Brevet FR2970075A1 — publié le 20120706

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL L'invention concerne le domaine des spectromètres imageur compacts permettant d'accéder à la fois à un haut pouvoir résolvant spectral et à de hautes performances radiométriques. L'analyse spectrale étant fondée sur l'usage d'un élément dispersif des diverses longueur d'onde composant le rayonnement optique analysé. ETAT DE LA TECHNIQUE Les spectromètres font partie des solutions disponibles pour le sondage des 10 atmosphères planétaires vues depuis l'espace et en orbite et par exemple, pour mesurer la concentration de CO2 (ou autres gaz à effet de serre). Une opération de sondage consiste à relever avec le spectromètre la signature spectrale d'espèces chimiques particulières, pour pouvoir ensuite inverser mathématiquement les données acquises afin d'extraire des informations sur la 15 concentration de ladite espèce chimique ou les paramètres physiques du milieu (température, humidité, etc). L'impact des phénomènes géophysique sur le spectre observé est réputé discret et nécessite donc des instruments très performants pour être observé avec succès. 20 Dans de nombreuses situations, la signature spectrale pertinente de l'espèce chimique analysée est très localisée dans le spectre électromagnétique. L'instrument peut donc se contenter d'observer dans des fenêtres spectrales relativement étroites. Ce relâchement d'exigence (observation dans des domaines spectraux 25 restreints et non nécessairement continus) offre l'opportunité d'optimiser les autres paramètres essentiels que sont le pouvoir de résolution spectral et le pouvoir de résolution radiométrique. Malgré tout, il est très souvent utile, pour améliorer la qualité du processus d'inversion, d'observer l'espèce chimique simultanément dans plusieurs fenêtres spectrales, voir même d'autres espèces chimiques dans autant de fenêtres spectrales discrètes comme éléments d'étalonnage. On notera que les contraintes particulières de l'instrumentation spatiale (volume et masse restreints en particulier) et les performances instrumentales nécessaires imposent par ailleurs de concevoir des instruments alliant à la fois la compacité et la performance. Pour répondre à ce type d'applications, différentes solutions de spectromètre ont été proposées. On connait deux familles d'instruments : l'une utilisant des interféromètres à 10 Transformée de Fourier (en anglais, «Fourier Transform Spectrometer », (FTS)), l'autre des spectromètres à éléments dispersifs. La première famille (les FTS) conduit à des instruments complexes du fait de la présence presque systématique d'éléments en mouvement permanent et du fait des exigences de stabilité propres aux techniques interférométriques. A l'exception de 15 certaines configurations statiques, ce type d'instrument est peu adapté à l'observation de bandes spectrales discrètes et conduit souvent à une architecture coûteuse en termes de masse, de volume et de consommation énergétique. La seconde famille repose sur le principe de la dispersion angulaire des diverses longueurs d'ondes constituant la lumière analysé. Pour des raisons 20 d'efficacités (pouvoir de dispersion et étendue géométrique) l'élément dispersif privilégié est constitué d'un réseau à diffraction. La solution « traditionnelle » (ou « conventionnelle ») consiste à utiliser un réseau à diffraction travaillant au premier ordre d'interférence dans un faisceau collimaté. Le dispositif comporte alors dans l'ordre du trajet de la lumière, un système 25 imageur qui forme une image de la scène analysée spectralement sur une fente longue d'entrée, un ensemble collimateur, le réseau, un objectif, puis enfin, un détecteur, généralement à deux dimensions chargé d'enregistrer le spectre. L'inconvénient de cette solution est que le domaine spectral exploré dépend très directement de la taille du détecteur suivant l'un de ces axes pour une résolution 30 spectrale donnée. L'observation d'une couverture spectrale large ou d'un ensemble de fenêtres spectrales étroites mais disjointes spectralement les unes des autres impose l'usage d'un détecteur de grande taille suivant l'un de ces côtés. Les limites technologiques font que le domaine spectral couvert permet 5 d'atteindre difficilement les performances escomptées en matière de sondage atmosphérique. Il est par ailleurs supposé que l'instrument est entièrement statique (pas d'accès à la rotation du réseau par exemple, un moyen classique mais qui empêche une observation simultanée de tout le domaine spectral souhaité, ce qui est rédhibitoire 10 dans le domaine spatial). Le montage spectrographique traditionnel peut cependant être exploité si l'on concède d'utiliser un spectromètre distinct par bande spectrale. Techniquement, ces spectromètres, qui travaillent en parallèles, sont optimisés pour chacune des bandes. C'est la solution adoptée dans l'instrument de la mission de la NASA « 15 Orbiting Carbon Observatory » (OCO) où trois spectromètres jumeaux, mais optimisés dans les détails, sont exploités pour étudier trois bandes spectrales. Toutefois, un tel instrument est imposant : un volume de 1,6mx0,4 mx0,6m, une masse de 135 kg et une puissance opérationnelle de 125 watts. 20 PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention concerne un spectromètre permettant d'observer plusieurs bandes spectrales sans les inconvénients précités. Ainsi, l'invention concerne un spectromètre imageur à grand champ comprenant une fente longue adaptée pour laisser passer un faisceau optique ; un 25 ensemble d'au moins trois miroirs ; un ensemble de détection ; les miroirs étant agencés les uns par rapport aux autres pour collimater un faisceau optique vers le réseau dispersif, le spectromètre est caractérisé en ce que le réseau dispersif est un réseau échelle agencé par rapport aux miroirs pour réfléchir un faisceau optique vers l'ensemble de détection ; en ce que le réseau échelle et les miroirs sont en outre 30 agencés pour que les faisceaux collimatés éclairent le réseau échelle en mode quasi- Littrow ; et en ce que l'ensemble de détection est adapté pour séparer et isoler une pluralité d'ordres de diffraction selon plusieurs voies de détection. Le spectromètre imageur de l'invention peut couvrir les domaines spectraux d'observation ultraviolet, visibles et infrarouge. En outre, il permet d'observer simultanément le spectre dans plusieurs bandes spectrales disjointes avec une haute résolution spectrale. D'autres aspects du spectromètre imageur de l'invention sont les suivants : l'ensemble de détection comprend au moins une lame dichroïque adaptée pour séparer deux ordres de diffraction vers respectivement deux voies de Io détection ; l'ensemble de détection comprend pour chaque voie de détection au moins un filtre spectral passe bande adapté à une bande de longueur d'onde à observer ; pour chaque voie de détection, une pluralité de filtres spectraux disposés 15 sur une roue à filtre ; l'ensemble de détection comprend pour chaque voie de détection un détecteur, le filtre spectral étant disposé en amont du détecteur ; l'ensemble de miroirs est un ensemble à trois ou quatre miroirs ; tout ou partie des miroirs sont asphériques ; 20 il comprend en outre un télescope d'entrée par exemple Cassegrain adapté pour transmettre un faisceau optique vers la fente, la fente étant disposé au plan focal du télescope ; le réseau échelle est immergé dans un substrat d'indice de réfraction différent de l'indice de réfraction du verre/air. 25 L'invention concerne également un véhicule spatial comprenant un tel spectromètre imageur. 30 PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels la figure 1 illustre un spectromètre imageur selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 illustre une vue détaillée d'un réseau échelle d'un spectromètre conforme à l'invention ; la figure 3 illustre des conventions relatives à un réseau échelle d'un spectromètre conforme à l'invention ; la figure 4 illustre un spectre à deux dimensions obtenu par un spectromètre imageur conforme à l'invention ; la figure 5 illustre un spectromètre imageur selon un second mode de réalisation de l'invention ; DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION La figure 1 spectromètre selon un mode de réalisation de l'invention. Le spectromètre comprend un télescope d'entrée 1 qui peut être catoptrique (comme sur la figure), dioptrique ou catadioptrique. Le spectromètre imageur comprend une fente longue 2 et le télescope est adapté pour former une image nette (c'est-à-dire focalisée) sur la fente longue 2. L'axe long de la fente est perpendiculaire à la figure 1. La fente longueur 2 est typiquement de largeur égale à 72 microns et de hauteur égale à 7,2 mm. On précise que l'on entend par fente longue, une fente qui permet d'observer un grand champ d'observation ce que l'homme du métier comprend comme étant opposé à un trou circulaire qui peut correspondre à l'extrémité d'une fibre optique (principe exploité en astronomie pour étudier le spectre des étoiles ou dans certains instruments de contrôles industriels). Une telle fente longue contribue aux performances spectromètre. Le spectromètre de la figure 1 comprend un ensemble de trois miroirs : un premier miroir 3, un second miroir 4 et un troisième miroir 5. Un tel ensemble de miroirs se comporte à la manière d'un dispositif connu TMA (en anglais, « Tri-Mirror Astigmat »). Un tel ensemble de miroirs a les caractéristiques d'un dispositif grand champ et est achromatique. De manière avantageuse, plusieurs miroirs de l'ensemble de miroirs peuvent être asphériques. En outre, les miroirs 3, 4, 5 peuvent comprendre des traitements réfléchissants adaptés aux longueurs de travail du spectromètre. Pour que le spectromètre imageur puisse observer une grande longueur 10 spectrale, il comprend un réseau dispersif qui est un réseau échelle 6. La figure 2 illustre un réseau échelle. Un réseau échelle est un cas particulier d'un réseau de diffraction. Tel que connu en soi, un réseau à diffraction est une fine structure périodique éclairée par le front d'onde de la lumière incidente à analyser. 15 De manière connue, cette structure répétitive est imprimée à la surface d'une résine déposée sur un substrat en verre à partir d'un moule maître gravé mécaniquement par des machines très précises. Le processus de fabrication de ces réseaux est complété par le dépôt d'une fine couche réfléchissante à la surface de la résine si le réseau est destiné à travailler en réflexion. Ces réseaux ainsi produits sont 20 dits « gravés » et présentent de bonnes performances radiométriques. De manière avantageuse, la gravure se présente comme un ensemble de traits fins parallèles et équidistants entre eux. Comme cela est illustré sur la figure 2 le réseau échelle 6 a une forme en escalier. Une telle forme permet de concentrer un maximum de lumière dans la 25 direction de diffraction choisie. En effet, un réseau produit plusieurs spectres simultanément correspondant à des ordres de diffraction distincts (correspondant à des longueurs d'ondes distinctes). Le réseau comprend une succession de marches 21 et de facettes 22. Les marches 21 et les facettes 22 sont perpendiculaires entre elles. Comme cela est illustré sur la figure 2, un faisceau incident RI éclaire une facette 22 et produit des faisceaux diffractés RD. On a illustré sur la figure 3 des paramètres caractéristiques d'un réseau échelle. Sur cette figure, le plan de la figure correspond au plan principal d'incidence (il comprend la normale à la surface du réseau et la normale aux facettes). L'angle a est l'angle d'incidence d'un rayon compté dans le plan d'incidence P relativement à la normale au plan moyen du réseau (trait en pointillés sur la figure 3). L'angle 13 est l'angle de diffraction compté dans le même référentiel. Les angles a et 13 sont de même signe s'ils sont situés du même côté de la normale au réseau. L'angle 0B est appelé l'angle de «blaze ». Il indique de combien la normale aux facettes de gravure est inclinée par rapport à la normale au plan moyen du réseau. L'angle 0 est l'angle d'arrivée du rayon par rapport à la perpendiculaire aux facettes (axe X sur la figure 3). Le paramètre m est la densité de gravure du réseau exprimée en nombre de traits par millimètre. Ainsi, comme précisé sur la figure 3, le pas de gravure est donc égal à 1/m. Dans le réseau illustré sur la figure 3 la formule du réseau est k m - ~, = 2 - sin(OB) cos(O )où k est l'ordre de diffraction. Le réseau échelle 6 est utilisé en mode quasi-Littrow c' est-à-dire à éclairant le front des facettes. On précise que l'on entend par mode quasi-Littrow lorsque l'angle d'arrivée 0 est inférieur ou égal à 10°. Un tel mode de fonctionnement permet de renvoyer un maximum de flux diffracté car la quasi intégralité des facettes est utilisable. A noter qu'en mode Littrow 0B - a + 13 et la formule du réseau ci-dessus se simplifie en k-m-X=2-sin(0B)- En outre, l'ensemble de miroir et le réseau sont agencés pour que le réseau échelle soit éclairé selon un fort angle de Blaze, c'est-à-dire avec OB typiquement compris entre 60° et 76°. Le réseau échelle 6 est gravé avec un pas compris entre 20 et 30 traits/mm et 5 sa dimension utile est d'environ 200 mm X 75 mm. Ainsi, le réseau échelle utilisé en mode quasi-Littrow et éclairé selon un fort angle de Blaze permet - contrairement au réseau « traditionnel » - d'exploiter de nombreux ordres de diffraction dans la même direction de diffraction avec une énergie diffractée dans chacun d'eux potentiellement élevée. 10 Le réseau échelle 6 agit donc ici comme un multiplexeur spectral. Le faisceau diffracté par le réseau échelle 6 repart en sens inverse vers un ensemble de détection 10 en passant par l'ensemble des trois miroirs. De manière plus précise, le faisceau issu du réseau échelle 6 renvoie dans une direction quasi-Littrow le faisceau vers le troisième miroir 5. 15 On note que le réseau échelle 6 ne fonctionnant pas en Littrow exact il y a un écart entre la lumière incidente et diffractée. De cette manière, le faisceau repart du réseau échelle 6 suivant une direction légèrement différente de celle prise à l'aller. L'écart angulaire entre les faisceaux incidents et diffractés est de l'ordre de 5° à 10°. De cette façon, le faisceau dispersé spectralement parcours un chemin inverse 20 sur les miroirs 5, 4, 3. A la sortie du troisième miroir 3, le faisceau est focalisé sur un ensemble de détection 10 comprenant plusieurs voies de détection. Sur la figure 1 on a trois voies de détection chacune comprenant un détecteur 111, 112, 113 pour détecter trois bandes d'observations (c'est-à-dire trois ordres de 25 diffraction). Les détecteurs sont par exemple des détecteurs matriciels CCD ou des détecteurs infrarouge. En outre, pour obtenir les trois voies de détection, l'ensemble de détection 10 comprend ici deux lames dichroïques 7, 8. Chaque lame dichroïque 7, 8 assure la séparation des ordres d'intérêt. En outre, ces lames 7, 8 assurent la fonction de pré-filtres spectraux. De manière complémentaire, l'ensemble de détection 10 peut comprendre un miroir plan 9 pour accommoder la disposition mécanique du spectromètre. Enfin l'ensemble de détection 10 comprend pour chaque bande à détecter un filtre d'ordre 101, 102, 103 (ici trois filtres d'ordre ou encore passe bande). Un tel filtre d'ordre assure l'isolation d'un ordre particulier d'observation (c'est-à-dire une longueur d'onde particulière). Il s'agit d'un filtre passe bande réglé à la longueur d'onde correspondant à la bande spectrale à observer. Ainsi, si X est la longueur d'onde centrale d'une bande et si k est l'ordre d'interférence (typiquement k=20 à k=90) alors la largeur spectrale maximale caractéristique des filtres passe bande est X/k. En outre, pour un réseau donné et un agencement donné, les ordres d'observation sont dépendant de la bande à observer k - m - X = 2 - sin(OB) - cos(O ). En fonction de la bande à observer, un ordre k particulier d'observation est observé. De manière alternative pour configurer les ordres (et donc la bande observée) on peut utiliser à la place d'un simple filtre fixe, une roue à filtre. En effet, suivant les caractéristiques spectrales de ces filtres, il est possible de transmettre tel ou tel ordre spectral sur le détecteur, et par la même de sélectionner simplement le domaine d'observation. Cette possibilité de reconfiguration est obtenue en disposant les filtres passe-bandes sur une roue à filtre motorisée et « commandable » disposée en amont des détecteurs. La capacité de choisir à loisir le domaine spectral d'observation, allié à une configuration instrumentale achromatique, accroît considérablement la flexibilité et l'opérabilité du dispositif. Compte tenu de l'utilisation d'une fente longue 2 un spectre à deux dimensions peut être enregistré. La figure 4 illustre un tel spectre. Sur cette figure, la hauteur de l'axe long de l'image de la fente est divisée en trois parties : champ #1, champ #2, champ #3. Le signal enregistré suivant l'axe spatial dans chacune de ces parties peu être additionné indépendamment, ce qui constitue au final trois champs d'observation distincts. En outre, des corrections géométriques de l'image enregistrée peuvent être réalisées avant sommation sur les colonnes. De plus, en lieu et place d'une simple sommation colonne (suivant l'axe spatial) des algorithmes optimaux peuvent être employés afin d'améliorer la résolution radiométrique et de réduire l'effet de distorsions optiques résiduelles et pour éliminer l'impact de certains défauts des détecteurs (pixels aux caractéristiques déviantes par rapport à la moyenne par exemple). De manière alternative ou complémentaire, le spectromètre comprend un ensemble de quatre miroirs : un premier miroir 3, un second miroir 4, un troisième miroir 5 et un quatrième miroir 30. Comme pour le mode de réalisation illustré sur la figure 3, après être passé par la fente 2, le faisceau rencontre, avant d'arriver sur le réseau échelle 6, dans l'ordre : le premier miroir 3, le second miroir 4 et le troisième miroir 5. Après dispersion par le réseau échelle 6, le faisceau rencontre dans l'ordre : le troisième miroir 5, le second miroir 4 et le quatrième miroir 30. Ainsi, ce mode de réalisation avec quatre miroirs diffère du mode de 20 réalisation avec trois miroirs en ce que le premier miroir 3 n' est rencontré que dans un sens. Cette disposition : - accroît la performance du dispositif en terme de qualité image ; - donne plus de souplesse quant au choix du facteur de dispersion spectrale 25 sur les détecteurs (facteur d'échelle du spectre) ; - permet un meilleur dégagement mécanique de l'ensemble de détection. Encore de manière alternative ou complémentaire, la lame dichroïque 7 est orientée de telle manière que le faisceau sorte du plan d'incidence principal du spectromètre. 30 Cette disposition : - facilite l'aménagement mécanique ; - permet de réduire la polarisation instrumentale par un choix judicieux des traitements couches minces recouvrant les faces de la lame 7. De manière alternative ou complémentaire, le réseau échelle 6 peut être à immersion. Un réseau dit à immersion est tel qu'il est noyé dans un substrat d'indice de réfraction n. Avec un réseau à immersion le phénomène d'interférences multiples produites par la structure périodique du réseau a lieu dans un milieu d'indice de réfraction n. Suivant l'usage qui est fait de cette condition à taille identique de l'instrument, le pouvoir de résolution peut être multiplié par n où un pouvoir de résolution identique, la taille de l'instrument peut être réduite d'un facteur n typiquement. Enfin grâce à l'utilisation de miroirs imageurs, le domaine transmis peut être très large, pouvant aller de l'ultraviolet à l'infrarouge thermique. Le spectromètre ci-dessus décrit peut être placé dans un satellite sur une 15 orbite de 705 km Il sert notamment à observer la Terre dans trois bandes spectrales distinctes couvrants les domaines NIR et SWIR : - la bande B1 : [0,7578 - 0,7620] - ordre de diffraction k=95 ; - la bande B2 : [1,605 - 1,614] - ordre de diffraction k=45 ; 20 - la bande B3 : [2,054 - 2,066] - ordre de diffraction k=35. Avec un tel spectromètre et notamment l'utilisation d'un réseau échelle associé à une fente longue (pour avoir un grand champ d'observation) certains ordres de diffractions envoient un maximum de flux dans la longueur d'onde centrale des bandes de travail. Les couleurs appartenant aux bandes B1, B2, et B3 sont alors 25 diffractés dans les mêmes directions (à la sortie du réseau, les rayons appartenant à ces trois bandes sont donc superposés). Ainsi, malgré le grand domaine spectral allant de B1 et B3, le système optique n'augmente pas en taille. Un tel spectromètre permet d'obtenir un pouvoir de résolution typique de R=25000 (ou supérieur en modifiant les paramètres du réseau - pas de gravure et 30 angle de blaze). REVENDICATIONS1. Spectromètre imageur à grand champ comprenant une fente longue (2) adaptée pour laisser passer un faisceau optique ; un ensemble d'au moins trois miroirs (3, 4, 5) ; un ensemble de détection (10) ; les miroirs (3, 4, 5) étant agencés les uns par rapport aux autres pour collimater un faisceau optique vers le réseau dispersif (6), le spectromètre est caractérisé en ce que le réseau dispersif (6) est un réseau échelle (6) agencé par rapport aux miroirs (3, 4, 5) pour réfléchir un faisceau optique vers l'ensemble de détection (10); en ce que le réseau échelle (6) et les miroirs sont en outre agencés pour que les faisceaux collimatés éclairent le réseau échelle (6) en mode quasi-Littrow ; et en ce que l'ensemble de détection (10) est adapté pour séparer et isoler une pluralité d'ordres de diffraction selon plusieurs voies de détection. 2. Spectromètre imageur selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'ensemble de détection (10) comprend au moins une lame dichroïque (7, 8) adaptée pour séparer deux ordres de diffraction vers respectivement deux voies de détection. 3. Spectromètre imageur selon l'une des revendications précédentes dans lequel 20 l'ensemble de détection comprend pour chaque voie de détection au moins un filtre spectral passe bande (loi) adapté à une bande de longueur d'onde à observer. 4. Spectromètre imageur selon la revendication précédente comprenant, pour chaque voie de détection, une pluralité de filtres spectraux disposés sur une roue à 25 filtre. 5. Spectromètre imageur selon la revendication précédente dans lequel l'ensemble de détection comprend pour chaque voie de détection un détecteur (111), le filtre spectral étant disposé en amont du détecteur (111). 15 6. Spectromètre imageur selon l'une des revendications précédentes dans lequel l'ensemble de miroirs est un ensemble à trois ou quatre miroirs. 7. Spectromètre imageur selon l'une des revendications précédentes dans 5 lequel tout ou partie des miroirs sont asphériques. 8. Spectromètre imageur selon l'une des revendications précédentes comprenant en outre un télescope (1) d'entrée par exemple Cassegrain adapté pour transmettre un faisceau optique vers la fente, la fente étant disposé au plan focal du Io télescope (1). 9. Spectromètre imageur selon l'une des revendications précédentes dans lequel le réseau échelle est immergé dans un substrat d'indice de réfraction différent de l'indice de réfraction du verre/air. 10. Véhicule spatial comprenant un spectromètre imageur selon l'une des revendications précédentes.