Brevet FR2598224A1 — publié le 19871106

SPECTROMETRE A PROJECTEUR D'IMAGE L'invention concerne un spectromètre projecteur d'image comportant un objectif, une fente, un collimateur, 15 un réseau et un projecteur d'image. De tels spectromètres sont connus. On les utilise pour focaliser sur une fente, au moyen de l'objectif, le rayon lumineux à analyser, pour le diriger, à l'aide d'un collimateur, à nouveau parallèlement et sur un réseau o 20 il est diffracté, et enfin refocalisé par le projecteur d'image dans un plan d'image sous la forme d'un spectre. Ces installations connues sont relativement lourdes et volumineuses. En particulier pour une application sur des satelli25 tes et des engins volants, il est nécessaire de réaliser un tel spectromètre sous une forme aussi réduite, légère et robuste que possible. En outre, il est souhaitable qu'il soit approprié à de larges domaines spectraux, même au-delà de la lumière visible. Conformément à l'invention, ceci est obtenu par le fait que l'objectif, le collimateur et le projecteur d'image sont formés de miroirs non sphériques. De préférence le collimateur et le projecteur d'image sont formés par le même agencement de miroirs 35 et réfléchissent chacun le rayon deux fois. Selon un mode de réalisation préféré, l'objectif est constitué d'un premier miroir convexe et d'un deuxième miroir concave. Le rayon à analyser passe sous un angle de façon oblique par rapport à l'axe optique à côté du miroir concave pour tomber sur le miroir convexe qui l'envoie sur le miroir concave, ce dernier le faisant passer à côté du miroir convexe en le focalisant dans la fente sous la forme d'une bande-image courbe dans le plan d'image. Le collimateur est constitué d'un miroir concave 10 et d'un miroir convexe qui dirigent la lumière sortant de la fente parallèlement et sur le réseau. Le collimateur est constitué par un miroir concave et un miroir convexe, lesquels dirigent parallèlement et sur le réseau la lumière sortant de la fente. La lumière diffractée, réfléchie par le réseau, est refocalisée dans le plan d'image sous la forme d'une image diffractée de la fente par les mêmes miroirs qui servent alors de projecteur d'image. Les axes optiques de l'objectif et du collimateur/ 20 projecteur d'image sont avantageusement décalés parallèlement. Pour compenser la courbure de l'image diffractée de la fente, le rapport entre les distances focales de l'objectif et du collimateur est compris entre 1:1 et 1:10 25 approximativement. On obtient ainsi une importante économie en encombrement et en poids, sans avoir besoin de pièces mécaniquement mobiles ni d'éléments de construction onéreux. D'autres détails de l'invention ressortent des sousrevendications et de la description dans laquelle ils sont expliqués en détail sur la base du dessin annexé. Sur ce dessin: la figure 1 représente le principe du spectromètre à 35 projecteur d'image; les figures 2a, 2b sont des coupes schématicques y/z et x/z à travers un objectif à double miroir; la figure 2c représente schématiquement la structure optique collimateur/système de projection d'image la figure 3 représente l'ensemble du système; la figure 4 est une représentation des courbes formées par une ligne droite d'un objet à travers l'ensemble du système, à savoir le réseau ainsi que la courbure qui en résulte; la figure 5 représente en détail les conditions géométriques présentes sur un réseau de difraction plan. La figure 1 montre le principe d'un spectromètre à projecteur d'image tel qu'il est connu depuis longtemps, Le rayon lumineux à analyser L est focalisé par lVobjectif 15 sur une fente S, dirigé à nouveau parallèlement et sur un réseau G, par un collimateur K, o il est diffracté, et enfin refocalisé sous la forme d'un spectre dans un plan d'image B par le projecteur d'image I. Les optiques individuelles objectif, collimateur, projecteur d'image sont réalisées conformément & l'invention par quatre miroirs qui sont tous non sphériques et peuvent avoir par exemple la forme d'une éllipsoide de révolution. Le spectromètre à projection d'image complete possède deux axes optiques décalés parallèlement. Dans les 25 paragraphes suivants, on décrira la réalisation de chacune des optiques. L'objectif est constitué d'un ensemble de deux miroirs conformément aux figures 2a et 2b. La lumière L d'un point objet (place à l'infini), entre dans le systvme 30 de miroirs obliquement par rapport à l'axe optiquae Ao L'image B en forme de ligne d'une bande de l'objet se produit sur la figure 2a prpendiculainement au plan d la figure. Une structure dcbhet *zln st donc représentée sous une forme oubae dns 5 prL,:g La structure optiue du cclimau/ct-r 35 d'image est représentée sur la figure 2c. La fente d'entrée B est perpendiculaire au plan de la figure. La lumière parcourt d'abord le collimateur en subissant une double réflexion sur les miroirs S3 et S4 et tombe parallèlement sur le réseau plan G de réflexion. La lumière réfléchie et diffractée est alors réfléchie en retour sur les miroirs S4 et S3. L'image diffractée de la fente B se produit en B' et peut y être analysée au moyen de détecteurs appropriés. Le système collimateur et projecteur d'image est donc réalisé par un seul dispositif optique (système de double miroir compenant les miroirs S3 et S4). La lumière parcourt l'optique deux fois. Le système collimateurprojecteur d'image est télécentrique. Les miroirs S3 et S4 sont des ellipsoïdes de révolution. L'ouverture réelle du système est BL. Dans l'agencement représenté sur le dessin, le réseau n'est pas en position d'ouverture, ce qui serait souhaitable pour une reproduction d'image télécentrique 20 optimale. Une fente d'entrée B rectiligne est représentée dans le plan d'image B' sous la forme d'une ligne courbée. Les causes ou paramètres à l'origine de cet effet dans le système collimateur-projecteur d'image sont les suivantes: a) le réseau n'est pas dans la position d'ouverture; b) la lumière passe obliquement à travers le système (par rapport à l'axe optique); et c) la courbure d'une ligne droite par le réseau. Les causes mentionnées en a) et b) sont indépendan30 tes de la longueur d'onde, tandis que celle mentionnée au point c) dépend de la longueur d'onde. Il est vrai également qu'une fente courbe B est représentée sur le plan d'image B' sous la forme d'une ligne droite. L'ensemble du système est représenté sur la figure 3. Comme cela a été décrit, l'objectif O et le système collimateur-projecteur d'image K/I produisent des bandesimage de forme courbe. Par une combinaison appropriée des deux systèmes, on peut obtenir une compensation de ces courbures. Dans le système représenté sur la figure 3, on réussit à compenser ce fait au moyen d'un rapport entre les distances focales de objectif 1 -------_ collimateur 3 Sans tenir compte de la diffraction du réseau, c'est-à-dire en supposant que le réseau exerce l'effet 15 d'un miroir plan, une bande d'objet rectiligne (sur la surface de la terre) est reproduite dans une bande-image B' rectiligne. Seule l'image intermédiaire dans le plan de la fente B est courbe. Toutefois, l'influence de la courbure de la 20 fente du réseau G est conservée. La courbure de fente KG du réseau est indépendante de la longueur d'onde et augmente proportionnellement à l'augmentation de la longueur d'onde. La compensation de la courbure entre l'objectif et le collimateurprojecteur 25 d'image n'étant pas réalisée complètement, il est possible de compenser la courbure de fente KG du réseau pour une certaine longueur d'onde. Les courbures restantes pour d'autres longueurs d'onde sont donc peu importantes. La figure 4 montre les différentes causes de courbure dans le plan d'image B' et la courbure résiduelle résultante pour un système global tel qu'il est représenté sur la figure 3. Sur cette figure, KG désigne la courbure d'une fente droite dans le plan d'image par le réseau. La dépendance de la longueur d'onde y est également visible. 35 KO est la courbure de fente du système global objectif/ collimateur/projecteur d'image dans le plan d'image. R est la courbure de fente résultante de KG et XO. F'Koll est la distance focale du collimateur/projecteur d'image et dans le cas spécifique, est égale à 90 mm. Sur la figure 5, sont représentées les conditions géométriques sur le réseau de difraction sur lequel: m. A sin i1' -------- - sin io (1) a sin i'l = sin io (cos W-1) + cos p sin i' (2) o m = ordre de diffraction 15 X = longueur d'onde a = distance entre les traits. Selon les équations (1) et (2), la courbure de fente du réseau dépend des paramètres suivantes: a) ordre de diffraction m b) constante de réseau 1/a = N c) longueur d'onde À. En fonction de la résolution spectrale respectivement choisie, il est nécessaire d'avoir des constantes de réseau N différentes qui, à leur tour, provoqueront des 25 courbures de fente différentes de la fente. La compensation s'effectue par une adaptation des distances focales de l'objectif et du collimateur/ projecteur d'image. Ce rapport des distances focales peut varier selon le domaine d'application entre 30 1 objectif 1 _ collima----- eu > 1 collimateur 10 Exemple de réalisation Ci-après sont mentionnés à titre dex-mples, certaines données du système représenté sur la figure 3a7 Ces valeurs sont variables et sont déterminées pour l'essentiel par la constante de réseau N. Elles peuvent être adaptées à la plage des rapports de distances focales requis. Distance focale: - 31,50619 (mim) Surface Rayon (mm) Distance (mm) Diamètre (mm) Observations ,5303 ,00 0iroir - 65,t40 , 8248 47,50 Miroir 76,019 plan ,91 Plan de fente 217,280 4 - 259,4841 220,00 miroir - 188,931 - 267,2153 6 plan , 00 tiroir ,000 ,00 Réseau - 80,000 7 - 267,2153 8 - 259,4841 ,91 Miroir 188,931 52,91 Miroir - 217,154 Paramètres spéciaux Surface DX DY Y-TILT C 1 0,00 O,00 0,0000 6,50000 2 0,00 0,00 0,0000O 1,19300 4 0,00 - 21,68 0,0000 1,19300 0,00 - 21,68 0,0000 6,50000 6 0,00 - 70,00 - 24:0000 1,00000 7 0,00 - 21,68 0,0000 6i50000 8 0,00 - 21,68 0,0000 1,19300 REVENDICATIONS 1. Spectromètre à projecteur d'images comportant un objectif, une fente, un collimateur, un réseau et un projecteur d'images, caractérisé par le fait que 5 l'objectif, le collimateur et le projecteur d'images sont constitués par des miroirs non sphériques. 2. Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le collimateur et le projecteur d'images sont constitués par le même ensemble de miroirs 10 et par le fait qu'ils réfléchissent le rayon respectivement deux fois. 3. Spectromètre selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'objectif est constitué par un premier miroir convexe (S1) et un deuxième miroir concave 15 (S2), par le fait que le rayon à analyser passe sous un angle (W) de façon oblique par rapport à l'axe optique (OA1) à côté du miroir concave (S2) pour tomber sur le miroir convexe (Si) qui l'envoie sur le miroir concave (S2), ce dernier le faisant passer à côté du miroir convexe (Sl) en le focalisant dans la fente sous la forme d'une bande images courbe dans le plan d'images (B), par le fait que le collimateur est constitué par un miroir concave (S3) et un miroir convexe (S4), lesquels dirigent parallèlement et sur le réseau (G) la lumière sortant de 25 la fente (B), et par le fait que la lumière diffractée, réfléchie par le réseau est refocalisée dans le plan d'images sous la forme d'une image diffractée (B') de la fente par les mêmes miroirs (S4, S3) qui servent alors de projecteur d'images. 4. Spectromètre selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les axes optiques (OAl, OA2) de l'objectif et du collimateur/projecteur d'images sont décalés parallèlement. 5. Spectromètre selon la revendication 4, caracté35 risé par le fait que le rapport entre les distances focales de l'objectif et du collimateur est compris entre environ 1:1 et 1:10. 6. Spectromètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la fente d'entrée (B) et l'image diffractée (B') sont situées dans un même plan.