Brevet FR2647902A1 — publié le 19901207

L'invention concerne un dispositif inter- ferométrique adapté a être intégré dans un système de formation d'image par spectrométrie par transformée de FOURIER Multiplex (on parle aussi de "spectro-imageur"). Un tel spectro-imageur est entratné dans un mouvement de défilement parallèlement à une zone-objet a scruter, une zone de sol par exemple. Le principe de cette spectro-imagerie par transformée de FOURIER Multiplex est connu en soi, notamment d'après le document EP-0.068.922 qui enseigne comment utiliser le défilement relatif de la surface terrestre par rapport à un avion ou à un satellite afin de réaliser par interférences lumineuses une analyse spectrale d'un ensemble de zones élémentaires de sol contigues. Cela évite tout déplacement relatif entre des pièces optiques du dispositif interférometrique. On utilise les contenus successifs d'un réseau ou mosaique de détecteurs CCD sur lequel se forment les franges. Ce document decrit, à titre préféré, un dispositif interférométrique constitue par un polariscope de SAVART. En fait, il est apparu avantageux, notamment pour des raisons de flux lumineux reçu, de chercher à utiliser plutôt un interféromètre de type MICHELSON comportant une lame semi-transparente disposée à 45 par rapport a des faisceaux d'entrée et de sortie perpen- diculaires entre eux. Le faisceau d'entrée est dissocié par la lame semitransparente en deux demi-faisceaux que l'on réflechit et entre lesquels on introduit une différence de marche: après recombinaison par la lame d'une partie de chacun des demi-faisceaux on obtient un faisceau de sortie permettant la constitution d'un interférogramme. En raison de l'apparition de deux demi-faisceaux, on parle aussi d' "interféromètre à deux ondes". En particulier on a cherché, dans la demande de brevet français 88-17328 déposée le 28 Decembre 1988 à BAD ORIGINAL améliorer le systeme spectro-imageur du document EP- 0.068.922 grâce à la mise au point d'un dispositif interférométrique approprié du type à deux ondes. Elle visait notamment: - à rendre disponibles deux voies d'entrée et de sortie séparées; - à augmenter le gain en énergie utile, à améliorer le contraste des franges et à augmenter la résolution radiométrique; - à rester dans un encombrement aussi faible que possible, aussi bien pour le dispositif interférométrique que pour l'ensemble du spectro-imageur, et réduire autant que possible le poids correspondant; - à rendre la différence de marche indépendante de l'angle d'ouverture du faisceau incident; - à conserver les inclinaisons des rayons moyens des ondes divergentes; et - à superposer de manière très précise les images géométriques. On connaissait déjà un dispositif inter- férométrique de type MICHELSON (donc à deux ondes) susceptible d'être utilise dans un spectro-imageur du type décrit dans le document EP-0.068.922, à savoir le dis- positif décrit par GIRARD dans le brevet US-3.684.379. Pour pallier certaines au moins des limitations inhérentes au dispositif de GIRARD, il a été proposé dans cette demande de brevet 88.17328 un nouveau dispositif interferometrique pour imagerie par spectrométrie par transformée de FOURIER Multiplex, destiné à être mis en défilement relatif par rapport à une image d'une optique d'entrée selon une direction de défilement constituant pour ce dispositif interférométrique une direction de référence, comportant un bloc prismatique en matériau transparent présentant de première et seconde faces d'entrée/sortie perpendiculaires l'une à l'autre et se rejoignant en une arete du bloc, une lame semi-transparente dans ce bloc, BAD ORIGINAL disposée à 45' par rapport à ces première et seconde faces d'entree/sortie et passant par ladite arête du Moc, et de première et seconde surfaces réfléchissantes disposées respectivement en regard de ces première et seconde faces d'entrée/sortie au travers de la lame semi- transparente; ce nouveau dispositif était caractérisé en ce que: - àa chaque face d'entrée/sortie était associé un plan de référence perpendiculaire à cette face d'en- tree/sortie et parallèle à ladite direction de référence, - au moins une surface inclinée de séparation dioptrique était prévue entre l'une des faces d'entrée/sor- tie et la surface réfléchissante associée, faisant dans le plan de référence associé un angle de dioptre non nul par rapport a cette face d'entrée/sortie, - les première et seconde surfaces refléchis- santes étaient de configurations et d'orientations fixes par rapport au bloc et avaient chacune la forme d'un toit dont la concavité était en regard de la face d'entrée/sor- tie associee et qui admettait un plan bissecteur parallèle à ladite arête du bloc et perpendiculaire à ladite face d'entrée/sortie associée, ces surfaces en toit présentant dans les plans de réference, par rapport aux faces d'entrée/sortie associées, des angles d'inclinaison dont l'écart était non nul. -De la sorte: 1 - l'énergie totale concentrée par l'objectif d'entrée était utilisable; 2 - les réflexions parasites dues aux dioptres rencontrés par les ondes étaient réémises vers les voies d'entrée et non sur les voies de sortie: elles n'affectaient pas la qualité des franges d'interférences; 3 - l'image formee par l'objectif d'entrée pouvait être focalisée dans un plan quelconque choisi par l'utilisateur (lequel pouvait ainsi configurer l'interferométre pour une position quelconque du plan focal). L'invention vise les mêmes objets que la BAD ORIGINAL demande de brevet 88-17328, dans le même domaine d'applica- tion, et avec les mêmes avantages mais vise en outre une souplesse d'emploi améliorée, une augmentation du champ d'application et une réduction accrue en masse et en S volume. En effet, malgré le progrès indéniable apporté par cette demande de brevet 88-17328, celle-ci fait intervenir un objectif nécessairement limiteé en ouverture numérique, qui doit en outre etre adapté à la traversée d'une importante épaisseur de verre. En outre, les systèmes de miroir en toit renversent l'image formée par l'objectif ce qui nécessite une rectitude et un alignement rigoureux des aretes de ces systèmes de miroirs en toit, tout à fait critiques pour le bon fonctionnement de l'interféromètre, mais très difficiles à réaliser. L'invention parvient à l'objectif visé en renonçant au principe d'un interferomètre perfectionné de type MICHELSON et en préférant partir d'un interféromètre d'un type tout a fait different (type Mc ZENDER) que l'homme de métier avait pourtant jusque là tendance à considérer comme ayant beaucoup mains de débouches potentiels que l'interferomètre de MICHELSON, notamment dans celui de spectro-imagerie. L'invention propose ainsi un dispositif interférometrique à deux voies d'entrée et de sortie pour spectrométrie par transformée de FOURIER Multiplex, comportant deux lames semi-transparentes disposées sensiblement dans le prolongement l'une de l'autre entre deux surfaces réfléchissantes sensiblement parallèles entre elles et à un plan moyen contenant ces lames semni-transpa- rentes, caractérise en ce que l'une au moins de ces lames et surfaces est inclinée d'une valeur non nulle par rapport à ce plan moyen, la somme algébrique des inclinaisons des lames semi-transparentes par rapport à ce plan moyen etant différente de la somme des inclinaisons des surfaces réfléchissantes par rapport à ce meme plan, et en ce qu'au BAD ORIGINAL moins une lame prismatique (P) d'indice de réfraction différent du reste du dispositif interférometrique est disposée entre l'une des lames semitransparentes et l'une des surfaces réfléchissantes, les différences algébriques des angles de lames prismatiques etant différentes de part et d'autre de ce plan moyen. Selon des dispositions préférées éventuellement combinées: - les surfaces réfléchissantes sont strictement paral- leles; - les lames semi-transparentes s6nt toutes deux inclinées en sens contraire par rapport au plan moyen; - il est formé de deux cubes separateurs presentant des aretes de coin adjacentes et dont les lames semi-transpa- rentes constituent des plans approximativement diagonaux et de deux prismes entre ces cubes, présentant des coins adjacents approximativement à angle droit, les surfaces réfléchissantes étant ménagées sur des faces de ces prismes opposées a ces coins; - le(s)dit(s) angle(s) de lame prismatique est (sont) ménage(s) entre les faces en regard des cubes et des prismes; - le dispositif comporte une seule lame prismatique de préférence située a l'intérieur de l'angle forme par les lames semitransparentes; - ce dispositif interférométrique est en verre tandis que ledit prisme d'indice de réfraction différent est une fente sans matière (de vide ou d'air); L'invention propose également un systeme de spectro-imagerie comportant ce dispositif interferométri- que. Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple non limitatif,.en regard des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en BAD ORIGINAL perspective d'un système de spectro-imagerie par transfor- mée de FOURIER Multiplex comportant un dispositif interférométrique conforme à l'invention; - la figure 2 est un schéma en plan d'un autre S dispositif interférométrique; et - la figure 3 est un schéma de principe d'un tel dispositif interférométrique. Dans son principe, le système 100 de spectro- imagerie (par transformee de FOURIER Multiplex) de la figure 1 est similaire à celui décrit dans la demande de brevet 88-17328. Il est adapté à se déplacer parallèlement à une zone de sol 101, selon une direction de défilement ici schématisée par la flèche DD, pour faire une image spectrale de cette zone de sol. Ce système est par exemple embarque sur un avion ou un satellite (non représenté). Il comporte une optique d'entrée 102, un dispositif interferométrique 103 à deux voies d'entrée et de sortie (qui sera détailié ci-dessous), au moins un dispositif de détection 104 (un deuxieme dispositif 104A est ici représente), en pratique constitué d'un réseau ou mosaïque de detecteurs a transfert de champ (en anglais "Charge coupled Device" ou CCD), et enfin une unité de traitement 105 de tout type connu approprié adaptée à former des images spectrales successives du sol, selon un processus connu en soi, en particulier rappelé dans la demande de brevet précitée, à partir des images formées sur le (les) dispositif(s) de détection. Le dispositif interferométrique 103 à deux voies d'entrée et de sortie, qui constitue le coeur de la presente invention, est dérivé de l'interféromètre de Mc ZENDER c'est-a-dire que, pour l'essentiel, il comporte deux lames semi-transparentes 1 et 2 au moins approximativement coplanaires dans le prolongement l'une de l'autre, disposées entre deux surfaces réfléchissantes planes 3 et 4 au moins approximativement parallèles, entre elles et avec BAD ORIGINAL les lames semi-transparentes; ces surfaces réfléchissantes sont en pratique situées approximativement de façon symétrique de part et d'autre des lames semi-transparentes. Il est rappelé que dans un interferomètre de Mc ZENDER les lames semitransparentes et les surfaces réfléchissantes sont rigoureusement parallèles, les lames semi-transparentes étant exactement coplanaires. Ainsi qu'on le verra ci-dessous, l'invention vise précisément à rompre avec ce parallélisme rigoureux. Dans leur ensemble, ces lames et surfaces 1 à 4 sont approximativement disposées à 45 par rapport à un rayonnement incident de rayon moyen R (ou, en variante, de rayon moyen R', voire et rayons R et R'). Ainsi qu'il ressort plus clairement de la figure 2 (avec addition d'indices "prime"), le dispcsitif interférométrique de Mc ZENDER modifié selon l'invention comporte, en outre, au moins une lame prismatique P d'angle _. et d'indice de refraction différent du reste du dispositif situé entre l'une des surfaces refléchissantes (ici 3') et l'une des lames semi-transparentes (ici 2'). Cette lame prismatique P est ici dépourvue de matière. Plus précisément le dispositif interférométri- que 103' est formé de quatre éléments distincts (en pratique en un verre approprie connu), à savoir un cube séparateur d'entrée A dont la lame semi-transparente 1' constitue approximativement un plan diagonal, un cube séparateur de sortie B dont la deuxième lame semi-transpa- rente constitue de meme, approximativement, un plan - diagonal, et deux prismes de renvoi C et D dont les plus grandes faces longent les surfaces refléchissantes 3' et 4' (ces dernières sont, par exemple, matérialisées par dépôt d'une couche diélectrique réfléchissante de tout type connu approprié sur ces faces). Ces cubes et prismes peuvent être accolés (c'est ici le cas du cube A avec les prismes C et D, du moment que, comme il a été indiqué précédemment, il subsiste une lame prismatique P (ici entre B et C), d'angle BAD ORIGINAL c., ici constituée par de l'air ou du vide (la fente Q ménagée entre B et D est ici à faces parallèles). Ces éléments sont liés à un support (par exemple derrière le plan de la figure 2) qui les maintient en position. En variante, les éléments A, B, C peuvent etre taillés dans un seul bloc. Les cubes séparateurs A et B peuvent être formés de deux prismes approximativement identiques accolés par leurs bases en étant séparés par la lame semi-transpa- rente considérée matérialisée de toute manière appropriée (couche mince de dielectrique (Ai, Ag) puis collage par adhérence moléculaire). Ainsi que cela est schématisé sur la figure 2, le rayon R est divisé en deux par la première lame semi- transparente 1' (ou lame d'entrée): un "demi-rayon" Ri traverse la lame 1' et est réfléchi par la surface 3' tandis que l'autre "demi-rayon" R2 est refléchi par la lame 1' puis par la surface 4'. Chacun de ces demi- rayons est à son tour divise en deux: le demi-rayon R1 se subdivise en Ri= réfléchi et Ri, transmis et le demi-rayon R= se subdivise en Rmi transmis et R== réfléchi. De la sorte les rayons R2, et R1= se recombinent sur le détecteur 104' tandis que les rayons Ri, et R=22 se recombinent sur le détecteur 104A' (ces détecteurs sont situés sur les plans focaux des deux voies ainsi constituées). On appréciera que la différence des inclinai- sons ", et c des lames semi-transparentes par rapport à un plan moyen X-X génère une différence de marche entre les deux rayons arrivant sur chacun des systèmes de détecteur, tandis que la lame prismatique P d'angle plans focaux tout en conservant une compensation d'ouver- BAD ORIGINAL ture numérique correcte. On peut noter à propos des angles C et t' que les angles c et ow' correspondent au plan de meilleure mise au point des images formees par l'objectif d'entrée. Leur calcul est aisé. Leur respect n'est toutefois pas critique. Une présentation plus théorique d'un inter- féromètre selon l'invention va maintenant etre présentée en regard de la figure 3 o, sans utiliser d'indices "prime", on a donné un numéro de référence aux faces des cubes et prismes en regard. Ainsi le cube A et le prisme C sont affrontés par les faces 5 et 6; A et D par les faces 7 et 8; B et C par les faces 9 et 10 et B et D par les faces Il et 12. A titre d'exemple, les cubes et prismes A à D sont à angle droit avec addition d'une lame prismatique de verre V pour former la fente ou lame prismatique P. D'autres angles d'inclinaison par rapport au plan moyen, différents de 45 , seraient bien snr possibles ici. Sans qu'ils aient été reportés sur la figure 3 pour des raisons de lisibilité on note oD et c4 les angles d'inclinaison (éventuellement nuls) des surfaces 3 et 4 par rapport au plan X-X; et D à C clinaison des faces 5 à 12 par rapport à une orientation à par rapport à X-X (tous les angles sont bien sCr mesurés avec la même convention; par exemple le sens des aiguilles d'une montre. De même on définit la grandeur Ti, comme étant le trajet parcouru par le rayon moyen, entre la face i (lame ou surface) et les plans focaux (c'est en fait la somme des trajets dans chacun des matériaux entre cette face et les platis focaux, le trajet dans chacun des matériaux étant diviseé par l'indice de réfraction du matériau: si n est l'indice de verre utilisé, le tirage global est donc la somme: Ti(verre + Ti(air) n Les performances optimales sont atteintes si BAD ORIGINAL l'on satisfait aux trois exigences suivantes: 1 - La création d'une différence de marche: si en sortie de l'interféromètre, les rayons moyens des faisceaux des deux voies forment un angle c deux rayons moyens. 2 - La compensation d'ouverture numérique: la compensa- tion d'ouverture numérique, ou indépendance de la dif- férence de marche vis à vis de l'angle d'incidence du rayon du faisceau considéré, est assurée lorsque les images formées par les deux voies de l'interféromètre sont au point dans le meme plan focal. 30 - La superposition des images: la superposition des images est assurée lorsque les rayons moyens des faisceaux des deux voies correspondant au méme point image s'inter- ceptent dans le plan focal. La première exigence se traduit par la relation, en appelant c, l'angle avec lequel deux rayons se recombinent sur les plans focaux (voir figure 2): = 2n.( n±1-c- La relation de bonne compensation d'ouverture numérique s'écrit: non nul. Le second terme correspond à la différence.des BAD ORIGINAL angles cumulés des lames prismatiques situées entre A et C, et B et D et des angles cumulés des lames prismatiques situées entre A et D et B et C. Il s'agit également de la différence entre les différences des angles de lame prismatique existant respectivement d'un coté ou de l'autre du plan moyen X-X. Ces relations font jouer 'des rôles symétriques aux deux cubes ainsi qu'aux deux prismes. Les rayons moyens des deux voies correspondant à un même point image s'interceptent dans les- plans focaux si: vi.Ti +,O.T2 - d-.T3 -.T4 = [(n1)/2n] (#X.To6Te+X-.T-7X-0n. Tu+ to.T o--,P avec une épaisseur de 20 mm. On a supposé ici que les faces libres des cubes A et B étaient rigoureusement à 45 par rapport à X-X. Les angles 10-3 rad. L'interféromètre Mc ZENDER ainsi modifie conserve les propriétés de l'interferomètre proposé dans le brevet 88-17328, tout en améliorant ses performances; son utilisation présente les avantages suivants: - Plus grande souplesse d'emploi: dans le cas de l'utili- sation de l'interféromètre proposé dans le brevet 88-17328, les systèmes de miroirs en toit déplacent l'image formée par l'objectif, symétriquement par rapport à l'axe de l'arete des miroirs en toit, la - superposition des images nécessite donc un alignement rigoureux des arêtes des systèmes de miroirs en toit, difficile à réaliser, très bAD ORIGINAL critique dans le fonctionnement de l'interféromètre. L'in- terféromètre type Mc ZENDER modifié, n'effectue pas de renversement d'image, la superposition des images est controlée par de simples mesures d'autocollimation sur les différents dioptres et miroirs de l'interféromètre. - Augmentation du champ d'application: les trajets des rayons, dans l'interféromètre type Mc ZENDER modifié sont diminués par rapport au cas de, l'interféromètre proposé dans le brevet nu 88-17328. De ce fait, la courbe donnant l'ouverture numérique admissible de l'objectif en fonction de la largeur du cube séparateur d'entrée est nettement plus favorable. Dans le cas d'une application donnée, l'inter- feromètre peut fonctionner associé avec des objectifs de plus faibles ouvertures numériques que dans le cas de l'utilisation de l'interféromètre proposé dans le brevet n 88-17328. - Diminution de la masse et du volume: à performances egaies l'interféromètre type Mc ZENDER modifié à une masse et un volume réduit d'un facteur 2 à 3 par rapport à l'interféromètre proposé dans le brevet n 88-17328. Il va de soi que la description que la description qui precede n'a été proposée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être proposees par l'homme de l'art sans sortir du cadre de l'invention. BAD ORIGINAL REVENDICATIONS 1. Dispositif interférométrique à deux voies pour spectrométrie par transformée de FOURIER Multiplex, comportant deux lames semitransparentes (1, 2; 1', 2') disposées sensiblement dans le prolongement l'une de l'autre entre deux surfaces réfléchissantes (3,.4; 3', 4') sensiblement parallèles entre elles et à un plan moyen (X- X) contenant ces lames semi-transparentes, caractérisé en ce que l'une au moins de ces lames et surfaces est inclinée d'une valeur non nulle par rapport à ce plan moyen, la somme algébrique des inclinaisons (q,, "2) des lames semi- transparentes par rapport à ce plan moyen étant différente de la somme des inclinaisons des surfaces réfléchissantes par rapport à ce meme plan, et en ce qu'au moins une lames prismatique (P) d'indice de réfraction différent du reste du dispositif interférometrique est disposée entre l'une des lames semi-transparentes et l'une des surfaces réfléchissantes, les differences algébriques des angles de lame prismatique étant différentes de part et d'autre de ce plan moyen. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces réfléchissantes (3, 4; 3', 4') sont strictement parallèles. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les lames semi- transparentes (1, 2; 1', 2') sont toutes deux inclinees en sens contraire par rapport au plan moyen. 4. Dispositif selon l'une quelconque des _ revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est formé de deux cubes séparateurs (A, B) présentant des arêtes de coin adjacentes et dont les lames semi-transparentes constituent des plans approximativement diagonaux et de deux prismes (C, D) entre ces tubes, présentant des coins adjacents approximativement à angle droit, les surfaces réfléchis- santes étant ménagees sur des faces de ces prismes opposées à ces coins. BAD ORIGINAL 2647902- 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits angles prismatiques sont ménagés entre les faces en regard (5-12) des cubes et des prismes. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une seule lame prismatique. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que cette lame prismatique (P) est située à l'intérieur de l'angle formé par les lames semi-transpa- rentes. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ce dispositif interférométrique est en verre tandis que ladite lame prismatique (P) d'indice de réfraction différent est une fente de vide ou d'air. 9. Système de spectro-imagerie par transformée de FOURIER Multiplex destiné à être déplace selon une direction (DD) de défilement par rapport à une zone de sol (101), comportant une optique d'entree (102), un dispositif interferométrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dont l'une des lames semi-réfléchissantes (1, 1') est à 45 du rayonnement transmis par cette optique d'entrée, au moins un dispositif de détection (104, 104A) approxima- tivement dispose à 45 par rapport à l'autre des lames semi-transparentes, et un dispositif de traitement (105) connecté à ce dispositif de détection. BAD ORIGINAL