromè tre de l'invention, et, - la fig. 4 est une représentation schématique d'un système optiquecfestiné à être utilisé avec le spectromètre de l'invention pour former une image sur la surface du réseau. 30 En se référant aux fig. 1 et 2, on voit, sous une forme sché matique, la relation entre le prisme et le réseau en échelle, ainsi que le montage et la disposition des axes de rotation de ce prisme et de ce réseau. L'énergie émanant d'une source (non-représentée) frappe le prisme 11, qui est monté sur une plaque 18 et qui tourne 35 sur un axe 14. L'énergie incidente traverse le prisme 11 et est dispersée le long de la première coordonnée s'étendant dans la direction de la longueur de la fente. L'énergie incidente ainsi dispersée par le prisme 11 frappe un réseau en échelle 12 qui est monté sur une plaque 17 dont l'arbre 16 s'étend parallèlement aux rayures 40 dudit réseau 12, la plaque de montage du réseau étant reliée à un 69 05949 4 2003299 arbre 15 qui est perpendiculaire à l'arbre 16 et parallèle à l'arbre 14 du prisme. L'arbre 14 est fixé à une plaque de montage verticale 19 qui est disposée perpendiculairement à une base 13. L'énergie diffractée par le réseau 13 revient maintenant à travers le 5 prisme 11 où elle est à nouveau réfractée et dirigée vers un collimateur de sortie (non-représenté). La disposition du prisme et du réseau représentés sur les fig. 1 et 2 produit une dispersion maximale par le prisme et par le réseau, tout en permettant de maintenir les dimensions de ces derniers dans des limites raison-10 nables, et en maintenant un faisceau compact qui permet à l'instrument d'avoir des dimensions relativement petites, comparativement aux dispositifs commerciaux antérieurs. Comme le montrent les fig. 1 et 2, le prisme et le réseau sont supportés par unefclaque de montage verticale qui, de son coté 15 est supportée par une plaque de base. Les paliers de l'arbre sont montés dans la plaque de montage verticale. Dans une variante de réalisation, la plaque de base peut être montée dans le châssis de l'instrument au moyen d'un arbre qui tourne autour d'un axe vertical passant par l'intersection du rayon central du faisceau inci-20 dent et de la première surface du prisme. Les miroirs de collimation utilisés dans la présente invention peuvent être soit sphériques, soit avoir une forme parabolique désaxée. La fig. 3 représente schématjojBment un spectromètre complet 25 conforme à l'invention. L'énergie émanant d'une source 25 est focalisée par un système optique 26 sur une fente d'entrée 21. L'éna?-gie qui traverse la fente 21 vient frapper un miroir de collimation 22 qui la dirige vers un prisme 11, lequel disperse cette énergie sur un réseau en échelle 12. Le prisme 11 tourne autour d'un arbre 30 14, tandis que le réseau 12 tourne autour d'un arbre 16 et d'un arbre 15 (non-représenté). L'énergie dispersée, qui est réfléchie par les faces des rayures du réseau 12, retourne à travers le prisme 11 vers le miroir de collimation 23 d'où elle est focalisée sur un plan focal de sortie 24. 35 Dans l'exemple ci-dessus, l'orientation du réseau est choisie de manière à renvoyer l'énergie directement du réseau vers le collimateur de sortie en la faisant passer une seconde fois à travers le prisme. Dans une variante de réalisation l'orientation du réseau ■ est telle que l'énergie réfléchie par celui-ci se dirige vers le 40 collimateur sans repasser par le prisme. Cette variante de réali 69 05949 5 2003299 sation est avantageuse dans les applications où l'énergie parasite introduite par dispersion de l'énergie incidente par la première surface du prisme est indésirable. Le nouveau spectromètre de la présente invention, grâce à 5 la disposition mutuelle de son prisme et de son réseau de diffraction, produit un plan focal essentiellement carré pour, au moins, une octave spectrale. Il en résulte, en même temps, une meilleure résolution et une gamme spectrale plus large avec, en outre, l'avantage que seule une petite plage d'angles est produite par ]0 rapport au rayon central du point focal. Le nouveau spectromètre de l'invention a un plan focal qui est particulièrement bien adapté à être utilisé pour des procédés de détection électro-optiques bidimensionnels. Comme exemples de détecteurs pouvant être utilisés avec le spectromètre de l'inven-15 tion, on peut mentionner les bdteries de détecteurs, les tubes de prise de vues, les amplificateurs de lumière, les convertisseurs d'images, les codeurs spatio-temporels et les corrélateurs optiques. Les procédés classiques pour quantifier les signaux de sor-20 tie d'un spectromètre utilisent soit un film photographique comme milieu de conservation intermédiaire en ayant ensuite recours à une densitométrie quantitative du film développé, soit utilisent un ou plusieurs détecteurs photo-électroniques pour produire un signal de sortie électrique correspondant à la longueur d'onde 25 particulière frappant le détecteur. La configuration du plan focal des spectromètres classiques ne permet pas d'utiliser commodément les dispositifs électro-optiques bidimensionnels, tels que les tubes de prise de vues. L'un des grands avantages du type d'image produit par le nouveau spectromètre de la pré-30 sente invention réside dans la nature bidimensionnelle de cette image, jointe à l'échelle de résolution introduite par les ordres successifs qui permettent d'utiliser des détecteurs électro-optiques bidimensionnels quantitatifs. Un autre avantage du spectromètre de l'invention réside dans la gamme relativement petite 35 d'angles des faisceaux contribuant à former l'image du plan focal ; en conséquence, il est relativement facile de recueillir l'énergie suivant le plan focal spectral initial et d'exécuter une nouvelle projection de l'image. Ce dernier avantage est particulièrement précieux dans les cas if) où il est utile de modifier les données spectrales avant la détection 69 05949 6 2003299 électro-optique. C'est ainsi que dans les cas où l'on sait qu'il existe une large gamme dynamique de composants spectraux, un filtrage approprié peut être effectué au premier plan focal pour compenser cette gamme dynamique et pour éviter une saturation 5 locale du détecteur et égaliser l'intensité des lignes spectrales intéressantes, de sorte qu'ion détecteur ayant une gamme dynamique limitée, tel qu'un tube de prise de vues, peut être utilisé. Dans un autre mode de réalisation, on introduit dans le premier plan focal spectral ion codeur spatio-temporel, puis on 10 recueille l'énergie transmise sur un simple détecteur. Cette technique fournit une séquence temporelle unique correspondant à chaque élément de résolution du plan focal spectral. L'intensité correspondante peut être décodée à partir des signaux de sortie du détecteur unique en utilisant une auto-15 corrélation temporelle. Dans le cas où seule line petite fraction des données spectrales serait désirée, des reconstructions multiples de l'image peuvent être utilisées avec un cache de transmission fixe dans le premier plan focal spectral, en procédant ensuite à une reconstruction de 1'image dans un second plan 20 focal spectral où le codeur spatio-temporel est placé. En se référant maintenant à la Fig. 4, on voit un exemple d'une reconstruction multiple de l'image. L'énergie de sortie du spectromètre 31 apparaissant dans le plan focal spectral 30 passe à travers une optique de condensation 32 pour produire une premiè-25 re image 33 sur la face du réseau. Le faisceau ainsi émis passe ensuite à travers une optique de reconstruction d'image 37 pour produire une seconde image 3^ du plan focal spectral et, de là, gagne l'optique de reconstruction 35 Qui produit une seconde image 36 de la face du réseau. Un disque de codage spatial ou 30 tout autre type de codeur, ou bien un tube de prise de vues pourrait, facultativement, être utilisé dans le plan focal spectral 36 ou à une image ultérieure du plan focal spectral 3^. Le plan focal essentiellement carré produit par le spectromètre en échelle de la présente invention permet d'utiliser des 35 dispositifs électro-optiques bidimensionnels, tels que des amplificateurs de lumière et des convertisseurs d'image en plus des transducteurs électro-optiques classiques, tels que les tubes vidicon et image orthicon. Ces dispositifs peuvent être utilisés pour augmenter la sensibilité du spectromètre ou pour étendre la 40 plage spectrale du tube. 69 05949 7 2003299 Un filtrage optique incohérent bidimensionnel par exemple, au moyen d'un corrélateur optique, pourrait également être utilisé avec le type d'image engendré par le spectromètre de l'invention. Une corrélation optique utilisant un grand nombre de lignes 5 spectrales par élément produit une plus grande sensibilité que les techniques classiques qui n'utilisent qu'une seule ligne spectrale par élément. L'aptitude du spectromètre à observer et à détecter une large gamme de fréquences avec une grande résolution est utile aussi 10 bien lorsque l'énergie analysée est due à l'émission d'un rayonnement par une matière, qu'à l'absorption du rayonnement d'une source connue par cette matière. Certains instruments particuliers peuvent être adaptés à des problèmes spécifiques, mais les avantages fondamentaux du présent spectromètre résident dans la nature 15 bidimensionnelle du plan focal et dans 1'échelle de résolutions introduite dans l'observation de divers ordres. Un réseau en échelle adapté à être utilisé dans la présente invention comporte 73*25 lignes/mm, la face des rayures ayant un angle d'environ 63°. Un prisme 30-60-90° en fluorure de calcium 20 produit la séparation nécessaire des ordres et une large couverture spectrale. Les longueurs focales et les dimensions des fentes sont choisies en fonction de la configuration particulière de l'instrument et des applications auxquelles il est destiné. Ce système dispersif peut être combiné, par exemple, avec 25 une optique ayant line longueur focale de 1 mètre pour produire O un instrument ayant une dispersion mutuelle de 1,4 A/mm à une O O O longueur d'onde d'environ 5000 A ou 0,7 A/mm à 2500 A et couvrant O une plage spectrale comprise entre 1500 et 6000 A sur une seule plaque de 4 x 5 placée dans le plan focal. La résolution est d'en- O O 30 viron 0,03 A à 2500 A avec une fente d'une largeur de 50 y. Lors de l'utilisation d'un tube de prise de vues, tel qu'un tube vidicon, la longueur focale du collimateur de sortie est, de préférence, ramenée à environ 125 mm. On obtient ainsi une dis- O ,0 persion mutuelle de 11,2 A/mm ou une résolution d'environ 0,5 A 35 avec un vidicon classique. Un dispositif très compact est obtenu en utilisant une optique ayant une longueur focale de 0,5 La dispersion mutuelle est comparable à celle obtenue avec un instrument classique de 3 mè- O très (2,8 A/mm),tout en occupant moins de 30 cm d'espace vertical, 40 et moins de 60 cm de profondeur. La résolution est approximative- m owgin* 69 05949 8 2003299 O o ment de 0,1 A à 5000 A (et est limitée par des aberrations optiques). A la différence des dispositifs antérieurs, le spectromètre de l'invention est capable de couvrir simultanément une plage de 5 longueurs d'onde dépassant un facteur de 100/1 avec un rapport essentiellement constant entre la résolution spectrale et la longueur d'oride. Ce spectromètre est également remarquable en ce que la gamme des angles de dispersion reste petite; en conséquence, il est possible de le réaliser sous la forme d'un équipement com-10 pact. C'est ainsi, par exemple, que dans l'ultra-violet proche, des résultats comparables à un dispositif antérieur de 10 mètres peuvent être obtenus avec un dispositif de 1 mètre conforme à 1'invention. BAD ORIGINAL 69 05949 9 2003299 REVENDICATIONS : 1. Spectromètre optique, caractérisé en ce qu'il comprend line fente d'entrée, au moins un premier miroir de collimation, un prisme, un réseau en échelle, au moins un premier plan focal de 5 sortie et des moyens pour régler les composants horizontaux et verticaux de l'énergie dispersée dans ledit plan focal. 2. Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de diffraction est monté à rotation autour d'un premier et d'un second axes, le premier axe étant parallèle à l'une 10 des faces du prisme, tandis que le second axe est parallèle aux rayures du réseau et perpendiculaire au premier axe. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le prisme peut tourner autour d'un axe horizontal passant par le rayon central du faisceau incident et qui est parallèle à la 15 première surface dudit prisme. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte line multitude de plans focaux, chacun desdits plans focaux étant essentiellement carré et capable de couvrir, au moins, une octave spectrale. 20 5. Dispositif seion la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre spatial ou spectral dans, au moins, un desdits plans focaux. 6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'orientation du réseau de diffraction est telle que l'énergie in- 25 cidente qui le frappe est renvoyée vers un collimateur en repassant à travers ledit prisme. 7. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur pour détecter l'énergie émise à l'un, au moins, desdits plans focaux. 50 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit détecteur est un détecteur électro-optique bidimensionnel. 9. Dispositif selon la revendication J, caractérisé en ce que ledit détecteur est un tube vidicon. 10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce 35 que l'optique a une longueur focale de 0,5 mètre et la résolution O O est d'environ 0,1 A à 5000 A . 11. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'un, au moins, desdits plans focaux est suivi par, au moins, un système optique qui forme une image sur la surface du réseau. 40 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce 69 05949 10 2003299 qu'un détecteur est placé à ladite image.