Brevet FR2655731A1 — publié le 19910614

La présente invention a pour objet des dispositifs optiques pour spectrographes, spectromètres ou colorimètres. Le secteur technique de l'invention est celui de la construction des dispositifs optiques utilisés pour l'analyse spectrale des sources de lumière dans l'industrie, au laboratoire ou dans l'astronomie. Un monochromateur isole dans la lumière à analyser une seule longueur d'onde et comporte au minimum un collimateur, un disperseur et un objectif refocalisant la radiation choisie sur une fente de sortie unique. Un spectrographe comporte au minimum le même nombre d'éléments à la différence près que la fente de sortie précédente est remplacée par un récepteur qui enregistre l'ensemble du spectre ou par un ensemble de fentes de sortie qui isole dans la lumière à analyser plusieurs longueurs d'ondes simultanément. En spectrométrie on distingue deux techniques différentes: la spectrométrie séquentielle et la spectrométrie simultanée. La spectrométrie séquentielle utilise des montages monochromateurs; le spectre est enregistré longueur d'onde après longueur d'onde. Ce résultat est obtenu en faisant tourner le disperseur ce qui entraine le défilement des radiations sur la fente de sortie. La spectrométrie simultanée où l'on doit analyser un grand nombre de radiations simultanément dans le même laps de temps utilise des montages spectrographe. A chaque radiation correspond une fente de sortie et un récepteur indépendent. De part et d'autre de chaque longueur d'onde étudiée, de trés petits domaines spectraux peuvent être enregistrés. Ce résultat est obtenu en faisant osciller d'un trés petit angle une pièce optique. On conçoit bien que les deux montages monochromateur et spectrographe ayant des finalités différentes peuvent avoir des propriétés optiques différentes. En dissociant au maximum les fonctions, la présente invention propose un dispositif unique. Le montage de base est un arrangement Czerny-Turner où le disperseur est disposé strictement dans le plan focal des deux miroirs (Fig 1). On sait qu'un tel montage dit montage en Z n'a pas d'aberrations impaires (coma, distorsion) à condition que les angles d'incidence sur les deux miroirs soient égaux. Un tel montage a deux aberrations gênantes: l'aberration sphérique si les ouvertures sont grandes et l'astigmatisme qui croit comme le carré des angles d'incidence sur les miroirs, ce qui impose de limiter au minimum l'excentrement. Lorsque le disperseur est un réseau échelle, il y a nécessité de disperser perpendiculairement les ordres par un disperseur secondaire. Classiquement, cet effet est obtenu par un prisme en double passage disposé devant le réseau échelle. Le prisme est nettement plus grand que le réseau, la dispersion dans le rouge est beaucoup plus petite que dans l'ultraviolet, ce qui limite d'autant la hauteur de fente. Les angles d'incidence sur les miroirs sont importants,ce qui augmente l'astigmatisme. En diffraction plane (rayons incidents et diffractés perpendiculaires aux traits du réseau) ces angles sont importants et limitent les ouvertures déjà limitéespar les risques de spectres parasites (Règle de Cary). En diffraction conique (rayons incidents et diffractés dans un même plan parallèle aux traits du réseau et contenant l'axe de blaze) ces angles trop importants provoquent une courbure de spectre et des différences de pente gênantes dans les images monochromatiques de la fente. Le problème est résolu dans la présente invention en associant deux Czerny-Turner (du même type) successifs dits ci-après premier et deuxième étage. Le premier étage comporte un réseau échelle utilisé en dispersion conique, on profite donc des conditions du montage LITTROW et les angles d'excentrement sont réduits au minimum (meilleure luminosité, peu de déformations dans un spectre intermédiaire où tous les ordres sont superposés). Dans le deuxième étage un prisme à réflexion arrière disperse ce spectre intermédiaire dans le plan sagittal final qui coïncide avec le plan des disperseurs. I1 est connu pour l'homme de l'art que si les images intermédiaire et finale souffrent d'aberration sphérique et d'astigmatisme, les sagittales sont effectivement contenues dans ce plan. Par suite de la conjugaison des pupilles, le prisme est réduit a sa dimension minimum qui peut n'avoir aucun rapport avec la dimension du réseau échelle utilise dans le premier étage (fig 2). Avantageusement,pour des raisons d'encombrement mécanique, on replie le deuxième étage sur le premier par le moyen d'un prisme à réflexion totale au niveau du spectre intermédiaire. I1 est facile alors de répartir tous les éléments optiques du dispositif sur deux plans parallèles dites ci-après joues. La première joue comporte alors 4 miroirs jointifs à axes parallèles nommés dans l'ordre 1, 2, 3, 4, la deuxième joue face à face comportant le reste des éléments optiques (fente d'entrée, réseau échelle, spectre intermédiaire, prisme a réflexion totale, prisme a réflexion arrière et image finale (fig 3)). La correction de l'aberration sphérique et de l'astigmatisme ne peut s'effectuer que sur 3 niveaux: sur le miroir No 1, sur le réseau ou sur le prisme,puisque les faisceaux sont dispersés sur les miroirs 2, 3, 4. Pour un spectromètre (avec une fente d'entrée unique) la meilleure solution consiste à corriger les aberrations du premier étage sur le miroir No 1 et les aberrations du second étage sur le prisme. En fait, le miroir No 1 peut supporter la correction totale des deux étages. I1 y a donc inversion des deux aberrations au niveau du spectre intermédiaire et ce n'est pas gênant. L'image sagittale précède la tangentielle où l'on peut disposer d'un masque géométrique limitant la hauteur des raies. La hauteur de fente n'étant pas limitée à l'entrée de l'appareil, la hauteur utilisable sera donc limitée au niveau du spectre intermédiaire. Elle pourra donc être beaucoup plus grande dans l'ultraviolet où il y a peu de lumière et où la dispersion due au prisme est grande, que dans le rouge où il y a beaucoup de lumière et où le prisme disperse peu. Un avantage non négligeable du dispositif à deux étages est l'amélioration de la qualité d'image par pour chaque domaine de longueurs d'onde. Il se trouve que dans les ordres d'un réseau échelle, les ordres bleus sont plus courts linéairement que les ordres rouges. Les images pour les longueurs d'onde bleues sont donc plus près de l'axe et meilleures que les images extrêmes des ordres rouges. I1 n'y a aucun inconvénient à vignetter indépendamment le rouge où la lumière est surabondante. L'effet est obtenu en donnant un contour ovale aux miroirs 2 et 3. Par suite de l'inversion de pupilles au niveau du spectre intermédiaire, seule la partie centrale de la pupille sera retenue pour les images finales les plus éloignées du plan de symétrie du dispositif. Cela permet d'utiliser comme disperseur primaire un réseau échelle à plus grand nombre de traits, donc des ordres plus facilement séparables, donc un prisme d'angle plus faible (fig 5). Le tèlécentrisme rigoureux des images finale et intermédiaire rend le dispositif peu sensible aux dilatations si les éléments optiques sont eux-mêmes insensibles aux variations thermiques. Ce télécentrisme permet la mise en place au niveau du spectre intermédiaire d'une unité séquentielle. Cette unité séquentielle est un ensemble compact de petites dimensions qui se déplace le long du spectre intermédiaire. Elle est constituée d'un prisme rhomboïdal à l'entrée qui contient la fente d'entrée séquentielle, (le prisme rhomboïdal, trés fin d'épaisseur, prèléve les faisceaux avant le masque et la fente a donc une hauteur non limitée) et d'un Czerny-Turner dont le disperseur est un prisme. Ce prisme a l'arête parallèle à la fente, la dispersion secondaire est donc ici dans le même sens que la dispersion due à l'échelle. Ce prisme tourne pour faire paraître dans un diaphragme de sortie la radiation choisie. Les radiations sélectionées par la fente d'entrée de l'unité séquentielle sont réparties discrètement suivant la loi K.A = cte. Elles sont donc assez éloignées les unes des autres, les focales des miroirs du Czerny-Turner séquentiel peuvent être courtes, le diaphragme de sortie peut être large. Comme il y a intérêt à utiliser un détecteur différent pour les domaines bleu et rouge, le prisme disperseur est en fait un ensemble de deux prismes interchangeables. L'enregistrement séquentiel d'un domaine implique deux mouvements liés: le déplacement linéaire de l'unité séquentielle et la rotation de son prisme (fig 6). A signaler que la fente d'entrée de l'unité séquentielle doit être rectiligne et parallèle à l'arête du prisme. Pour cela, il convient de donner à la fente d'entrée générale du dispositif la courbure et l'inclinaison convenable qui compense l'effet dû au réseau échelle utilisé en dispersion conique. En optique astronomique, un tel dispositif est utilisable,à la différence près que le champ image fourni par la longue focale du télescope est trop vaste pour le récepteur utilisé, que la dimension d'une image stellaire agrandie par la turbulence est plus grande que le pixel du récepteur. I1 faut donc associer le dispositif décrit à un réducteur focal. L'image fournie par le téléscope étant télécentrique, les espaces objet, intermédiaire et image du dispositif étant monochromatiquement homomorphes,un réducteur focal utilisé directement au foyer du télescope pourra l'être également au foyer intermédiaire ou au foyer final du dispositif décrit (fig 7). La pupille interne d'un réducteur focal astronomique étant en général réelle et utilisable,on pourra même y placer un disperseur secondaire si nécessaire. On retrouve ici par un dispositif très différent le principe du spectrographe dit "à pupille blanche" décrit dans le brevet FR 1 434 960. Le fait de pouvoir utiliser le même réducteur focal, soit au foyer direct du télescope, soit à la sortie de l'un quelconque des étages, permet d'avoir toujours le minimum d'optique en service. Le réducteur focal peut être catadioptique, auquel cas on peut l'intégrer plus intimement au dispositif décrit. Le collimateur dudit réducteur focal est alors un miroir identique aux miroirs du Czerny-Turner. Un objectif dioptrique qui n'a rien de particulier pourra alors être disposé dans la seconde pupille, il assurera la réduction focale nécessaire (fig 8). Dans le cas où le disperseur primaire est un réseau travaillant dans le premier ordre, le dispositif est utilisé tel quel; dans le cas où le disperseur est un réseau échelle, il y aura lieu de mettre devant l'objectif un disperseur secondaire. Dans l'exemple proposé, la dispersion secondaire est fournie par un disperseur composite (prisme + réseau) assurant une distribution régulière des ordres parallèlement aux lignes des pixels, les images monochromatiques des fentes étant parallèles aux colones. L'effet est obtenu en tournant légèrement le réseau échelle (0 = 76 ). (Ces deux derniers effets, obtention d'un espacement régulier des ordres et de la perpendicularité des ordres et des raies, sont connus de l'homme de l'art.) Comme précédement, la correction de l'aberration sphérique et de l'astigmatisme s'effectue en tenant compte du nombre de miroirs et de l'excentrement. Un cas particulier est à considérer dans l'optique astronomique, l'utilisation de fentes d'entrée multiples (multislit spectrographes). Une correction des aberrations ne peut alors s'effectuer qu'au niveau des pupilles soit en déformant la surface du réseau soit en faisant précéder le réseau d'une lame de Schmidt astigmate en double passage, ce qui est justifié car un spectrographe astronomique est un objet unique et une optique élaborée ne grève pas son prix de revient. Les figures 7 et 8 montrent schématiquement le principe de la combinaison optique. Il appartient évidemment au constructeur suivant le but recherché et la façon dont se présente le foyer du télescope, de prévoir l'interchangeabilité des systèmes disperseurs, l'interchangeabilité des foyers et les escamotages nécessaires. I1 est évident que d'une part le nombre d'étages n'est pas limité à 1 ou 2 étages que, d'autre part, pour un très grand champ astronomique, plusieurs systèmes identiques peuvent être juxtaposés. La figure I montre le schéma connu du Czerny-Turner CT en diffraction conique (over under type)ce montage dans l'invention est toujours complété par un collimateur qui renvoie à l'infini l'image du spectre fourni par le Czerny-Turner en refocalisant en son foyer image l'image du réseau dudit Czerny-Turner. La figure 2 montre 2 rzerny-Rurner successifs CT1, CT2. Le premier disperseur réseau est une échelle E, le second un prisme PR qui disperse perpendiculairement les ordres, ce montage permet de réduire les angles d'excentrement et de déconnecter les dimensions du réseau de celle du prisme, ici les focales du 2ème Czerny-Turner sont plus grandes que celles du premier. La figure 3 montre le même montage que la figure 2 replié par un prisme à reflexion totale PRT par exemple,de façon que les éléments optiques puissent se répartir sur 2 plans parallèles*, ici les focales des 2 Czerny-Turner sont très voisines. La figure 4 montre le masque géométrique m qui peut être disposé dans le plan de l'image tangentielle intermédiaire. En F', une image monochromatique de la fente d'entrée générale du dispositif, cette fente sera limitée en hauteur par ce masque géométrique. La figure 5 montre les diaphragmes géométriques qui peuvent être mis en place sur les miroirs 2 et 3, diaphragmes qui limitent dans le rouge les pupilles monochromatiques les plus éloignéesde l'axe à la partie centrale desdites pupilles. Sur l'axe de symétrie, la pupille n'est pas diaphragmée, au bout du miroir No 3 elle est diaphragmée; le pointillé dessine ces pupilles monochromatiques (au bord du miroir No 3, c'est en fait l'image du miroir No 2). La figure 6 montre la mise en place d'une unité séquentielle mobile avec les mouvements nécessaires;la figure 6' montre un agrandissement du système disperseur P de l'unité séquentielle. Ce système disperseur peut être avantageusement doublé, ce qui permet une meilleure utilisation du dispositif. Eventuellement le détecteur peut être également dédoublé pour une meilleure utilisation dans le rouge et le bleu. L'unité séquentielle mobile comprend au minimum une fente d'entrée F', 2 miroirs M5, M6, un prisme disperseur P et un photomultiplicateur PM. La figure 6" montre l'agrandissement du prisme rhomboïdal d'entrée nécessaire si l'unité séquentielle est mise en place dans le système défini par la figure 3. La figure 7 montre l'utilisation d'un dispositif suivant l'invention au foyer F d'un télescope. I1 comprend obligatoirement l'utilisation d'un réducteur focal dioptrique noté RF. I7 comprend au minimum les miroirs notés I et 2 et un réseau primaire en diffraction conique noté R1. La figure 7' montre l'utilisation d'un double étage comprenant donc en plus à partir du spectre intermédiaire F' les miroirs 3 et 4 un disperseur secondaire noté DS pouvant être un prisme, un réseau ou un composite prisme-réseau, le spectre final noté Ft est repris par le réducteur focal RF. La figure 7" donne le schéma d'un système complexe replié de façon que tous les miroirs soient dans un même plan, les miroirs concaves sont notés 1, 2, 3, 4, 5, 6. Les foyers successifs du système notés F, F', F't, F' sont dans un plan parallèle où ils alternent avec les pupilles successives notées P1, P2, P3. Pour des raisons diverses, utilisation d'une échelle, séparation des domaines bleu et rouge, etc... le foyer F du téléscope peut occuper n'importe quel autre foyer restant. L'une des pupilles au moins du système est doté d'un réseau utilisé en diffraction conique. La figure 8 donne le schéma d'un dispositif utilisé avec un réducteur catadioptique où le réseau utilisé travaille dans le premier ordre. La figure 8' donne le schéma du dispositif où le réseau utilisé est une échelle. REVENDICATIONS 1. Collimateur optique composite pour la spectrographie, la spectrométrie ou la colorimétrie, caractérisé en ce qu'il comporte en aval d'un collimateur classique, un spectrographe du type Czerny-Turner (rT?ou autre constitué d'une fente d'entrée, de deux miroirs concaves (1,2-3,4)juxtaposés,de même focale et d'un ré seau (E) dans.le plan focal commun aux deux miroirs,où ledit réseau est utilisé en dispersion conique, ledit Czerny-Turner fournit au foyer objet du collimateur classique un spectre intermediaire complet, ledit collimateur classique reforme en son foyer image, une pupille lieu de superposition des faisceaux parallèles monochromatiques, pupille qui est l'image du réseau lui-même. 2 Dispositif selon la revendication 1 utilisé en spectrographie ou en spectrométrie simultanée caractérisé en ce que le collimateur classique dont il est fait état dans la revendication I est le premier miroir (3) d'un deuxième Czerny-Turner(CT2) du même type que le précédent et dont le disperseur est un prisme à réflexion arriêre assurant la dispersion secondaire perpendiculaire nécessaire si la dispersion primaire due au premier Czerny-Turner est le fait d'un réseau échelle, les excentrements des 2 Czerny-Turner successifs se faisant dans le même plan. 3. Dispositif selon la revendication 2 utilisé en spectrographie ou en spectrométrie simultanée caractérisé en ce que les 2 Czerny-Turner décrits dans la revendication II sont disposés l'un au-dessus de l'autre grâce à un dispositif de renvoi au niveau du spectre intermédiaire, les éléments optiques pouvant alors être répartis sur 2 plans parallèles, le premier plan supporte les 4 miroirs(l-4)qui peuvent alors être répliqués en une seule fois, le deuxième plan supportant les disperseurs, le système de renvoi au niveau du spectre intermédiaire et le plan image final dans lequel toutes les images monochromatiqeus de la fente d'entrée se forment. 4. Dispositif selon I1 une des revendications 2 ou 3 utilisé en spectrographie ou en spectrométrie simultanée caractérisé en ce qu'un masque(m)au niveau de 1'image tangentielle du spectre intermédiaire limite la hauteur de fente, la largeur de la dite fente étant imposée au niveau de la fente d'entrée du premier Czerny-Turner. 5. Dispositif selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé par la mise en place sur les miroirs (2, 34de diaphragmes ovales permettant de sélectionner pour les faisceaux rouges les plus éloignés du plan de symétrie du dispositif général la partie centrale de la pupille, ce vignetting améliorant les images paraxiales permet d'utiliser dans les premiersCzerny-Turner un réseau échelle à plus grand nombre de traits et par conséquent dans le deuxième Czerny-Turner un prisme d'angle plus faible. 6. Dispositif suivant la revendication 1 utilisable en tant que monchromateur ou en spectrométrie séquentielle,caractérisé en ce que le collimateur classique dont il est fait état dans la revendication 1 est le premier miroir d'un second Czerny-Turner du même type que le premier et dont le prisme à réflexion arrière(PRT)assure une dispersion secondaire parallèle à la dispersion primaire fournie par un réseau échelle utilisé éventuellement dans le premier Czerny-Turner, les excentrements des 2 Czerny-Turner successifs se font alors dans 2 plans perpendiculaires; le second Czerny-Turner est un ensemble compact comprenant une fente d'entrée sélectrice qui découpe dans le spectre intermédiaire une bande spectrale de largeur déterminée, bande en fait composée de tous les ordres successifs fournis par le réseau échelle, ces ordres répartis de façon discréte après le second Czerny-Turner sont séparés par un simple diaphragme de sortie, diaphragme fixe devant un photomultiplicateur, l'enregistrement séquentiel du spectre nécessite alors deux mouvements liés, le déplacement le long du spectre intermédiaire du Czerny-Turner séquentiel, la rotation du prisme du second Czerny-Turner. 7. Dispositif selon 1'une quelconque des revendications 3 à 6 utilisa ble en spectrométrie simultanée et séquentielle, caractérisé en ce que tous les éléments sont présents à la fois, et qu'au niveau du spectre intermédiaire, avant le masque limitant la hauteur de fente pour la spectrométrie simultanée,un prisme rhomboïdal prélève la bande spectrale intermédiaire nécessaire à l'ensemble séquentiel, le prisme rhomboïdal contenant la fente séquentielle pouvant être très fin d'épaisseur et ne pas gêner l'observation en spectrométrie simultanée, l'ensemble séquentiel se déplaçant dans la 2ème zone du dispositif général. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 7, caractérisé en ce que les aberrations résiduelles du système général, c'est-à-dire l'aberration sphérique et l'astigmatisme, sont- corrigés au niveau du premier miroir du premier Czerny-Turner, ce premier miroir étant alors un hyperboloïde astigmate, dont l'axe de symétrie est parallèle à l'axe des autres miroirs, le coefficient de la déformation hyperbolique est égal à l'opposé du nombre de miroirs dans le système corrigé (-4 s'il y a 4 miroirs de même rayon de courbure), la différence entre les rayons de courbure principaux de l'hyperboloïde dépendant des angles d'excentrement et de leur orientation. 9. Dispositif selon l'une quelconque'des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que les aberrations résiduelles du système général sont corrigés au niveau du chaque Czerny-Turner, le premier Czerny-Turner étant corrigé au niveau du premier miroir par un hyperboloïde astigmate dont le coefficient de déformation est -2, le Czerny-Turner permettant la spectrométrie simultanée étant corrigé au niveau du prisme par un effet de lame de Schmidt torique, notamment une déformation en x4 sur la face avant du prisme, une déformation torique sur la face réfl echi ssante. 10. Dispositif suivant la revendication 1, utilisé en spectrographie astronomique caractérisé en ce qu'il comprend intercalé entre le foyer d'un télescope et un réducteur focal classique, le montage Czerny-Turner selon la revendication , le collimateur classique étant le collimateur dioptrique même du réducteur focal. 11. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, utilisable en optique astronomique, caractérisé en ce que-le montage est intercale entre le foyer d'un télescope et un réducteur focal classique, un montage suivant l'invention, le foyer du télescope et le réducteur focal pouvant occuper indifféremment par escamotage de miroirs plans, le foyer entrée du système, le foyer intermédiaire ou le foyer final. 12. Dispositif suivant la revendication I utilisable en spectrographie astronomique,caractérisé en ce que le collimateur classique dont il est fait état dans la revendication I est un miroir qui reforme en son foyer image une seconde pupille, image du premier réseau, et-que dans cette seconde pupille est placé un objectif de chambre de type classique, l'ensemble miroir No 3, objectif de chambre jouant le rôle d'un réducteur focal catadioptique. 13. Dispositif suivant la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte devant l'objectif de chambre le disperseur secondaire nécessaire si le réseau utilisé dans le Czerny-Turner est une échelle.