Brevet FR2847978A1 — publié le 20040604

Spectromètre compact à composant optique monolithique Objet: La présente invention concerne un spectromètre compact à composant optique monolithique. Ce spectromètre peut trouver des applications intéressantes dans les domaines des analyses chimiques, de la colorimétrie, du contrôle des systèmes optiques, du codage optique, du multiplexage, et dans différents autres domaines o une étude des grandeurs liées aux spectres lumineux est nécessaire. 10 tat de la technique: Le schéma classique de constitution d'un spectromètre se compose essentiellement des éléments ci- après - une fente d'entrée, - une optique de collimation, - un élément dispersif, une optique de focalisation. Les appareils de laboratoire comportent une fente d'entrée éclairée par une source interne. L'élément dispersif est mobile ou non suivant que l'instrument est utilisé à déviation constante (avec une fente réceptrice et une cellule photo20 électrique) ou à spectre fixe (avec un capteur linéaire ou matriciel). Les appareils de terrain reçoivent la lumière par une fibre optique et peuvent éventuellement ne pas comporter de fente d'entrée. Certains appareils utilisent, par simplification, un réseau holographique torique en guise d'élément dispersif. Ce type de réseau permet d'éliminer les -2 optiques de collimation et de focalisation, ces deux fonctions étant assurées par ce type de réseau. Les schémas classiques de constitution de tels spectromètres présentent couramment les défauts suivants: - courbure de l'image de la fente; - nonlinéarité du spectre (en fonction de la longueur d'onde); - résolution spectrale non constante; - astigmatisme et coma sur l'image de la fente; courbure de champ; - rendement des réseaux holographiques plus faibles que ceux des réseaux gravés; - sensibilité thermique du spectre obtenu; complexité du montage, pour la plupart des schémas classiques de montage; - encombrement lié à la juxtaposition des éléments, pour un grand nombre de réalisations proposées à ce jour. La correction simultanée de ces différents paramètres n'est jamais obtenue de sorte que le concepteur est toujours amené à chercher des compromis compatibles avec l'application envisagée. La simplification des montages est cependant essentielle pour la miniaturisation et l'adaptation des spectromètres à la fabrication en grandes séries. L'utilisation de réseaux holographiques, seule vraie simplification utilisée par les appareils existants, limite les possibilités de fabrication en grandes séries par la complexité de leur réalisation (en particulier, le "blaze" est obtenu par 25 abrasion ionique, technique longue et coteuse). - 3 Dans le document WO-02/04901, est décrit un "appareil de contrôle pour systèmes de transmission optique" comprenant un spectromètre constitué par un corps monolithique transparent présentant une face avant et une face arrière: - ladite face avant comportant une surface d'entrée présentant une ouverture d'entrée et au moins une première surface réfléchissante, et - ladite face arrière comportant au moins une deuxième surface réfléchissante pour réfléchir les signaux reçus de ladite ouverture d'entrée en direction de la surface réfléchissante prévue sur la surface d'entrée, et une surface de sortie disposée en relation mutuelle avec des moyens de détection 10 incorporés audit corps ou placé à proximité de ladite surface de sortie pour détecter les rayons lumineux réfléchis par ladite première surface réfléchissante. D'un point de vue général, le document susmentionné décrit un système composite constitué de plusieurs surfaces réfléchissantes et de plusieurs dioptres (le terme n'est pas employé, mais les surfaces d'entrée et de sortie ne peuvent être que des dioptres) dont au moins une surface réfléchissante est diffractive. Ce système ne sépare pas la fonction diffractive de la fonction dispersive, mais au contraire, les assimile. C'est-à-dire que la fonction diffractive dont il est fait allusion dans la description est, en termes clairs, le réseau de diffraction qui disperse le spectre de la lumière. Selon ce document, la source de lumière (fibre optique) est située du côté opposé au détecteur. Dans ces conditions, la fibre optique entre par l'un des côtés de l'appareil alors que le câble du capteur est situé de l'autre côté de celui-ci; il y a donc une sortie filaire de chaque côté de l'appareil, ce qui complique notablement l'implantation du spectromètre dans les appareils d'analyse et/ou de 25 contrôle de la lumière surtout lorsque ces derniers présentent des dimensions réduites. Selon le document WO-02/04901, la multiplication des miroirs, afin d'allonger le chemin optique, est au détriment, soit de la compacité, soit de l'acceptance du spectromètre (ouverture numérique acceptée à l'entrée du 4 spectromètre). Or les fibres optiques ont une ouverture numérique (ON.) d'au moins 0,22 (O.N. = sin. a, o ax est le demi-angle du cône de lumière sortant de la fibre). L'allongement du chemin optique peut donc se traduire par une perte importante de lumière à l'intérieur du corps transparent. Cette lumière non utilisée n'est pas conduite et, par conséquent, peut atteindre le détecteur sous forme de lumière parasite. Ainsi le rapport signal/bruit (signal to noise ratio) est diminué. Chaque côté du corps transparent est constitué par la juxtaposition de miroirs et de dioptres dont les définitions géométriques sont différentes. Cette juxtaposition s'oppose à une réduction sensible de l'encombrement des schémas 10 classiques de spectromètres. L'invention vise à mettre à la disposition des utilisateurs, un spectromètre compact capable de s'adapter à tous les besoins de spectrométrie en espace réduit (par exemple incorporation d'analyse colorée de la lumière dans des senseurs ou dispositifs portables), dépourvus des inconvénients susmentionnés. Selon l'invention, ce but est atteint grâce à un spectromètre compact comprenant un corps monolithique transparent présentant une face avant et une face arrière et agencé pour présenter une surface d'entrée recevant le faisceau lumineux provenant d'une source de lumière et une surface de sortie transmettant les raies spectrales à un capteur, un moyen de réflexion, un moyen de diffraction, 20 un moyen de focalisation, et éventuellement, un moyen de dispersion, ce spectromètre étant remarquable en ce que lesdites surfaces d'entrée et de sortie sont disposées sur la même face dudit corps. Grâce à cette disposition, la source de lumière et le capteur se trouvent en relation avec la même face du corps monolithique, ce qui permet d'avoir toutes les 25 liaisons filaires du même côté. Il en résulte une simplification de la fabrication des spectromètres et du montage de ceux-ci dans les appareils de spectrométrie, notamment en espace réduit. -5 Selon une autre disposition caractéristique de l'invention, les faces avant et arrière du corps transparent sont asphériques. La forme asphérique de chaque face permet un meilleur contrôle des aberrations géométriques et chromatiques, tout comme le passage multiple sur chacune d'elles. Suivant une autre disposition caractéristique, la face avant du corps transparent est constituée par un dioptre unique, tandis que la face arrière dudit corps est constituée par un miroir unique. Selon une autre disposition caractéristique de l'invention, un moyen de dispersion ou disperseur est placé devant la face avant du composant optique 10 monolithique ou incorporé à cette face avant. Selon une autre disposition caractéristique, un élément disperseur est placé devant la face avant et devant la face arrière du corps transparent. Selon une autre disposition caractéristique, le corps transparent est aménagé de sorte que chaque face de celui-ci est utilisée au moins une fois, 15 avant et après le passage des rayons lumineux sur l'élément disperseur. On comprend que selon l'invention, on utilise un seul composant optique qui effectue les fonctions de collimation et de focalisation, la fonction dispersive pouvant également être incorporée à ce composant. La concentration de ces fonctions est possible grâce à l'introduction de fonctions diffractives et réflectives dans un composant réfractif. L'intérêt de cette concentration réside dans la possibilité d'agir simultanément sur les aberrations géométriques en ajustant les formes complexes des dioptres et miroirs et sur la dispersion en ajustant les effets diffractifs. Les fonctions diffractives permettent également d'athermaliser le système optique. La miniaturisation du système est également envisageable grâce au recouvrement possible des fonctions de collimation et de focalisation sur les mêmes parties réfractives et réflectives du composant. L'encombrement du système ne dépend plus que de la juxtaposition de la source, de l'élément -6 disperseur et du capteur. Cette juxtaposition peut bénéficier d'un arrangement en trois dimensions pour satisfaire des contraintes d'encombrement sévères. Dans ce cas, la source, l'élément disperseur et le capteur ne se trouvent plus dans un plan de symétrie du composant. Outre les avantages précédemment cités, on souligne que le spectromètre compact selon l'invention permet d'obtenir: - une linéarité spectrale améliorée; - une résolution spectrale constante sur tout le spectre; - un champ géométrique suffisant pour la formation de plusieurs spectres 10 contigus; - une athermalisation du spectromètre; - une possibilité de fabrication en grande série et à cot plus réduit. Les buts, caractéristiques et avantages ci-dessus, et d'autres encore, ressortiront mieux de la description qui suit et des dessins annexés dans lesquels: 15 Les figures 1, 2 et 3 sont des vues schématiques illustrant trois exemples de réalisation de spectromètre compact à composant optique monolithique selon l'invention. La figure 4 est une vue ombrée schématique illustrant le fonctionnement du spectromètre. La figure 5 représente un exemple de courbe de la distorsion spectrale relative du spectre obtenu. La figure 6 montre un exemple de courbe de résolution spectrale. On se réfère auxdits dessins pour décrire des exemples de réalisations intéressantes, quoique nullement limitatives, du spectromètre compact selon 25 l'invention. Ce spectromètre comprend un composant optique monolithique 1 réalisé en matériau transparent, tel que verre organique par exemple, traité, de manière connue en soi, pour remplir des fonctions réfractive, réflective et diffractive. Le matériau transparent peut être teinté pour limiter la gamme spectrale. La limitation du spectre, afin d'augmenter le rapport signal sur bruit, peut-être incorporée au composant optique monolithique transparent en ajoutant un colorant dans son matériau constitutif. Ce composant optique présente une face avant Fl et une face arrière F2, les mots "avant" et "arrière" ayant, dans la description qui suit et les revendications, essentiellement pour but de distinguer les deux faces dudit composant optique et n'ayant aucun caractère restrictif. Ces faces avant et arrière sont agencées pour présenter une surface d'entrée 2 et une surface de sortie 3 et, selon l'invention, ladite surface d'entrée 2 et ladite surface de sortie 3 sont disposées sur la même face du composant optique 1, c'est-à-dire sur la face 15 avant Fl de ce dernier, selon les exemples illustrés. La surface d'entrée 2 est agencée pour recevoir le faisceau lumineux provenant d'une source optique 4 qui peut être constituée par au moins une fibre optique dont l'orientation est optimisée pour contrôler l'incidence de la lumière sur l'élément dispersif décrit ci-après. D'autre part, la surface de sortie 3 est agencée 20 pour permettre la transmission des raies spectrales à un capteur ou détecteur 5 disposé face à ladite surface de sortie. De la sorte, la source de lumière 4 et le capteur 5 se trouvent disposés du même côté du composant optique. Le composant optique transparent monolithique présente un axe de symétrie ou non. Le détecteur 5 qui peut être constitué par un composant optoélectronique connu en soi, tel que, par exemple, un capteur linéaire ou matriciel composé de nombreux "pixels", est incliné par rapport à l'axe de symétrie pour assurer la meilleure focalisation sur toute la longueur du spectre et également pour pouvoir chevaucher l'élément disperseur, en arrière de celui-ci. Cette configuration 30 contribue également à la compacité du spectromètre. Les faces avant Fl et arrière F2 du composant optique monolithique 1 sont asphériques, la face avant Fl présentant avantageusement, d'autre part, une forme convexe, tandis que la face arrière F2 présente, de préférence, une forme concave. La face avant transparente Fl du composant optique est agencée de sorte à constituer un dioptre unique 6 présentant, de préférence, une équation asphérique d'ordre pair ou impair, au sens du logiciel "Zemax" . La face arrière F2 est agencée pour constituer un miroir 7 et de manière avantageuse selon les exemples illustrés, un miroir convexe unique 7 présentant, 10 de préférence, une équation asphérique d'ordre pair ou impair, au sens du logiciel "Zemax" . Un moyen de diffraction est incorporé au composant optique, cette fonction diffractive pouvant être incorporée, soit au dioptre 6, soit au miroir 7. Le spectromètre comprend un moyen de dispersion ou disperseur 8, par 15 exemple constitué par un réseau de diffraction, qui peut être disposé face au dioptre 6 (figure 1) ou incorporé au composant optique monolithique 1, et, plus précisément, au dioptre 6 (figure 2) ou à la fois au dioptre 6 (disperseur 8) et au miroir 7 (disperseur 8'), comme le montre la figure 3. L'élément disperseur peut également être placé derrière la face arrière F2 du composant transparent; dans 20 ce cas une petite zone du miroir peut être rendue transparente et une petite partie du dioptre peut être rendue réfléchissante. Au moins une face du composant optique monolithique, par exemple la face F2, comporte une fonction diffractive, dissociée ou non de l'élément disperseur. Cette fonction diffractive permet un meilleur contrôle du chromatisme ainsi que de 25 la sensibilité thermique du système optique. Ceci permet donc de réduire la distorsion spectrale du spectromètre et de l'athermaliser. La ou les fonctions diffractives ci-dessus peuvent également permettre en introduisant un chromatisme de grandeur contrôlé, servir d'élément disperseur. Dans ce cas, il n'est plus nécessaire d'adjoindre un élément disperseur extérieur (réseau de diffraction). Cette configuration évite, en particulier, la présence d'ordres de diffraction voisins de celui utilisé, qui représentent toujours une quantité d'énergie non négligeable, même pour un réseau blazé. Le rapport signal sur bruit s'en trouve donc amélioré. Sur la figure 1, la source de lumière est une fibre optique dont l'orientation est optimisée pour contrôler l'incidence de la lumière sur l'élément dispersif. La lumière pénétrant par la surface d'entrée 2 est réfractée une première fois par le dioptre 6 puis réfléchie par le miroir 7 et ensuite réfractée une deuxième fois par 10 le dioptre avant d'atteindre le disperseur 8, l'ensemble de ces deux réfractions et de cette réflexion assurant la collimation des rayons lumineux. La lumière diffractée par le disperseur est à nouveau réfractée par le dioptre 6, puis réfléchie par le miroir 7 et ensuite réfractée par le dioptre, avant d'atteindre le capteur 5, l'ensemble de ces deux autres réfractions et de cette autre réflexion assurant la 15 focalisation des raies spectrales vers ledit capteur. La figure 2 illustre un autre exemple de configuration du spectromètre compact, selon lequel le disperseur 8 est intégré à une zone du dioptre 6. L'intérêt de cette conception est de ne pas avoir de problème de réglage du disperseur par rapport à l'ensemble du système optique La figure 3 illustre un troisième exemple de configuration du spectromètre dont l'objectif est de distribuer la fonction dispersive entre le dioptre 6 et le miroir 7, afin de donner plus de souplesse aux concepteurs. Selon ce mode d'exécution, un disperseur 8 est intégré à une zone du dioptre, et un disperseur 8' est intégré à une zone du miroir 7. L'utilisation d'un verre à gradient d'indices offre un paramètre supplémentaire au concepteur pour l'obtention d'un spectre de qualité. Selon l'invention, les différentes surfaces actives du composant optique monolithique transparent, sont distribuées sur les deux faces Fl et F2 dudit composant, de manière que chacune desdites faces est utilisée au moins une fois, avant et après le passage des rayons lumineux sur l'élément disperseur 8. Si l'on considère que le résultat à obtenir est la focalisation du spectre sur le capteur, la fonction de collimation proprement dite n'est pas indispensable avec les différentes configurations proposées ci-dessus. La continuité des faces avant et arrière du composant optique monolithique transparent 1, dans leur définition géométrique, permet le recouvrement des différentes zones utilisées par le faisceau à chaque passage. Ce recouvrement assure une meilleure compacité du spectromètre. On souligne que le spectromètre peut recevoir plusieurs fibres optiques et, par conséquent, être multivoies ou même permettre d'analyser une ligne d'un objet. L'analyse d'une ligne d'un objet associée à un mouvement de balayage rectiligne ou circulaire permet d'effectuer l'analyse spectrale d'un objet bidimensionnel. L'appareil devient alors un "spectromètre imageur". Comme indiqué précédemment, l'invention permet une "miniaturisation" du spectromètre. A titre indicatif, l'encombrement des schémas précédemment décrits comme exemples, est de 19 x 18 x 12 mm pour le composant transparent seul et de 39 x 42 x26 mm pour un ensemble comprenant le composant transparent, un boîtier opaque, un réseau de diffraction plan blazé, un capteur 20 CCD linéaire haute résolution et une carte électronique d'exploitation du signal. - 11 R E V E N D I C A T I O N S 1. Spectromètre compact à composant optique monolithique, comprenant un corps transparent monolithique (1) présentant une face avant (F1) et une face 5 arrière (F2), et configuré pour présenter une surface d'entrée (2) recevant le faisceau lumineux d'une source de lumière (4) et une surface de sortie (3) transmettant les raies spectrales à un capteur (5), ce corps transparent monolithique (1) intégrant des moyens de diffraction et de réflection effectuant la fonction de focalisation, caractérisé en ce que lesdites surfaces d'entrée (2) 10 et de sortie (3) sont disposées sur la même face (FI) dudit corps. 2. Spectromètre compact à composant optique monolithique, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces avant (Fl) et arrière (F2) du composant optique transparent monolithique (1) sont asphériques. 15 3. Spectromètre compact à composant optique monolithique, suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la face avant (F1) du composant optique monolithique (1) est constituée par un dioptre unique (6) et en ce que la face arrière (F2) dudit composant optique monolithique est constituée par 20 un miroir unique (7), de sorte que lesdites faces (Fl et F2) présentent une continuité dans leur définition géométrique. 4. Spectromètre compact à composant optique monolithique, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un moyen 25 de dispersion ou disperseur (8) est placé devant la face avant (Fl) dudit composant optique monolithique (1), ou intégré à cette face avant. 5. Spectromètre compact à composant optique monolithique, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'un moyen de 30 dispersion ou disperseur (8') est placé derrière la face arrière (F2) dudit composant optique monolithique (1), ou intégré à cette face arrière. - 12 6. Spectromètre compact à composant optique monolithique, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le composant optique monolithique (1) est configuré de sorte que chaque face (Fl, F2) de celui-ci est utilisée au moins une fois, avant et après le passage des rayons lumineux sur l'élément disperseur (8). 7. Spectromètre compact à composant optique monolithique, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la face avant (Fl) du composant optique monolithique (1) est convexe et en ce que la face 10 arrière (F2) dudit composant optique monolithique est de préférence concave. 8. Spectromètre compact à composant optique monolithique, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'au moins une face (Fl ou F2) dudit composant transparent (1) comporte une fonction diffractive, 15 dissociée ou non de l'élément disperseur (8 ou 8'). 9. Spectromètre compact à composant optique monolithique, selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit composant optique (1) est constitué par un matériau transparent auquel a été incorporé 20 un colorant. 10. Spectromètre compact à composant optique monolithique, suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la surface ou système d'entrée (2) est conçue pour recevoir plusieurs fibres optiques (4).