Brevet FR2172934A1 — publié le 19731005

La présente invention a pour objet un filtre optique de longueurs d'onde constitué par des réseaux. Le domaine technique concerné par 1 invention est celui du filtrage des ondes électromagnétiques visibles, infra-rouges et éventuellement ultraviolettes. Les filtres optiques existant à ce jour sont généralement des filtres interférentiels constitués par un empilage de feuillets minces. Si l'on porte sur un graphique en abscisse les longueurs d'onde et en ordonnées l'efficacité-de transmission d'un filtre passe-bande, on obtient une courbe présentant un maximum très prononcé pour une longueur d'onde 1 = Ao et s'annulant au delà de deux valeurs Xl et 12 situées de part et d'autre de Ao. On définit la largeur de bande passante al comme étant la largeur de la courbe à une hauteur déterminée, par exemple, à mi-hauteur. La qualité d'un filtre dépend de deux facteurs : d'une part, le coefficient de transmission maximum E et d'autre part, le pouvoir de résolution R = Pour des filtres interférentiels, en optique visible, on obtient des coefficients de transmission E de l'ordre de 0,7 et des pouvoirs de résolution R de l'ordre de 100. En infra-rouge, les pouvoirs de résolution couramment obtenus sont de l'ordre de 10 et peuvent atteindre 50 pour des fabrications soignées. Le coefficient de transmission E en infra-rouge est de l'ordre de 0,5 à 0,6. Actuellement on ne sait pas construire couramment des filtres interférentiels pour des radiation infra-rouges ayant une longueur d'onde X > 40 p. Un filtre interférentiel déterminé correspond à une largeur de bande donnée A1 située entre deux radiations 11 et 12 déterminées. On ne peut faire varier ni la largeur de bande A1 ni la position de la bande passante le long du spectre. L'objectif de la présente invention est un filtre optique de longueurs d'ondesspasse-bande,permettant de faire varier la largeur de la bande passante et de déplacer celle-ci sur une certaine étendue du spectre. Un filtre selon l'invention permet de filtrer des longueurs d'onde situées dans l'infra-rouge au delà des possibilités des filtres interférentiels. Cet objectif est atteint au moyen d'un dispositif composé de deux réseaux à sillons parallèles : un premier réseau, de pas d, recevant sous un angle d'incidence e une onde plane incidente polarisée de sorte que le champ électrique it soit perpendiculaire aux sillons, et diffractant seulement l'onde d'ordre 0, pour toute radiation X > Ai = d (I + sin e ) et un deuxième réseau, de pas d', recevant sous une incidente et l'onde d'ordre 0 diffractée par le premier réseau et diffractant seulement l'onde d'ordre zéro pour toute radiation A > X2 = d' (1 + sin 0'). Comme sela va etre exposé, l'onde d'ordre - 1 diffractée par ce deuxième réseau est filtrée, entre Ai et 12 si X2 > Ai. On sait que la formule d'un réseau de pas d recevant une onde sous un angle e et renvoyant une onde diffractée d'ordre n sous un angle A en est sin e = sin en + n On sait également qu'un réseau peut renvoyer seulement une onde d'ordre 0, c'est-à-dire une onde ayant la même direction qu'une onde réfléchie sur le plan moyen du réseau. La condition pour qu ' il en soit ainsi est que X > Ai > d (1 + sin O). Dans ce cas, pour toute radiation de longueur d'onde A > #l le coefficient de transmission sera théoriquement égal à 1 puisque toute l'énergie incidente se retrouve dans l'onde d'ordre zéro. Pour des radiations ayant une longueur d'onde X A > Ai et tombe brusquement à des valeurs inférieures à 0,1 aussitôt que X > X1, la chûte étant pratiquement verticale. Un tel réseau constitue un filtre passe-haut dont la limite inférieure de bande passante est égale à Ai. On peut améliorer facilement le pouvoir de coupure d'un tel réseau en le plaçant en série avec un ou plusieurs autres réseaux identiques et parallèles. L'efficacité devient alors le produit des efficacités de chaque réseau, ctest-à-dire qu'elle reste théoriquement égale à 1 pour A > Ai mais qu'elle devient négligeable pour X Corrélativement à cette propriété des réseaux, il en existe une seconde qui est utilisée dans la présente invention. En effet, pour A Puisque le coefficient de transmission d'énergie dans tordre 0 est pratiquement nul, on en déduit que toute l'énergie est transmise dans l'ordre - I. Cette propriété a été vérifiée par le calcul, Si A continue à décroître, il atteint une valeur A' où apparaît une troisième onde diffractée. A ce moment, le coefficient de transmission dans l'ordre - 1 décroît. Mais pour des valeurs de X comprises entre B' et Ai le coefficient de transmission d'énergie dans l'ordre - I est très élevé et théoriquement voisin de 1. Pour des valeurs A > Ai il est rigoureusement nul puisqu'il ne peut exister d'ordre - I pour des radiations.La coupure de bande supérieure qui est utilisée dans la présente invention est donc une coupure très franche et un tel réseau constitue donc, dans l'onde diffractée d'ordre - I, un filtre passe-bas ayant une limite supérieure de bande passante Ai 5 d (I+sin 67. Un dispositif selon la présente invention associe deux réseaux à sillons parallèles. Le premier réseau de pas d reçoit, sous une incidence e une onde polychromatique polarisée dont le champ électrique E est perpendiculaire aux sillons et diffracte l'onde d'ordre zéro. Cette onde diffractée est polychromatique. Pour toutes les radiations de longueur d'onde A > Ai = d (I + sin 0), toute l'énergie incidente se retrouve dans cette onde diffractée d'ordre zéro. Par contre, les radiations de longueur d'onde X Le deuxième réseau de pas d' reçoit, sous une incidence 8, l'onde d'ordre zéro diffractée par le premier réseau et on recueille l'onde d'ordre - I diffractér par le deuxième réseau. Dans cette onde diffractée d'ordre - I, toutes les radiations ayant une longueur d'onde X > A2 = d' (l + sin ') n'existent pas. On oriente mutuellement les deux réseaux de sorte que e' > 0. Dans ce cas, seules les radiations ayant une longueur d'onde X comprise entre Ai et A2 se retrouvent dans l'onde recueillie avec un coefficient de transmission très élevé. On a donc réalisé un filtre optique ayant une bande passante égale à A2 - Al. En faisant varier e et/ou - -0' on peut faire varier AI et/ou A2. On peut donc ainsi faire varier la largeur de la bande passante et balayer le spectre en faisant pivoter les réseaux autour d'axes parallèles à leurs sillons. L'onde diffractée par le deuxième réseau dans l'ordre - 1 est dispersée angulairement et le filtre obtenu est donc un filtre dispersif. L'invention a pour objet un dispositif, dérivé du précédent, permettant de supprimer cette dispersion angulaire. Dans ce dispositif le deuxième réseau est utilisé en série avec un troisième réseau identique. Les plans des deuxième et troisième réseaux sont parallèles et le troisième réseau se déduit du deuxième réseau par rotation de 180e autour d'un axe parallèle aux sillons. On démontre mathématiquement le principe dit du "retour inverse" de la lumière selon laquelle étant donné un réseau,une onde plane incidente monochromatique de direction K engendrant une onde diffractée de direction K', ) Si l'on envoie inversement sur ce même réseau une onde plane monochroma- tique de direction - K' on recueille une onde diffractée - K et l'efficacité de transmission reste inchangée. On se trouve dans ce cas. L'onde d'ordre - I diffractée par le troisième réseau sera une onde plane, de direction parallèle à la direction de l'onde incidente sur le deuxième réseau. On pourra donc la focaliser et recueillir une image composée d'une lumière comportant toutes les radiations de la bande passante. On peut également adjoindre au premier réseau un réseau identique complémentaire et parallèle de sorte que l'onde diffractée sortant de l'appareil et l'onde incidente sont parallèles. Dans ce cas on peut donc, tout en laissant fixes la source lumineuse et la lunette réceptrice, faire varier la bande passante en faisant pivoter les réseaux soit par paires soit simultanément. Le résultat de l'invention est un nouveau filtre optique de longueurs d'onde, passe bande, à bande réglable en largeur et en position. Un des avantages de ces filtres réside dans cette possibilité de faire varier la largeur et la position de la bande passante. Théoriquement, la largeur de bande peut etre aussi réduite que possible et le pouvoir de résolution très grand. Lorsque l'on remplace le deuxième réseau par deux réseaux identiques, des contraintes géométriques liées à la dispersion angulaire introduite par le deuxième réseau font qu'une partie du spectre ne tombe pas sur le troisième réseau ce qui introduit une pente dans la limite supérieure du créneau de la bande passante qui limite le pouvoir de résolution. Cependant, celui-ci reste supérieur a celui des filtres interférentiels et de l'ordre de 300. Un filtre selon l'invention peut être utilisé pour filtrer des radiations infra-rouges ayant des longueurs d'onde supérieures à 40 p dans un domaine où les filtres interférentiels connus ne peuvent plus être utilisés. Si l'on tient compte de ce que la lumière doit être préalablement polarisée ce qui introduit une perte de transmission d'énergie de 50 Z, le pouvoir de transmission E de ces filtres est théoriquement inférieur à celui des filtres interférentiels filtrant une lumière naturelle. En pratique, on étudie le plus souvent des lumières qui sont déjà polarisées ou que l'on polarise volontairement pour obtenir une lumière ayant des caractéristiques bien déterminées. Dans ce cas, pour des radiatiomen optique visible, le coefficient de transmission E des filtres interférentiels est du même ordre que celui des filtres selon l'invention du fait que ceux-ci utilisent plusieurs réseaux. Dans l'infra-rouge les filtres selon l'invention ont un bien meilleur coefficient de transmission. En effet, dans l'ånfra-rouge le métal qui constitue la surface active du réseau est pratiquement infiniment conducteur et le coefficient de transmission de chacun des réseaux est voisin de 1. Le fait d'utiliser trois ou quatre réseaux en série ne diminue pratiquement pas le coefficient de transmission qui reste très élevé tandis que celui des filtres interférentiels décroît lorsque X croît. Une application intéressante des filtres selon l'invention est donc le filtrage des radiations infra-rouges au delà de la limite d'utilisatipn pratique des filtres interférentiels. La description ci-après se réfère aux dessins annexés qui concernent des modes de réalisation donnés à titre d'exemple sans caractère limitatif. La figure I est une coupe d'un réseau transversale aux sillons. La figure 2 est une courbe représentant les variations de l'efficacité d'un réseau dans l'ordre O et dans l'ordre - 1 en fonction de la longueur d'onde. La figure 3 représente un dispositif selon l'invention. La figure 4 représente la courbe d'efficacité du dispositif de la figure 3 en fonction de la longueur d'onde. La figure 5 représente un autre dispositif selon l'invention. La figure I est une figure schématique destinée à préciser les notations employées. Le repère I représente un réseau, par exemple, un réseau échelette de pas d, dont les sillons sont délimités par des grandes facettes 2 faisant un angle a avec le plan du réseau et par des petites facettes 3 perpendiculaires aux facettes 2. Bien entendu, le réseau peut être de tout autre type, par exemple, un réseau holographique. Le vecteur U représente la direction de propagation d'une onde plane incidente faisant un angle e avec la normale ON au plan du réseau. Cette onde incidente donne naissante à ces ondes diffractées Uo, Ui, U-l... l'indice désignant l'ordre de l'onde diffractée. La formule générale d'un tel réseau est (1) sin en = sin e + n . La direction Uo de l'onde d'ordre zéro est symétrique par rapport à ON de la direction de l'onde U. Si l'onde U est polychromatique l'onde do est également polychromatique. On dit que l'onde Uo est "réfléchie" par le réseau pour signifier qu'elle est renvoyée dans la même direction qu'une onde qui serait réfléchie par un miroir plan parallèle au réseau. Selon les valeurs relatives de d, X, e il peut n' exister qu'une seule onde diffractée, l'onde d'ordre 0. L'équation (1) montre que c'est le cas pour toute radiation de longueur d'onde (2) X > Ai = d (I + sin e ). La figure 2 représente l'allure des courbes théoriques d'efficacité E en fonction de la longueur d'onde A pour une lumière incidente polarisée dont le champ électrique E est perpendiculaire aux sillons. La courbe en traits pleins représente la variation de l'efficacité dans l'ordre zéro. La longueur d'onde Ai est égale à la limite au-dessus de laquelle il n' existe qu' une seule onde diffractée d'ordre zéro. Ai = d (I + sin 0). Pour toute longueur d'onde X > Ai l'efficacité dans l'ordre zéro est théoriquement égale à I puisque il n'y a pas d'autre onde diffractée que l'onde d'ordre zéro. Si l'onde incidente est polarisée de telle sorte que le champ électrique # soit perpendiculaire aux sillons du réseau, pour les longueurs d'onde inférieure à Al, on constate et on démontre théoriquement que l'effi- cacité dans l'ordre zéro devient très réduire, inférieure à 0,1 et le flanc de la partie de courbe descendante est très raide. La lumière qui compose l'onde "réfléchie" d'ordre zéro est donc une lumière filtrée dans laquelle pratiquement toute la bande correspondant à X Xl. La courbe en pointillés représente la variation du coefficient de transmission E dans l'ordre - 1. Pour X > Xl, il n'y a pas d'ordre -I donc on ne retrouve dans l'onde diffractée d'ordre - I aucune radiation ayant une longueur d'onde X > #l. Pour X'l O et - 1. X'l est la longueur d'onde à partir de laquelle apparaît une troisième onde plane diffractée. Dans cet intervalle l'efficacité dans l'ordre - I est théoriquement voisine de I puisque l'efficacité dans l'ordre zéro est sensiblement nulle et qu'il n' existe que les ondes d'ordre zéro et - 1. Le calcul permet de vérifier cette proposition. Pour X Le réseau se comporte donc comme un filtre passe-haut dans l'ordre zéro et comme un filtre passe-bas dans l'ordre - I de part et d'autre de Xl. La figure 3 représente un dispositif composé de deux réseaux 4 et Le vecteur U représente une onde polychromatique et polarisée dont le champ électrique E est perpendiculaire aux sillons des réseaux. L'onde U tombe sur le réseau 4, de pas d, avec un angle d'incidence 0. Le vecteur UR représente l'onde "réfléchie" par le réseau 4, laquelle est composée, d'après ce qui a été exposé ci-dessus, de lumière polychromatique filtrée ne contenant que la bande supérieure à Ai = d(I+sin 0). Le deuxième réseau 5, de pas d', est disposé de sorte que l'onde UR l'éclaire sous un angle d'incidence ' > a. Le vecteur U2 représente l'onde l'ordre - I diffractée par le réseau 5. Cette onde est dispersée angulairement et filtrée de sorte quelle ne contient que les longueurs d'onde X Comme e t > e on obtient finalement une onde U2 filtrée de sorte qu'elle contient uniquement une bande de radiations telles que Ai La figure 4 représente la courbe de variation de l'intensité des radiations contenues dans l'onde U2. Cette courbe présente un créneau à flancs très raides compris entre les radiations Ai et X2. En dehors de ce créneau, les radiations sont pratiquement supprimées. En faisant varier l'orientation mutuelle de la source lumineuse et du réseau 4 on fait varier l'angle e et on déplace Ai et X2. En faisant pivoter le réseau 5 on déplace X2. On peut donc déplacer la bande passante ou faire varier sa largeur. Le dispositif de la figure 3 est donc un filtre dispersif, à bande passante de largeur et de position réglables. La figure 5 représente un dispositif selon l'invention permettant d'obtenir un filtre non dispersif. Ce dispositif est composé de deux paires de réseaux, chaque paire est constituée de deux réseaux identiques, parallèles entre eux et solidaires de sorte qu'on puisse les faire pivoter simultanément. La paire Ri et R'l joue la même fonction que le réseau 4 de la figure 3. Elle reçoit une onde plane U de lumière polychromatique et polarisée, E étant perpendiculaire aux sillons ets après deux "réflexions" succewses,elle renvoie une onde dR2, parallèle à U, laquelle est filtrée et ne comporte que les radiations X > Xi = d (I + sin O). Le réseau R2 remplit la même fonction que le réseau 5 de la figure 3. il reçoit l'onde UR2 sous une incidence et et renvoie une onde diffractée, d'ordre - 1, UZ qui est dispersée angulairement et filtrée de telle sorte qu'elle ne contient que la bande passante Ai L'onde diffractée U2 rencontre le réseau R'2 dont le plan est parallèle à celui du réseau R2 et qui est symétrique de R2 par rapport à un axe parallèle aux sillons. D'après le principe du retour inverse, le réseau R'2 renvoie une onde diffractée U'2, qui est une onde plane parallèle à UR2 et l'efficacité de transmission de R'2 est identique à celle de R2. On recueille l'onde U'2 sur une lentille L et on la focalise en F. En F on recueille une lumière filtrée contenant uniquement la bande Xr La figure 5 montre que, par suite de la dispersion angulaire de l'onde U2 et de contraintes géométriques, une partie 6 du faisceau U2 ne tombe pas sur R'2. Il en résulte que le front supérieur du créneau de filtrage, au lieu d'être parfaitement vertical, présente une certaine pente qui limite le pouvoir de résolution du dispositif. Le calcul montre que ce pouvoir de résolution peut être cependant élevé, de l'ordre d'au moins 300. En variante, on peut supprimer dans ce dispositif le réseau R'1 dont la fonction est de rendre l'onde de sortie U'2 parallèle à l'onde incidente U et d'améliorer la coupure inférieure de la bande passante. En faisant pivoter soit la paire de réseaux Ri, R'l soit la paire de réseaux R2, R'2, on fait varier la largeur de la bande passante et la position de celle-ci. Bien entendu, sans sortir du cadre de l'invention, diverses modifications équivalentes pourront être apportées par l'homme de l'art aux exemples non limitatifs décrits. Dans la description precédente on a envisagé uniquement le cas où l'on fait varier la largeur de bande passante par pivotement des réseaux autour d'un axe parallèle aux sillons. On peut obtenir le même résultat par pivotement autour d'un axe parallèle au champ électrique E, c'est-à-dire un axe perpendiculaire à la fois aux sillons et à la direction de propagation de l'onde incidente. Le champ électrique E reste perpendiculaire aux sillons et les propriétés des filtres décrits sont conservées. REVENDICATIONS I - Filtre optique de longueurs d'onde à bande passante réglable, caractérisé en ce qu'il est composé d'au moins deux réseaux à sillons parallèles, un premier réseau, de pas d recevant, sous un angle d'incidence e, une onde plane polarisée dont le champ électrique est perpendiculaire aux sillons et un deuxième réseau, de pas d', recevant sous une incidence 6' > 0, l'onde d'ordre zéro diffractée par le premier réseau et ren voyant une onde diffractée d'ordre - I laquelle est filtrée et contient une bande passante comprise entre Ai = d (I + sin e) et A2 = d'(l+sin 0'). 2 - Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, solidaire du deuxième réseau, un troisième réseau identique et parallèle, qui reçoit l'onde d'ordre - J diffractée par le deuxième réseau et qui diffracte une onde plane dont la direction de propagation est parallèle à celle de l'onde d'ordre O diffractée par le premier réseau. 3 - Filtre selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, solidaire du premier réseau, un réseau auxiliaire identique et parallèle qui reçoit l'onde plane incidente de sorte que l'onde plane filtrée après passage sur les quatre réseaux est parallèle à l'onde incidente. 4 - Filtre selon l'une quelconque des revendications I à 3, disposé sur l'axe d'un appareil optique, caractérisé en ce que lesdites paires de réseaux sont mobiles autour d'axes paralleles à leurs sillons de sorte que l'on peut, en faisant varier l'orientation mutuelle de l'une et/ou l'autre paire de réseaux par rapport à l'axe optique, modifier la largeur de la bande passante reçue par l'appareil optique et la position de la bande passante dans le spectre. 5 - Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, disposé sur l'axe d'un appareil optique, caractérisé en ce que lesdites paires de réseaux sont mobiles autour d'axes perpendiculaires à la fois aux sillons et à la direction de l'axe optique de sorte que l'on peut, en faisant tourner l'une et/ou l'autre paire de réseaux autour de l'axe correspondant modifier la largeur -de la bande passante reçue par l'appareil optique et la position de la bande passante dans le spectre.