Brevet FR2857746A1 — publié le 20050121

- 1. SPECTROMETRE OPTIQUE MINIATURISE A HAUTE RESOLUTION. La présente invention concerne le domaine de l'instrumentation optique et en 5 particulier le domaine des spectromètres optiques travaillant dans de larges spectres de longueurs d'ondes avec une haute résolution spectrale. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement aux spectromètres optiques destinés à être embarqués dans des engins d'exploration spatiale ou des engins 10 roulants d'exploration planétaire. Les spectromètres à grande résolution spectrale comprennent généralement une fente d'entrée du faisceau de rayonnement électromagnétique à analyser, un collimateur pour conformer le faisceau ayant pénétré par la fente de manière à 15 rendre parallèles les rayons du faisceau, un dispositif de dispersion, tel qu'un prisme et/ou un réseau de diffraction pour décomposer le faisceau à rayons parallèles en ses différentes composantes de longueurs d'ondes, et un objectif pour focaliser tous les rayons parallèles ayant la meme longueur d'onde sur un détecteur. Le spectromètre Echelle appartient à une catégorie particulière de spectromètres à large spectre et haute résolution spectrale. Dans un tel spectromètre, le faisceau de rayonnement électromagnétique qui pénètre par la fente est collimaté par un premier ensemble optique de lentilles. Le faisceau collimaté 25 ensuite traité par un premier dispositif de dispersion qui décompose le faisceau dans une première direction, ce premier dispositif de dispersion étant suivi d'un second dispositif de dispersion pour disperser à nouveau chaque composante issue du premier dispositif de dispersion dans une seconde direction perpendiculaire à la première, et un dispositif d'imagerie comportant un objectif 30 permettant de focaliser le faisceau issu du second dispositif de dispersion sur la surface sensible d'un capteur sur laquelle est formée une image. Généralement, le premier dispositif de dispersion est un prisme, tandis que le second dispositif de dispersion est un réseau de diffraction décomposant le faisceau par réflexion. Un spectromètre de ce type est décrit par exemple dans le brevet US 5 859 702. 35 Pour obtenir une grande résolution spectrale sur un large spectre, le réseau de diffraction est utilisé avec un ordre de diffraction élevé, typiquement de l'ordre de 100, tandis que le prisme est utilisé avec un faible ordre de diffraction pour éviter un chevauchement des différents ordres de diffraction. En raison notamment de la présence d'un prisme, un tel spectromètre présente un encombrement important et une masse élevée, qui le rendent inutilisable 5 dans le cadre de missions planétaires. Cet inconvénient est d'autant plus gênant que le prisme doit avoir des dimensions relativement importantes pour pouvoir traiter un très large spectre et pour éviter le chevauchement des ordres de diffraction. En outre, les réseaux de diffraction employés présentent une efficacité de diffraction limitée aux ordres de diffraction élevés. De plus, l'utilisation d'un prisme en tant que premier dispositif de dispersion rend nécessaire l'emploi d'un collimateur. Par ailleurs, on a développé ce que l'on appelle des filtres optiques variables linéairement, constitués d'un substrat transparent dont une face est recouverte d'une structure multicouches, déposée sous vide, dont l'épaisseur est faible et varie linéairement dans une direction et est constante dans une direction perpendiculaire. Lorsque l'on applique un faisceau sur le filtre, la bande de 20 longueurs d'ondes qui traverse le filtre dépend de l'épaisseur de la structure multicouches à l'endroit où est appliqué le faisceau. Un tel filtre est employé dans un spectromètre de mesure de couleur décrit dans le brevet US 6 057 925, pour sélectionner une bande de longueur d'onde du 25 spectre à analyser pour l'appliquer sur le capteur d'image. La résolution spectrale de ce spectromètre est limitée à la transmission spectrale du filtre optique, laquelle est de l'ordre de 10 nm en largeur de bande passante (FWHM: Full Width Half Maximum) dans le domaine des longueurs d'ondes visibles. Cette faible résolution spectrale est insuffisante pour effectuer l'analyse de raies 30 d'émission atomique. La présente invention a pour but de proposer un spectromètre travaillant dans un large spectre de longueurs d'ondes avec une haute résolution spectrale, et présentant une masse inférieure et un encombrement plus réduits que les 35 spectromètres de l'art antérieur présentant des performances optiques équivalentes. Cet objectif est atteint par la prévision d'un spectromètre à haute résolution comprenant une ouverture d'entrée d'un faisceau de rayonnement électromagnétique à analyser, un premier dispositif de dispersion pour décomposer le faisceau à analyser dans une première direction en différentes composantes de longueurs d'ondes, un second dispositif de dispersion pour disperser dans une seconde direction chaque composante de longueur d'onde issue du premier dispositif de dispersion, et un dispositif d'imagerie comportant 5 une surface sensible de détection de spectre sur laquelle est appliqué le faisceau décomposé dans la première et la seconde direction. Selon l'invention, le premier dispositif de dispersion est un filtre optique variable linéairement présentant une surface sur laquelle est appliquée le 10 faisceau à analyser, chaque point de la surface du filtre fonctionnant comme un filtre passe-bande présentant une fréquence centrale variant linéairement dans la première direction. Avantageusement, le second dispositif de dispersion est un réseau de 15 diffraction. Selon un mode de réalisation de l'invention, les première et seconde directions sont perpendiculaires. Selon un mode de réalisation de l'invention, les première et seconde directions sont choisies de manière à réduire les dimensions de la surface sensible de détection. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'orientation de la surface sensible 25 de détection par rapport à la seconde direction est choisie de manière à réduire les dimensions de la surface sensible de détection. Selon un mode de réalisation de l'invention, le spectromètre comprend en outre un dispositif de collimation qui est traversé par le faisceau décomposé dans la 30 première direction, avant d'être décomposé par le second dispositif de dispersion. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'ouverture d'entrée du faisceau à analyser est constituée par une fente. Avantageusement, le premier dispositif de dispersion est disposé contre la fente. Alternativement, l'ouverture d'entrée du faisceau à analyser est constituée par l'extrémité d'un faisceau de fibres optiques transmettant le faisceau à analyser, l'extrémité d'un faisceau de fibres optiques étant conformée de manière à présenter la forme d'une fente. Selon un mode de réalisation de l'invention, le premier dispositif de dispersion est disposé contre l'extrémité du faisceau de fibres optiques. Selon un mode de réalisation de l'invention, les caractéristiques du premier dispositif de dispersion sont adaptées aux dimensions de la surface sensible de 10 détection. Un mode de réalisation préféré de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure la représente schématiquement une vue latérale d'un spectromètre selon l'invention; La figure lb représente schématiquement une vue transversale du spectromètre représenté sur la figure 1; Les figures 2a et 2b représentent plus en détail en vue en 20 perspective, respectivement de face et de dos, la fente d'entrée du spectromètre montré sur la figure 1 La figure 3 représente en vue en perspective de face, une variante selon l'invention de la fente montrée sur la figure 2a; Les figures 4a et 4b représentent respectivement en vues latérale 25 et transversale une variante du spectromètre montré sur la figure 1; Les figures 5 et 6 représentent en vue latérale deux autres modes de réalisation du spectromètre selon l'invention; Les figures 7a et 7b montrent respectivement en vue de face la 30 forme de la fente et la forme d'image obtenue sur la surface sensible du capteur d'image; Les figures 8a et 8b montrent respectivement en vue de face la forme de la fente et la forme d'image obtenue sur la surface sensible du capteur d'image, conformément à une variante de réalisation de l'invention. Les figures la et lb représentent un spectromètre comprenant: - un masque d'entrée 1 muni d'une fente sur lequel est appliqué un faisceau de rayonnement électromagnétique à analyser, - un premier dispositif de dispersion 2 pour pré-disperser le faisceau provenant 10 de la fente en différentes composantes de longueurs d'ondes dans la direction de la fente (située dans le plan de la figure la), - un second dispositif de dispersion 4 pour décomposer les composantes de longueurs d'onde décomposées par le premier dispositif de dispersion et provenant de différentes positions de la fente, dans une seconde direction 15 différente de la direction de la fente, et - un dispositif d'imagerie comportant une surface sensible 6 de capteur d'image recevant le faisceau dispersé par les dispositifs de dispersion 2 et 4, pour générer une image du spectre du faisceau appliqué en entrée du spectromètre. Selon l'invention, le premier dispositif de dispersion 2 est disposé au niveau de la fente d'entrée, de préférence en amont de celle-ci pour effectuer une prédispersion, relativement faible par rapport à celle réalisée par le dispositif de dispersion 4, des composantes de longueurs d'ondes du faisceau d'entrée dans 25 une direction de dispersion différente de la seconde direction de dispersion, par exemple perpendiculaire à celle-ci (située dans le plan de la figure lb). De cette manière, l'image qui est formée sur la surface sensible 6 du capteur d'image est une image en deux dimensions représentant le spectre du faisceau 30 incident dispersé dans deux directions différentes. Le second dispositif de dispersion 4 est avantageusement un réseau de diffraction décomposant le faisceau incident par réflexion ou réfraction, en direction du dispositif d'imagerie. Il peut également être réalisé par une 35 combinaison d'un prisme et d'un réseau de diffraction. Dans le cas où le second dispositif de dispersion 4 est réflectif, l'axe optique du dispositif d'imagerie forme un angle aigu par rapport à l'axe optique reliant la fente 1 au premier dispositif de dispersion 4. Le capteur d'image est par exemple de type CCD (Charge-Coupled Device) On peut prévoir un dispositif de collimation 3 pour illuminer le second dispositif de dispersion 4 avec un faisceau issu de la fente dont les rayons sont parallèles entre eux. Le second dispositif de dispersion 4 peut également présenter la forme d'un réseau de diffraction imageur, de manière à focaliser le faisceau directement sur la surface sensible 6 de capteur, sans nécessiter de dispositif de collimation 3 ou de dispositif d'imagerie 5. A cet effet, le réseau de diffraction peut être réalisé sur la surface d'un miroir sphérique ou toroïdal. 15 Tel que représenté sur la figure 2a, le premier dispositif de dispersion 2 est constitué selon l'invention par un filtre optique variable linéairement (LVF: Linear Variable Filter). Ce filtre optique comprend une structure multicouches, déposée sous vide, présentant une épaisseur faible qui varie linéairement dans la 20 direction le long de la fente 1 et qui est constante dans une direction perpendiculaire à la direction de la fente (il est à noter que la variation linéaire de l'épaisseur de la structure a été exagérée sur la figure pour une meilleure visibilité). Cette structure peut être formée sur un substrat transparent, par exemple en verre. Chaque point de la surface d'un tel filtre fonctionne comme un filtre passebande dont la bande passante dépend de l'épaisseur de la structure multicouches 30 en ce point, et dont la fréquence centrale varie linéairement dans la direction de la pente de la structure multicouches. Le filtre choisi présente avantageusement une largeur de bande passante (FWHM: Full Width Half Maximum) en chacun des points de sa surface égale 35 à 10 nm et une pente (variation d'épaisseur et de fréquence centrale de bande passante) de l'ordre de 40 à 60 nm par mm. Sur la figure 3, le faisceau incident à analyser est amené au niveau de la fente 11 par un faisceau 12 de fibres optiques. La structure multicouches du filtre optique 2 peut être formée sur un substrat transparent interposé entre la fente 11 et l'extrémité de sortie du faisceau 12 de fibres optiques. La structure multicouches du filtre optique 2 peut également être formée directement sur l'extrémité de sortie du faisceau 12 de fibres optiques qui est à cet effet poli. La fente 11 peut également être supprimée, dans la mesure où le faisceau d'entrée à analyser est délimité par le contour de l'extrémité de sortie du 10 faisceau 12 de fibres optiques. Les extrémités des fibres 12 peuvent être conformées de manière à présenter une forme tronconique dont le diamètre d'extrémité correspond à la largeur et à la forme de la fente 11. Le spectromètre représenté sur les figures 4a et 4b comprend un collimateur 3 réalisé à l'aide d'un système de lentilles, un réseau de diffraction 4 plan et réfléchissant, associé à un dispositif de focalisation 5 tel qu'un objectif de caméra, permettant de focaliser le faisceau diffracté provenant du réseau de 20 diffraction sur la surface sensible 6 du capteur. Le spectromètre représenté sur la figure 5 correspond à celui représenté sur les figures 4a et 4b mis à part que le réseau de diffraction 41 est transmissif au lieu d'être réfléchissant. Le spectromètre représenté sur la figure 6 comprend un miroir sphérique 7 qui fait converger le faisceau issu du masque 1 et ayant traversé la fente 11 vers le réseau de diffraction 42. Le réseau de diffraction présente une forme sphérique convexe pour produire un faisceau divergent qui est focalisé sur la surface 30 sensible du capteur 6 par un miroir qui peut être avantageusement le miroir 7 utilisé pour faire converger le faisceau issu de la fente sur le réseau de diffraction 42. Ce mode de réalisation sans lentille présente l'avantage d'éliminer les 35 aberrations chromatiques. Toutefois, les éléments réflectifs sont plus encombrants que les éléments réfractifs, et la résolution obtenue par un tel spectromètre est inférieure à celle obtenue par le spectromètre illustré sur les figures 4a et 4b. Le spectromètre illustré sur les figures 4a et 4b peut être conçu pour analyser des spectres par exemple dans la bande UV de 230 nm à 430 nm ou dans la bande visible de 450 à 900 nm. Pour la bande UV, ce spectromètre présente par exemple les caractéristiques suivantes: - un filtre LVF ayant une pente de 0,40 nm/mm et une largeur de bande passante (FWHM) en chaque point de 10 nm, - une longueur de fente 11 de 5 mm, - une surface sensible 6 de capteur CCD ayant un pas de pixel de 7 JIm, et - un système optique entre la fente 11 et le capteur CCD ayant un rapport de grossissement de 1, c'est-à-dire que l'image de la fente sur la surface sensible du capteur présente une largeur égale à la largeur de la fente. Ces caractéristiques permettent d'obtenir une résolution spectrale de l'ordre de 0,1 nm, et plus précisément de 0,09 nm pour des longueurs d'onde inférieures à 320 nm et de 0,13 nm pour des longueurs d'ondes supérieures à 320 nm dans la bande de longueurs d'onde considérée. La première résolution spectrale correspond à un ordre de diffraction de 4 du réseau de diffraction, tandis que la 20 seconde résolution spectrale correspond à un ordre de diffraction de 3. La partie optique d'un tel spectromètre présente une masse inférieure à 150 g et un volume inférieur à 70 cm3. Compte tenu de ces caractéristiques de spectromètre, la surface sensible du 25 capteur d'image doit comprendre au moins (5 mm / 7 lim =) 715 pixels suivant la direction de la fente et environ (200 nm / 0,1 nm =) 2000 pixels suivant une direction perpendiculaire à celle de la fente, ce qui correspond à une surface sensible de capteur d'au moins 5 mm x 14 mm. La figure 7b montre la forme des images obtenues par un tel spectromètre, par rapport aux dimensions de la fente 11 représentée à la même échelle sur la figure 7a. Tel que représenté sur la figure 7b, les pixels donnant une information significative du spectre du rayonnement appliqué à l'entrée de la fente se trouvent rassemblés en majeure partie dans des bandes 21 de 700 ptm ( 35 100 pixels) de large correspondant à la largeur de la bande passante (FWHM = nm) du filtre en un point donné du filtre optique 2, et de 7 lim (= 1 pixel) de hauteur. Chaque bande 21 est décalée de la précédente de 7 gm, soit 1 pixel en résolution verticale, ce qui correspond à un écart de longueur d'onde de 0,28 nm (7,um x 40 nm/mm). Sur la figure 7b, chaque colonne de pixels (suivant la direction de la fente 11) de l'image ainsi obtenue correspond à une même longueur d'onde du faisceau analysé. Afin de réduire la largeur de la surface sensible 6 de capteur nécessaire, cette dernière peut être inclinée d'un angle adapté par rapport à la direction de la fente 11 ou de l'extrémité du faisceau 12 de fibres optiques, pour compenser 10 l'inclinaison du motif formé par les bandes 21 sur le capteur. La forme minimum et la disposition de la surface sensible 61 du capteur sont représentées en traits interrompus sur la figure 7b. Dans ce but, la fente 1 1 et le filtre optique 2 peuvent être inclinés ensemble 15 d'un angle adapté par rapport à la direction de dispersion du réseau de diffraction 4. La figure 8b montre la forme des images obtenues par un tel spectromètre, par rapport aux dimensions et à l'inclinaison de la fente 11 représentée à la même échelle sur la figure 8a. De cette manière, les bandes 21 forment sur la surface sensible 62 de capteur une zone rectangulaire. On peut remarquer que dans le mode de réalisation illustré par les figures 8a et 25 8b, les lignes formées sur la surface sensible 62 par le réseau de diffraction 4 sont plus serrées que dans le mode de réalisation représenté sur les figures 7a et 7b du fait que la pré-dispersion du faisceau incident est effectuée par le filtre optique 2 suivant un angle non droit par rapport à la dispersion réalisée par le réseau de diffraction. Il est à noter également que l'on peut jouer sur les caractéristiques du filtre 2 et notamment la largeur de sa bande passante (FWHM) et la pente du filtre pour adapter le spectromètre aux dimensions de la surface sensible du capteur 6. - 10 REVENDICATIONS 1. Spectromètre à haute résolution comprenant une ouverture d'entrée (11, 12) d'un faisceau de rayonnement électromagnétique à analyser, 5 un premier dispositif de dispersion (2) pour décomposer le faisceau à analyser dans une première direction en différentes composantes de longueurs d'ondes, un second dispositif de dispersion (4) pour disperser dans une seconde direction chaque composante de longueur d'onde issue du premier dispositif de dispersion, et un dispositif d'imagerie comportant une surface sensible de 10 détection (6, 61, 62) de spectre sur laquelle est appliqué le faisceau décomposé dans la première et la seconde direction, caractérisé en ce que le premier dispositif de dispersion (2) est un filtre optique variable linéairement présentant une surface sur laquelle est appliquée le faisceau à analyser, chaque point de la surface du filtre fonctionnant comme un 15 filtre passe-bande présentant une fréquence centrale variant linéairement dans la première direction. 2. Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le second dispositif de dispersion (4) est un réseau de 20 diffraction. 3. Spectromètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les première et seconde directions sont perpendiculaires. 4. Spectromètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les première et seconde directions sont choisies de manière à réduire les dimensions de la surface sensible de détection (61, 62). 5. Spectromètre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'orientation de la surface sensible de détection (61, 62) par rapport à la seconde direction est choisie de manière à réduire les dimensions de la surface sensible de détection. 6. Spectromètre selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif de collimation (3) qui est traversé par le faisceau décomposé dans la première direction, avant d'être décomposé par le second dispositif de dispersion (4). - 11 7. Spectromètre selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'ouverture d'entrée du faisceau à analyser est constituée par une fente (11). 8. Spectromètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier dispositif de dispersion (2) est disposé contre la fente (11, 12). 9. Spectromètre selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'ouverture d'entrée du faisceau à analyser est constituée par l'extrémité d'un faisceau (12) de fibres optiques transmettant le faisceau à analyser, l'extrémité d'un faisceau de fibres optiques étant conformée de manière à présenter la forme d'une fente. 10. Spectromètre selon la revendication 9, caractérisé en ce que le premier dispositif de dispersion (2) est disposé contre l'extrémité du faisceau (12) de fibres optiques. 11. Spectromètre selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les caractéristiques du premier dispositif de dispersion (2) sont adaptées aux dimensions de la surface sensible de détection (6, 61, 62).