Brevet FR2557694A1 — publié le 19850705

La présente invention concerne un monochroma- teur à objectif dispersif télécentrique. Un objectif dispersif télécentrique est un ob- jectif réalisé par un procédé holographique donnant d'un faisceau incident parallèLe issu tant d'un objet à distance finie que d'un objet à L'infini, sous un angLe c, un fais- ceau diffracté parallèle sous un angle, L'angle entre lesdits faisceaux au sommet dudit objectif étant c 2 e tel que m X= 2 0 cos E, m étant l'ordre de dif- fraction et \O la longueur d'onde d'enregistrement de l'- hologramme, L'un des points source C étant au centre de cour- bure 0' dudit objectif et l'autre D étant à l'infini incli- né d'un angle par rapport à la normale au dit objectif, angle égal à celui formé par la normale à l'objectif et la bissectrice de l'angle 2 e. Le monochromateur selon la présente invention est un monochromateur comprenant en combinaison un objectif dispersif télécentrique et divers moyens optiques. Les di- vers moyens optiques sont des télescopes dont on trouvera ci-après une définition au sens de la présente invention ainsi que des combinaisons de miroirs plans placés en amont. Ces miroirs peuvent être animés d'un mouvement de rotation ou un seul miroir peut tourner et l'autre miroir peut être fixe. Le monochromateur selon la présente invention comprend au moins une fente droite et un collimateur. Ce monochromateur peut travailler soit avec des faisceaux incidents et diffractés d'orientation varia- ble dans l'espace soit avec des faisceaux incidents et dif- fractés fixes dans l'espace. Différents télescopes peuvent être utilisés dans un tel monochromateur. Par télescope on entend dans la présente in- vention divers moyens optiques à savoir des miroirs conca- ves, des miroirs paraboliques, des lunettes collimatrices dioptriques, un télescope de type Casse grain, un télesco- pe de type Wolter associant miroirs elliptiques et miroirs hyperboliques et l'une quelconque des diverses combinaisons desdits moyens optiques. Dans le monochromateur de l'invention, si les faisceaux incidents et diffractés sont variables en orien- tation, L'objectif dispersif télécentrique est fixe. Dans le cas o les faisceaux incidents et dif- fractés traversant les télescopes sont fixes en orientation dans l'espace, l'objectif dispersif téLécentrique est animé d'un simple mouvement de translation. Une telle translation peut être effectuée selon deux directions: dans la direc- tion de la bissectrice des faisceaux incidents et diffrac- tés sur l'objectif dispersif télécentrique ou dans la di- rection du faisceau diffracté ou incident. Dans l'art antérieur, on a déjà décrit des mo- nochromateurs utilisant des réseaux plans travaillant en lu- mière parallèle dans l'espace objet et image. Dans de tels monochromateurs, la variation en longueur d'onde s'effectue par une-rotation du réseau plan. Ces monochromateurs présentent trois inconvénients majeurs: - leur emploi est limité aux longueurs d'ondes supérieures à 160 nm car tous les éléments travaillent en incidence normale et une pluralité de réflexions sont né- cessaires; - le réseau plan introduit des aberrations qui ne peuvent pas être compensées; - les fentes des moyens optiques sont obliga- toirement courbes, ce qui pose nécessairement des problè- mes d'usinage. La présente invention supprime les inconvé- nients précités des monochromateurs selon l'art antérieur: - le domaine spectral est plus vaste; - les aberrations sont rendues négligeables quelle que soit l'incidence et le monochromateur peut tra- vailler en incidence rasante; - du fait cue Les aberrations sont rendues négligeabLes Le monochromateur de L'invention est très résolvant, très lumineux et iL travaiLLe avec des fentes droites de grandes dimensions. L'homme de L'art comprend les avantages pra- tiques obtenus par L'utiLisation de fentes droites à La place de fentes courbes dans tous Les domaines de mise en oeuvre et d'application. La présente invention a pour objet un mono- chromateur comprenant un objectif dispersif tlécentrique réalisé par un procédé holographique donnant d'un faisceau incident paraLlèle, sous un angle c, un faisceau diffrac- té paralLèLe sous un an3Le p, L'angLe entre Lesdits fais- ceaux au scnmet dudit objectif 4tantcd- P = 2 G teL que m = 2 -' os 9, m 6tant l'ordrg de diffr tion et\ o La Longueur d'onde denreistrement de ltholor'e un des po.nt..ource C tarnt a. centre de courbure ' duMt obIjetr et 'Vaut' 'at 3 à 'inf-ni nctimné d'un n pa-a rapp-:ce î La aUr; JIî au -it cjec-ti, àI27JMLe eé-L -! Lui TOinlé.n:t' ta -t la g3- angtle 2 t'3 t7zs L i C fa4ceau dif rcct aral[- sxjuS un arnL. J pf-3 reîs;JpoCtr ià U dpspersf lt =l en orque est focaLisé au fo%,- dun dl'-sl cope éeuIp,- j'une rntq droite, L'axe opti-u dudit Ctud cope étant óonfondu avec La direc'ion dudit facau di-f fracté et La fente etanit parallèle à la direcei!ni des its de L'objectif dispersif tilécentrique. La présente invention concerne égaiLement Les caractéristiques ci-après considérées isolément ou seLon toutes leurs combinaisons techniquement possibLes. - le faisceau incident paraLLèle est issu d'un télescope muni d"une fente située en son foyer éclairé par une source située à distance finie, ladite fente étant parallèle à La direction des traits deL'objectif disper- sif télécentrique; - le télescope du faisceau diffracté paral- Lèle et du faisceau incident paraLLèle est choisi parmi un miroir concave, un miroir parabolique hors d'axe, u- ne Lunette coLlimatrice dioptrique, un télescope à mi- roirs; - la focale f du télescope recevant le fais- ceau diffracté a pour valeur R cos e, R étant le ra- yon de courbure de l'objectif dispersif téLécentrique et 20 l'angle entre les faisceaux incidents et diffrac- tés avec l'objectif dispersif téLécentrique; - l'objectif dispersif téLécentrique est fi- xe et la variation en longueur d'onde provient de La ro- tation symétrique de deux bras portant tes télescopes par rapport à la bissectrice de l'angle formé entre les fais- ceaux incidents et les faisceaux diffractés; - La direction du faisceau incident issu de la source-fente est maintenue fixe ainsi que celle du faisceau diffracté traversant la fente de sortie, Ledit faisceau incident étant tout d'abord réfLéchi par un mi- roir plan tournant M1, l'angle au sommet correspondant étant maintenant égal à 9 + 1 1, 1 1 étant l'angle formé par le faisceau incident venant de l'infini et OX la bis- sectrice de l'angle 2 e au sommet del'objectif disper- sif téLécentrique formé par Les faisceaux incidents sous l'angleçi et diffracté sous un angte ( par Ledit objectif dispersif télécentrique, ledit faisceau diffracté étant réfléchi par un miroir plan tournant M2 dont l'angle au sommet est maintenu égal à 9 + q 2' 2 étant L'angLe entre le faisceau incident et le faisceau réfléchi du té- Lescope, l'objectif dispersif téLécentrique étant animé d'un mouvement de translation selon la direction OX; - la direction du faisceau incident est main- tenue fixe par rotation d'un miroir plan M1 renvoyant le faisceau parallèle sur l'objectif dispersif télécen- trique lequel effectue un mouvement de translation dans la direction de l'axe optique du télescope; - le monochromateur comporte deuxobjectifs dis- persifs téLécentriques montés en série. Suivant Leur orien- tation respective (position des centres de courbures par rapport à la droite joignant Leur sommet) iL y aura addi- tion ou soustraction des dispersions. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront également de la description détaillée ci-après faite en regard des dessins annexes sur lesquels: Fig. 1A et 18 sont des schémas de principe du monochromateur de l'invention. Fig. 2 est un schéma d'un monochromateur com- binant un objectif dispersif téLécentrique et un miroir pa- raboLtique. Fig. 3 représente un monochromateur à objec- tif dispersif tétécentrique fixe. Fig. 4A illustre un monochromateur dans le- quel la direction des faisceaux incidents et diffractés est fixe. Fig. 4B montre des moyens mécaniquessimples pour la mise en oeuvre du monochromateur selon La figure 4A. On décrit tout d'abord le schéma de principe selon les figures 1A et lB. Ces deux figures sont pratiquement identiques mais diffèrent en ce que sur la figure 1A le faisceau inci- dent parallèLe est issu d'un objet à l'infini tandis que sur la figure 1B Ledit faisceau incident paraLLèLe est is- su d'un objet à distance finie. Sur les figures 1A et 18 on a représenté un objectif dispersif téLécentrique ODT. Cet objectif disper- sif télécentrique ODT qui est l'éLément diffractant est un réseau sphérique holographique à distribution de traits non uniforme et à rayon de courbure R. Si on considère un faisceau incident parallèle 1 sous un angle ( issu d'une source d'un objet à l'infini (figure 1A) ou d'un télesco- pe T1 muni d'une fente S située en son foyer éclairée par 6 2557694 une source située à distance finie (figure 1B), Ladite fen- te S étant paraltète à la direction des traits de t'objec- tif dispersif téLécentrique ODT, Ledit objectif disper- sif télécentrique ODT donne du faisceau incident paraLLtLe 1, un faisceau diffracté paraLLète 2 sous un angle /P. L'- angle entre lesdits faisceaux au sommet 0 de l'objectif ODT est égaL Id - p = 2 e tel que m À = 2 /O cos e, m é- tant l'ordre de diffraction et o La Longueur d'onde d'- enregistrement de l'hologramme, L'un des points source C étant au centre de courbure de l'objectif ODT et L'autre D étant à L'infini incliné d'un angle & par rapport à la normale audit objectif ODT, cet angle étant égaL à ceLui for- mé par La normale à L'objectif dispersif téLécentrique ODT et -La bissectrice de-L'angle 2 e. Le faisceau diffracté paraLLèLe 2 sous un angle 9, par rapport à La normale deL'objectif dispersif téLécentrique ODT est focalisé au foyer d'un télescope T2 équipé d'une fente droite S', L'a- xe optique dudit télescope T2 étant confondu avec La direc- tion dudit faisceau diffracté 2 et la fente S' étant paraL- LèLe à la direction des traits de L'objectif dispersif téLé- centrique ODT. L'objectif dispersif téLécentrique ODT est un réseau hoLographique sphérique caractérisé par son rayon de courbure R et L'angle. Son équation de focalisation gé- géralisée est: cos2 " + cos2 _ r et r' étant respectivement la distance objet et la dis- tance image. Cet objectif dispersif télécentrique ODT est stigmatique quelle que soit la longueur d'onde définie par l'équation m AX= 2 o\ cos e et si R'1 = rT = 0 (ob- jet et image à l'infini). Sur les figures 1A et 18 les télescopes T1 et T2 peuvent être choisis parmi un miroir concave, un mi- roir parabolique hors d'axe, une lunette colimatrice diop- trique, un télescope à miroirs et l'une quelconque des di- verses combinaisons desdits moyens optiques, ces moyens op= tiques comprenant a leur foyer une fente S ou S'. D'après L''quation mA = 2 o cos e, pour faire varier la longueur d'onde de stigmatisme il faut fai- re varier e. Si on considère la figure 3, on a représente deux bras 3e4 pivotant autour d'un même axe passant par Le sommet 0 de l'objectif dispersif télécentrique ObT qui $st fixe dans l'espace. On dispose sur chaque bras 3,4 deux té- lescopes T1, T2 orientés dans La direction du sommGt O de l'objectif dispersif t.Atécentrique ODT. Les deux tesco0 pes T1 et T2 comportent à leur foyer une fente S et SI'o L's telescopes T7 et T.Z répondent à La défirniton dornnée c'- dessus à propos des figures 1Aet 1B i L s'agit done dún i Lescope du typ4e Cas2e-r6i; d1une Lunette coL m'.ç d'un mirci paraboLiome, d'uri nmiroir sphérique2 d'une co aison de niroirs asheriqus (c5s de t'incidence rsUmnteD et l.ilune e Cucnque (.'as d'iïcr l'es combîn so;ns de c n!es ens opt i ques. Dans unil t.e Lnochro.rateur, La vrr.. onilgueur L.esc,;oà-:s! 1t TZ par rappor-; L; bis c',tr ice de a: n e- >rm é e o fa soêac4n. 1:1#jt -.s et dos r;acts, raS a t i' St par xest Is5nt a Xmpieó L3 a ur do 1 pLatea ux u,,r; ts u o;c codeur incrr, nentaL me suraant d ou :des dis:- i s teL que des gon;i omëtres. On peut muSS en: sisager un pentogr apphe qu' permet pa r lr esure d;u dupla cement d"un ecrou stué sur Lauea de commande de naea.urar d rectement cos,. Le domaine spectral couvert est donc fonc- tion de La transmission des téLescopes T1 et T2 et de e. Si on considère 5 I ( 0,169 dans l'ordre m = + 1. On obtient donc un mono- chromateur à large bande spectrale dans lequei L'obec;; i dispersif têtécentrique ODT est fixe. Ce monochromateur permet des contr6Les Industriels qui n'ont pas pu être obtenus jusqu'à présent en raison de la gamme spectraLe balayée qui est bien supérieure à celle des monochromateurs connus dans l'art antérieur. Si on considère la figure 2, sur cette figu- re, le faisceauincident 1 qui provient de l'infini sous un angle Ck = J + e est, tout d'abord, diffracté à L'infi- ni sous un angle P par l'objectif dispersif téLécentrique ODT de sommet 0, puis il est focalisé au foyer d'un miroir parabolique 5 de sommet Q (focale f) travaillant hors d'a- xe. Dans ce cas, la seule aberration résiduelle est du ty- pe aberration sphérique. Si OQ = f = R cos e., autrement dit si la focale f du télescope 5 recevant le faisceau diffrac- té 2, dans Le cas présent, le miroir parabolique 5, a pour valeur, comme indiqué ci-dessus, f = R cos e, R étant le rayon de courbure de l'objectif dispersif téLécentrique ODT et 29, l'angle entre les faisceaux incidents et diffractés avec L'objectif dispersif télécentrique ODT, on obtient un monochromateur aplanétique pour un champ étendu dont La distorsion est supprimée. Ce monochromateur représenté sur la figure 2 est un mode de réalisation constituant un cas particulier dans lequel 2 I = e, 2 étant L'angle entre Le faisceau diffracté parallèle issu de l'objectif dispersif télécentrique ODT et la normale au miroir de refocalisa- tion, c'est-à-dire le miroir parabolique 5. On peut rempLacer le miroir parabolique 5 par un miroir sphérique auquel cas l'angle q entre le fais- ceau diffracté parallèle issu de l'objectif dispersif télé- centrique ODT et la normale aumiroir de refocalisation est égal à 9 et dans ce cas 9 est faible sensiblement de l'or- dre de 10 ou moins. Le miroir parabolique 5 peut être remplacé par une combinaison de miroir elliptique et hyperbolique (cas de l'incidence rasante). La variation enlongueur d'onde peut s'- effectuer soit par translation du sommet de LI'ODT dans la direction OQ, soit dans la direction 0X, un miroir plan non représenté et situé en amont de LI'ODT permettant alors de maintenir fixe la direction d'observation. On considère maintenant les figures 4At 4B. Dans ces figures on interpose entre l'objectif dispersif télécentrique ODT et au moins un des télescopes T1, T2 des miroirs M1, M2. Les deux miroirs M1 et M2 sont des miroirs plans. Ils peuvent être tous Les deux animés d'un mouvement de rotation, comme iLLustré sur Les figures 4A et 4B ou bien Le miroir M2 peut être fixe tandis que Le miroir M1 est animé d'un mouvement de rotation. Sur La figure 4A, La direction du faisceau incident 1 est maintenue fixe ainsi que celle du faisceau diffracté. Le faisceau incident est tout d'abord réfléchi par un miroir plan tournant M1, L'angle au sommet correspon- dant étant maintenu égal à e + q 2' f 1 étant l'angle for- mé par le faisceau incident venant de L'infini et OX La bis- sectrice de l'angle 2 9 au sommet deL'objectif dispersif té- lécentrique ODT formé par les faisceaux incidents sous l'an- gLei et diffractés sous un angle P par ledit objectif dis- persif télécentrique ODT. Le faisceau diffracté 2 est ré- fléchi par un miroir plan tournant M2 dont l'angle au som- met est maintenu égal à e + t 1, y 2 étant l'angle en- tre le faisceau incident et le faisceau réfléchi du téles- cope T2, l'objectif dispersif téLécentrique ODT étant alors animé d'un mouvement de translation selonla direction OX. On remarquera que le mode de réalisation il- lustré sur la figure 4A constitue une configuration parti- culière dans laquelle les faisceaux d'entrée et de sortie sont perpendiculaires. Une telle réalisation est plus aisée à mettre en oeuvre dans la pratique, mais bien entendu il est possible que les faisceaux d'entrée et de sortie ne soient pas perpendiculaires, la configuration d'ensemble étant peu modifiée. La figure 4B montre une réalisation mécani- que simple pour obtenir à la fois la rotation des miroirs plans M1 et M2 et la translation de l'objectif dispersif télécentrique ODT selon l'axe OX de la figure 4A. L'objec- tif dispersif télécentrique ODT est disposé sur une table T qui est une table de rotation permettant un réglage d'o- rientation de l'objectif ODT. En dessous de l'objectif dis- persif téLécentrique ODT se trouve une table Ta qui est u- ne table de translation qui va permettre la translation dé- sirée selon l'axe OX. T1 et T2 sont les télescopes comme on les a déjà décrits sur les autres figures. Les deux miroirs plans M1 et M2 sont placés sur des supports U1 et U2. Trois roues crantées R1, R2, R3 assurent la rotation simuLtanée des miroirs M1 et M2 disposés sur Leurs supports respectifs U1et U2. Les roues crantées R1, R2 et R3 tournent dans le sens des flèches et sont reliées à un ruban ou un quelcon- que dispositif analogue convenable. La mesure en longueur d'onde est obtenue par la mesure du déplacement de la table Ta qui est assuré par deux bras équivaLents non représen- tés pivotant autour des points O (sommet de l'objectif dis- persif téLécentrique ODT) et 01. IL importe de noter que la présente invention ne vise pas en lui même l'objectif dispersif téLécentrique que la demanderesse a déjà décrit dans sa demande de brevet européen 83 401.539.8 déposée le 26 Juillet 1983 mais la pré- sente invention a pour objet un monochromateur utilisant la combinaison d'un tel objectif dispersif téLécentrique (ou de deux montés en série) avec des télescopes ainsi que la combinaison d'un tel objectif dispersif télécentrique ou de tels objectifs dispersifs télécentriques avec des télesco- pes et l'interposition de miroirs entre le ou les télesco- pes et ce ou ces objectifs dispersifs télécentriques. La présente invention ne concerne pas le mo- de de réalisation de l'objectif dispersif télécentrique, mais considère une méthode, dit holographique, et décrit donc les caractéristiques d'enregistrement permettantl'ob- tention d'une distribution de franges non uniforme bien caractéristique. Dans le plan de l'ODT, cette distribution de franges résulte de l'intersection d'une portion de sphè- re ( de centre 0' et rayon R) avec un paraboloide ellip- tique qui représente les surfaces équiphases du système d'interférence obtenu à partir d'un point source situé au centre de courbure et un faisceau paraLLèle incliné d'un angle; - Cette distribution de franges étant connues elle peut aussi être réalisée par gravure (mécanique et conique). Dans ce cas Le nombre de traits par millimètre n'est pas limité par la valeur que peut prendre en prati- que l'angle S ' REVENDICATIONS 1. Monochromateur comprenant un objectif dispersif tétécentrique COOT) réaLisé par un procédé hologra- phique donnant d'un faisceau incident paraLLèLe (1), sous un angle C", un faisceau diffracté paraLLèle (2) sous un angle À, L'angLe entre Lesdits faisceaux au sommet dudit ob- jectif étant a étant L'angle de diffraction et A la longueur d'onde d'en- registrement de L'hologramme, l'un des points source C é- tant au centre de courbure 0' dudit objectif (ODT) et l'au- tre D étant à L'infini incliné d'un angle & par rapport à La normale audit objectif (ODT), angle égal à celui formé par la normale à l'objectif (ODT) etla bissectrice de L'an- gle 2e, caractérisé en ce que ledit faisceau diffracté paral- LèLe (2) sous un angle P, par rapport à la normale de l'- objectif dispersif téLécentrique (ODT) est focalisé au foyer d'un télescope (T2) équipé d'une fente droite (S'), L'axe optique dudit télescope (T2) étant confondu avec la direction dudit faisceau diffracté (2) et la fente (S') étant parall- le à la direction des traits de l'objectif dispersif téLé- centrique (ODT). 2. Monochromateur selon La revendication 1, caractérisé en ce que Le faisceau incident paraLLèle (1) est issu d'un télescope (T1) muni d'une fente (S) située en son foyer écLairée par une source située à distance finie, ladite fente (S) étant parallèle à la direction des traits de l'objectif dispersif téLécentrique (ODT). 3. Monochromateur selon l'une des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que le télescope (T1, T2) du faisceau diffracté parallèLe (2) et du faisceau incident parallèLe (1) est choisi parmi un miroir concave, un miroir parabolique hors d'axe, une lunette collimatrice dioptri- que, un télescope à miroirs. 4. Monochromateur selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que la focale f du téLescope- (T2) recevant Le faisceau diffracté (2) a pour valeur cos e R étant le rayon de courbure de L'objectif dispersif téLé- centrique (ODT) et 2e l'angle entre Les faisceaux incidents et diffractés (1,2), avec l'objectif dispersif téLécentri- que (ODT). 5. Monochromateur selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que l'objectif dis- persif télécentrique (ODT) est fixe et en ce que la varia- tion en longueur d'onde provient de la rotation symétrique de deux bras (3,4) portant les télescopes (T1, T2) par rap- port à la bissectrice de l'angle formé entre les faisceaux incidents et les faisceaux diffractés (1,2). 6. Monochromateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la direction du faisceau incident (1) issu de la source-fente est maintenue fixe ainsi que celle du faisceau diffracté (2), traversant la fente de sortie, ledit faisceau incident (1) étant tout d'abord réfLéchi par un miroir plan tournant (M1), l'angle au sommet correspondant étant maintenant égal à e + ( 1, 1 étant l'angle formé par le faisceau incident venant de l'in- fini et OX la bissectrice de l'angle 29 au sommet (0) de L'objectif dispersif téLécentrique (ODT) formé par les fais- ceaux incidents sous l'angle ç7 et diffracté sous un angle 1 par ledit objectif dispersif téLécentrique (ODT), ledit faisceau diffracté (2) étant réfLéchi par un miroir pLan tournant (M2) dont l'angle au sommet est maintenu égal à e + ' 2, C 2 étant l'angle entre le faisceau incident et le faisceau réfléchi du télescope (T2), l'objectif dis- persif télécentrique (ODT) étant animé d'un mouvement de translation selon la direction (OX). 7. Monochromateur selon l'une des revendica- tions I ou 2, caractérisé en ce que la direction du faisceau incident (1) est maintenue fixe par rotation d'un miroir plan (M1) renvoyant le faisceau parallèLe sur l'objectif dispersif téLécentrique (ODT) Lequel effectue un mouvement de transla- tion dans La direction de L'axe optique du télescope (T2). 8. Monochromateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend deux objectifs dispersifs téLécentriques montés en série.