Brevet FR2913113A1 — publié le 20080829

La présente invention concerne un spectrographe à fente inclinée Les spectrographes à réseau de l'art antérieur comprennent une source lumineuse, une fente d'entrée, un réseau qui peut être un réseau holographique concave et un détecteur. Les figures 1 et 2 représentent un exemple de spectrographe à réseau selon l'art antérieur. La figure 1 est une représentation du spectrographe à trois dimensions et la figure 2 correspond à une vue de dessus. Les réseaux holographiques concaves présentent une surface optique sur laquelle a été inscrit un grand nombre de traits (jusqu'à 6000 traits/mm) servant à diffracter tout faisceau de rayons incidents. Ils fonctionnent préférentiellement en réflexion. Les réseaux holographiques concaves sont habituellement corrigés des aberrations. Le détecteur peut être un détecteur de type PDA (Photodiode array) ou de type CCD (Charge Coupled Device). Le matériau utilisé pour le détecteur peut être en silicium ou InGaAs par exemple avec une surface qui est très réfléchissante. Il est possible d'utiliser un détecteur refroidi. Un tel détecteur refroidi comporte une fenêtre qui protège la surface sensible du détecteur. Cette fenêtre est indispensable afin d'éviter des phénomènes de condensation sur la surface du détecteur. Les réflexions multiples produites dans la fenêtre et entre les faces de la fenêtre et la surface du détecteur dégradent considérablement le rapport signal sur bruit, superposant au spectre à mesurer des spectres parasites. Afin de réduire l'influence de ces phénomènes sur la performance du spectrographe, il est connu d'utiliser un réseau calculé de telle sorte que le spectre qu'il produit soit incliné. Ainsi, les faisceaux parasites réfléchis sur la surface sensible du détecteur ne retournent pas vers le réseau. On évite ainsi des phénomènes de rediffraction à l'origine de problèmes de lumière parasite qui nuisent à la performance de l'instrument. On connaît également la méthode qui consiste à incliner le détecteur autour d'un axe parallèle au spectre, comme illustré sur les figures 1 et 2, pour que les réflexions multiples entre le détecteur et les faces de la fenêtre aillent partiellement ou totalement à l'extérieur de la surface sensible du détecteur dans le sens perpendiculaire à la dispersion. En général, cette action altère la résolution spectrale de l'instrument. Les deux méthodes précédentes, mettant chacune en oeuvre un moyen d'inclinaison, peuvent être utilisées séparément ou conjointement. Elles améliorent le bruit de fond du spectrographe. En revanche, elles dégradent considérablement la résolution spectrale de l'appareil. Il est aussi connu d'utiliser un filtre sélecteur d'ordre incliné devant le détecteur afin d'éviter une nouvelle contribution à des spectres parasites. L'objectif de la présente invention est donc de proposer une 20 solution pour compenser les pertes de résolution spectrale du spectrographe. A cet effet, l'invention concerne un spectrographe à fente inclinée comprenant : - une source lumineuse apte à émettre un faisceau lumineux, 25 - une fente d'entrée apte à transmettre une partie du faisceau lumineux émis par la source lumineuse et à générer un faisceau lumineux transmis, - un réseau comprenant des traits et étant apte à diffracter le faisceau lumineux transmis par la fente d'entrée et à 30 générer un faisceau lumineux diffracté et un spectre dans un plan image (X', Y'), - un détecteur apte à détecter le faisceau lumineux diffracté par le réseau, ledit détecteur comprenant une fenêtre à travers laquelle est transmis le faisceau lumineux diffracté 35 par le réseau, une partie du faisceau lumineux diffracté générant des réflexions sur la fenêtre ou entre celle-ci et la surface sensible du détecteur contenue dans un plan de détection (X", Y"), - au moins un moyen d'inclinaison apte à éviter des spectres parasites. Selon l'invention, le spectrographe à fente inclinée comprend un moyen de compensation apte à compenser les pertes de résolution spectrale générées par les moyens d'inclinaison. Dans différents modes de réalisation possibles, la présente invention concerne également les caractéristiques qui ressortiront au cours de la description qui va suivre et qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles : - le moyen de compensation des pertes de résolution spectrale 15 comprend la fente d'entrée qui est une fente d'entrée inclinée disposée entre la source lumineuse et le réseau, - la fente d'entrée inclinée est inclinée dans un plan (X, Y) perpendiculaire à la direction du faisceau lumineux émis par la source lumineuse, 20 - la fente d'entrée inclinée est inclinée d'un angle (8) par rapport aux traits du réseau, l'angle (8) étant supérieur à 0 et inférieur à 90 , - le spectrographe à fente inclinée comprend un filtre sélecteur disposé entre le réseau et le détecteur, 25 - le moyen d'inclinaison apte à éviter des spectres parasites comprend le détecteur qui est un détecteur incliné, ledit détecteur incliné étant incliné d'un angle (a) de façon à ce que le plan de détection (X", Y") dudit détecteur soit incliné d'un angle (a) par rapport au plan image (X', Y') du réseau, et ledit angle (a) étant 30 défini dans le plan (Y", Z"), orthogonal au plan de détection (X", Y"), -l'angle (a) du détecteur incliné est supérieur à 0 et inférieur à 45 , -le moyen d'inclinaison apte à éviter des spectres parasites 35 comprend le réseau qui est un réseau calculé de telle sorte que le spectre qu'il produit soit incliné d'un angle (13) par rapport au plan de détection (X", Y") du détecteur, - le moyen d'inclinaison apte à éviter des spectres parasites comprend : - le détecteur qui est un détecteur incliné, ledit détecteur incliné étant incliné d'un angle (a) de façon à ce que le plan de détection (X", Y") dudit détecteur soit incliné d'un angle (a) par rapport au plan image (X', Y') du réseau, et ledit angle (a) étant défini dans le plan (Y", Z"), orthogonal au plan de détection (X", Y"), et - le réseau qui est un réseau calculé de telle sorte que le spectre qu'il produit soit incliné d'un angle (13) par rapport au plan de détection (X", Y") du détecteur. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - les figures 1 et 2 sont des représentations à trois dimensions et une vue de dessus respectivement, d'un spectrographe à réseau holographique concave comprenant un détecteur incliné d'un angle (a) selon l'art antérieur ; - les figures 3 et 4 sont des représentations à trois dimensions et une vue de dessus respectivement, d'un spectrographe à fente inclinée, selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 montre deux spectres dont un mesuré avec un détecteur non incliné et un autre mesuré avec un détecteur incliné associé à une fente inclinée. La figure 1 est une représentation à trois dimensions d'un spectrographe à réseau holographique concave selon l'art antérieur. La figure 2 représente la vue de dessus correspondante. Un tel spectrographe comprend une source lumineuse 1 qui émet un faisceau lumineux se dirigeant vers une fente d'entrée 3 selon une direction 2, parallèle à un axe Z. La fente d'entrée 3 est définie selon le repère (X, Y, Z). La fente d'entrée 3 se trouve dans le plan (X, Y). On entend par fente d'entrée 3, une ouverture dans un support ou tout autre moyen bloquant une partie du faisceau lumineux émis par la source lumineuse 1 et transmettant l'autre partie de ce faisceau. La source lumineuse 1 illumine quasi uniformément la fente d'entrée 3 directement ou à l'aide d'une optique de couplage. Il ressort de la fente d'entrée 3, un faisceau lumineux transmis. Le faisceau lumineux transmis par la fente d'entrée 3 est incident sur un réseau 4 qui peut être un réseau holographique concave ou autre. On obtient un faisceau lumineux diffracté et un spectre dans un plan image (X', Y'). Le plan image est défini selon le repère (X', Y', Z') où l'axe Z' est orthogonal au plan image (X', Y'). La fente d'entrée 3 est rectangulaire et s'étend longitudinalement selon un axe longitudinal Y. Le réseau 4 est un réseau holographique concave. Les traits de ce réseau holographique concave 4 sont courbés et disposés les uns à la suite des autres selon un axe U. La normale W à cet axe d'alignement U et à l'axe Z est parallèle à l'axe longitudinale Y de la fente d'entrée 3. Autrement dit, la normale W est perpendiculaire au plan (U, Z). Le réseau holographique concave 4 présente un axe A normal à l'axe U et passant par le sommet de la surface courbée du réseau. Un filtre sélecteur d'ordre peut éventuellement être inséré dans 25 le faisceau après le réseau 4. Le faisceau lumineux diffracté par le réseau 4 est détecté par un détecteur 7 qui peut être multicanal. Le détecteur 7 est disposé sur le trajet du faisceau lumineux diffracté par le réseau 4 afin d'intercepter le spectre contenu dans le plan image (X', Y'). 30 Le détecteur 7 est défini selon un repère (X", Y", Z"). Le plan (X", Y") représente le plan de détection qui est orthogonal à l'axe Z" Le détecteur 7 comprend une surface sensible (non représentée) qui se trouve dans le plan de détection (X", Y") du 35 détecteur 7. Afin de simplifier le schéma, seule la façade du détecteur 7 est représentée sur les figures 1 et 2, et celles qui vont suivre. Cette façade comprend une ouverture de détecteur 12 traversée par le faisceau lumineux diffracté avant qu'il n'arrive sur la surface sensible du détecteur 7. Le spectrographe à réseau holographique concave peut comprendre des moyens optiques tels des miroirs pour réfléchir et focaliser le faisceau lumineux transmis par la fente 3, le faisceau diffracté et éventuellement le faisceau dispersé. Le détecteur 7 comprend souvent une fenêtre 6 à travers laquelle est transmis le faisceau lumineux diffracté par le réseau 4. Une partie du faisceau lumineux diffracté génère des réflexions multiples sur la fenêtre 6 ou entre celle-ci et la surface sensible 15 du détecteur 7. Pour éliminer ces réflexions, il est connu, comme dit plus haut, d'utiliser au moins un moyen d'inclinaison apte à éviter que des spectres parasites se superposent au spectre à mesurer. Ces moyens d'inclinaison de l'art antérieur consistent à 20 incliner soit le spectre à mesurer, c'est-àdire le plan image (X', Y') du réseau 8, par rapport au plan de détection (X", Y") du détecteur 7, soit le plan de détection (X", Y") du détecteur 7. Le moyen d'inclinaison peut comprendre un détecteur incliné 7, comme représenté sur les figures 1 et 2. 25 Le détecteur incliné 7 est incliné de façon à ce que le plan de détection (X", Y") de ce dernier soit incliné d'un angle (a) par rapport au plan image (X', Y') du réseau. L'angle (a) est défini dans le plan (Y", Z"), orthogonal au plan de détection (X", Y"). On entend par l'inclinaison du détecteur, l'inclinaison de la 30 surface sensible du détecteur également. Sur la figure 1, l'axe Z" est incliné d'un angle (a) par rapport à l'axe Z' et l'axe Y" est incliné d'un angle (a) par rapport à l'axe Y' Cette inclinaison d'un angle (a) évite que les faisceaux 35 réfléchis reviennent vers le réseau 4. De même, il est possible d'utiliser, comme moyen d'inclinaison, un réseau calculé 8 de telle sorte que le spectre qu'il produit soit incliné d'un angle (13) par rapport au plan de détection (X", Y") du détecteur 7. Le spectre produit est contenu dans le plan image (X', Y') du réseau calculé 8. Ces deux moyens d'inclinaison peuvent être utilisés séparément ou conjointement. Ils améliorent le bruit de fond du spectrographe. En revanche, ils dégradent considérablement la résolution spectrale de 10 l'appareil. Pour résoudre ce problème, l'invention propose, comme représenté sur les figures 3 et 4, un spectrographe à fente inclinée comprenant un moyen de compensation apte à compenser les pertes de résolution spectrale générées par les 15 moyens d'inclinaison. Dans cet exemple, les deux moyens d'inclinaison sont utilisés conjointement. Les figures 3 et 4 correspondent à une représentation à trois dimensions et à une vue de dessus, respectivement, d'un 20 spectrographe à fente inclinée. Pour faciliter la compréhension de la figure 3, seul l'angle (a) est représenté. La figure 4 montre seulement l'angle (R) car l'angle (a) n'est pas visible dans le plan de la feuille. 25 Le moyen de compensation des pertes de résolution spectrale comprend une fente d'entrée inclinée 9 disposée entre la source lumineuse 1 et le réseau calculé 8. La fente d'entrée inclinée 9 est inclinée dans le plan (X, Y) perpendiculaire à la direction 2 du faisceau lumineux émis par la 30 source lumineuse 1. La fente d'entrée inclinée 9 subie une rotation autour de l'axe Z. La fente d'entrée inclinée 9 est en fait inclinée par rapport aux traits du réseau 4 qui sont alignés suivant un axe d'alignement U. Plus précisément, l'axe longitudinal Y de la fente d'entrée inclinée 9 est incliné d'un angle (8) par rapport à la normale W au plan (U, Z). Dit autrement, la fente d'entrée inclinée 9 est inclinée d'un angle (8) par rapport à sa position initiale, représenté sur la figure 1, où elle n'est pas inclinée. L'angle (8) est supérieur à 0 et inférieur à 90 . Encore dit autrement, si on projette les traits du réseau sur un plan de projection parallèle à l'axe d'alignement U, les traits projetés sont alignés également selon l'axe d'alignement U et l'axe longitudinal Y de la fente d'entrée inclinée 9 est incliné de l'angle (8) par rapport aux traits projetés dans le plan de projection. Le détecteur incliné 7 est incliné d'un angle (a) de façon à ce que le plan de détection (X", Y") du détecteur 7 soit incliné d'un angle (a) par rapport au plan image (X', Y') du réseau. Sur la figure 3, le détecteur 7 est incliné vers le bas. Il peut également être incliné vers le haut. L'angle (a) du détecteur incliné (7) est supérieur à 0 et 20 inférieur à 45 . La fente d'entrée inclinée 9 permet de compenser les pertes de résolution introduites par le détecteur incliné d'un angle (a) 7 et le spectre incliné d'un angle (13). Dans d'autres modes de réalisation possibles, la fente d'entrée 25 inclinée 9 peut être utilisée lorsque les moyens d'inclinaison, précédemment cités, sont utilisés séparément. La figure 5 montre deux spectres 10, 11. L'axe des abscisses 13 représente des pixels qui correspondent en fait à des longueurs d'onde et l'axe des ordonnées 14 représente l'intensité 30 du signal en pourcentage. La courbe 10 correspond au spectre mesuré un détecteur 7 non incliné. Il apparaît sur le spectre 10 un pic parasite 12 provenant des réflexions du faisceau à mesurer entre la fenêtre du détecteur et 35 la surface de détection du détecteur. La courbe 11 correspond à un spectre mesuré par un détecteur incliné 7 d'un angle (a) de 20 associé à une fente inclinée d'un angle (8) de 5 . Le pic parasite 12 a quasiment disparu sans perdre en résolution spectrale ou peu. Les résultats ci-dessous sont donnés pour une longueur d'onde de 800 nm. La bande passante du faisceau mesuré, lorsque le détecteur 7 n'est pas incliné, est de 1,58 nm. Elle est de 3,98 nm lorsque le détecteur 7 est incliné et lorsque la fente 3 n'est pas inclinée. La bande passante est de 1,68 nm lorsque le détecteur 7 et la fente 9 sont inclinés. Ainsi, l'invention permet de compenser les pertes de résolution spectrale d'un spectrographe à fente inclinée de manière simple et à faible coût.15 REVENDICATIONS 1 Spectrographe à fente inclinée comprenant : - une source lumineuse (1) apte à émettre un faisceau lumineux, - une fente d'entrée (3, 9) apte à transmettre une partie du faisceau lumineux émis par la source lumineuse (1) et à générer un faisceau lumineux transmis, - un réseau (4, 8) comprenant des traits et étant apte à diffracter le faisceau lumineux transmis par la fente d'entrée (3, 9) et à générer un faisceau lumineux diffracté et un spectre dans un plan image (X', Y'), - un détecteur (7) apte à détecter le faisceau lumineux diffracté par le réseau (4, 8), ledit détecteur (7) comprenant une fenêtre (6) à travers laquelle est transmis le faisceau lumineux diffracté par le réseau (4, 8), une partie du faisceau lumineux diffracté générant des réflexions sur la fenêtre (6) ou entre celle-ci et la surface sensible du détecteur (7) contenue dans un plan de détection (X", Y"), - au moins un moyen d'inclinaison apte à éviter des spectres parasites, caractérisé en ce qu'il comprend : - un moyen de compensation apte à compenser les pertes de résolution spectrale générées par les moyens d'inclinaison. 2. Spectrographe à fente inclinée selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de compensation des pertes de résolution spectrale comprend la fente d'entrée (3, 9) qui est une fente d'entrée inclinée (9) disposée entre la source lumineuse (1) et le réseau (4, 8). 3. Spectrographe à fente inclinée selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fente d'entrée inclinée (9) est inclinée dans un plan (X, Y) perpendiculaire à la direction (2) du faisceau lumineux émis par la source lumineuse (1). 4. Spectrographe à fente inclinée selon la revendication 3, 35 caractérisé en ce que la fente d'entrée inclinée (9) est inclinéed'un angle (8) par rapport aux traits du réseau (4, 8), l'angle (8) étant supérieur à 0 et inférieur à 90 . 5. Spectrographe à fente inclinée selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre sélecteur disposé entre le réseau (4, 8) et le détecteur (7). 6. Spectrographe à fente inclinée selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moyen d'inclinaison apte à éviter des spectres parasites comprend le détecteur (7) qui est un détecteur incliné, ledit détecteur incliné étant incliné d'un angle (a) de façon à ce que le plan de détection (X", Y") dudit détecteur soit incliné d'un angle (a) par rapport au plan image (X', Y') du réseau, et ledit angle (a) étant défini dans le plan (Y", Z"), orthogonal au plan de détection (X", Y"). 7. Spectrographe à fente inclinée selon la revendication 6, 15 caractérisé en ce que l'angle (a) du détecteur incliné (7) est supérieur à 0 et inférieur à 45 . 8. Spectrographe à fente inclinée selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le moyen d'inclinaison apte à éviter des spectres parasites comprend le réseau (4, 8) qui 20 est un réseau calculé (8) de telle sorte que le spectre qu'il produit soit incliné d'un angle (13) par rapport au plan de détection (X", Y") du détecteur (7). 9. Spectrographe à fente inclinée selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'inclinaison apte à éviter des 25 spectres parasites comprend : - le détecteur (7) qui est un détecteur incliné, ledit détecteur incliné étant incliné d'un angle (a) de façon à ce que le plan de détection (X", Y") dudit détecteur soit incliné d'un angle (a) par rapport au plan image (X', Y') du réseau, et ledit 30 angle (a) étant défini dans le plan (Y", Z"), orthogonal au plan de détection (X", Y"), et - le réseau (4, 8) qui est un réseau calculé (8) de telle sorte que le spectre qu'il produit soit incliné d'un angle (13) par rapport au plan de détection (X", Y") du détecteur (7).