Brevet FR2973891A1 — publié le 20121012

B10886 - DD12076 FO 1 DISPOSITIF TERAHERTZ D'ILLUMINATION HOMOGÈNE Domaine de l'invention La présente invention concerne le domaine des ondes térahertz (THz) et plus particulièrement, dans le domaine des ondes THz, un dispositif d'illumination homogène d'une scène. Exposé de l'art antérieur L'imagerie THz est une technique de plus en plus utilisée dans les domaines de la sécurité ou de l'analyse d'oeuvres d'art où on utilise la propriété spécifique des ondes THz de traverser les textiles et les pigments. En particulier, la technique d'imagerie active consiste à éclairer une scène à une longueur d'onde spécifique pour avoir une image de la scène à cette longueur d'onde. C'est un moyen performant pour souligner la présence dans la scène de matériaux ayant une certaine absorption spécifique à cette longueur d'onde (signature spec- traie). Dans le domaine des ondes THz, les sources peuvent être des diodes lasers QCL (quantum cascade laser) qui émettent un rayonnement dans la gamme 1 à 5 THz. Un système d'imagerie active comporte des moyens pour former l'image de la scène sur un détecteur qui peut être par exemple un élément sensible déplacé ou une mosaïque d'éléments formés en "imageur". Un imageur est par exemple constitué d'une B10886 - DD12076 FO 2 matrice de micro-bolomètres qui renseigne sur la répartition du flux THz dans le plan image d'un système de formation d'image. Un des problèmes de l'imagerie active est qu'il faut éclairer la scène d'une manière homogène pour que l'image qui est faite de la zone éclairée soit uniformément éclairée. Par ailleurs comme les sources d'éclairage sont d'assez faible puissance (en regard de la sensibilité des imageurs - typiquement 10 à 100 mW), il est souhaitable de ne pas gaspiller de la puissance des sources par exemple par des techniques d'atténuation ou de masquage. Si on utilise une source laser, la répartition d'intensité du faisceau est typiquement gaussienne et il est difficile de transformer cette répartition en une forme rectangulaire adaptée à la taille de l'imageur (répartition en profil rectangulaire). Une des solutions connues consiste par exemple à concevoir une lentille dont la forme permet - par propagation de rayons - de transformer la répartition gaussienne d'intensité à la source en une répartition en "haut de forme". Cette technique reste toutefois assez académique, car elle nécessite une connaissance parfaite de la caractéristique d'émission de la source ainsi qu'une stabilité de celle-ci - qu'il n'est pas possible d'assurer. Par ailleurs, le positionnement relatif des éléments, source et lentille, demande des précisions coûteuses à mettre en oeuvre et il n'y a pas de solution connue, adaptée à l'utilisation de plusieurs sources simultanément. Étant donné le domaine de longueur d'onde des ondes THz, de l'ordre de la centaine de micromètres : 330 pm pour une fréquence de 1 THz et 82,5 pm pour une fréquence de 4 THz, les solutions généralement utilisées en optique ne s'appliquent pas dans le domaine des ondes THz. En effet, en optique, les longueurs d'ondes sont de l'ordre de 0,3 à 2 pm dans le domaine du visible et du proche infrarouge. Ainsi, quand les dimensions d'un objet sont de l'ordre du millimètre, en optique, cette longueur est extrêmement grande devant la longueur d'onde (1000 B10886 - DD12076 BO 3 fois). Par contre, dans le domaine des THz, une longueur de 1 mm à 1 cm est de l'ordre de seulement 10 à 100 fois la longueur d'onde. Divers problèmes liés à des phénomènes d'interférences peuvent alors survenir. Ainsi, on ne cherche généralement pas à adapter des solutions du domaine optique dans le domaine des THz. Toutefois, dans le domaine optique, pour homogénéiser la section d'un faisceau et/ou mélanger plusieurs sources, on a utilisé des cylindres droits dans lesquels est injectée de la lumière, comme cela est par exemple décrit dans WO2010/044030. Ceci est illustré schématiquement en figure 1 où une source lumineuse 1 envoie un faisceau divergent 3 à l'intérieur d'un cylindre droit à parois internes réfléchissantes 5. Ainsi, au niveau de la surface de sortie 7 du cylindre, on obtient une distribution d'intensité sensiblement homogène et non pas gaussienne. Résumé Un mode de réalisation de la présente invention cherche à réaliser, dans le domaine des THz, un éclairement homogène 20 sur une surface illuminée. Un mode de réalisation de la présente invention pré-voit un dispositif d'illumination homogène d'une scène à partir d'au moins une source d'onde dans une plage de 1 à 5 THz comprenant un cône creux à parois internes réflectrices, s'étendant 25 entre une première section respectivement carrée ou rectangulaire, ou hexagonale et une deuxième section respectivement carrée ou rectangulaire, ou hexagonale plus grande que la première, la première section ayant un côté de 2 à 20 mm et la deuxième section ayant un petit côté une et demi à trois fois 30 plus grand que celui de la première section. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la première section a un côté de 6 à 10 mm. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le cône est en cuivre. B10886 - DD12076 BO 4 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le cône a une paroi interne revêtue de cuivre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le cône est refroidi. Selon un mode de réalisation de la présente invention, au moins une source d'ondes THz est montée sur une paroi interne du cône, du côté de l'entrée de celui-ci. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif est associé à un objectif de projection, et l'objectif est lié à un dispositif de mise en vibrations. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'objectif est de type transmissif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'objectif est de type réflecteur. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, représente un système d'homogénéisation de faisceau utilisé dans le domaine optique ; la figure 2 représente un mode de réalisation de système d'homogénéisation de faisceau dans le domaine des ondes THz ; la figure 3 représente une variante du système de la figure 2 ; la figure 4 représente un système d'imagerie associé au dispositif illustré en relation avec les figures 2 et 3 ; et les figures 5A, 5B et 5C représentent des exemples de section de dispositifs selon des modes de réalisation de la présente invention. Description détaillée La figure 2 représente un dispositif d'homogénéisation 35 de champ d'illumination adapté aux ondes THz. Ce dispositif est B10886 - DD12076 FO destiné à fournir à sa sortie 10 un champ d'intensité homogène d'une dimension de 10 à 20 mm de côté (carré, rectangulaire ou hexagonal). Ce dispositif comprend un cône creux 12 s'étendant entre une section d'entrée 14 de forme carrée ou rectangulaire 5 et une section de sortie 10 carrée ou rectangulaire, la section d'entrée pouvant être carrée tandis que la section de sortie est rectangulaire, ou inversement. On pourra aussi prévoir des sections d'entrée et de sortie hexagonales. La section d'entrée a un côté d'une longueur d'au moins 4 mm, typiquement 8 mm. La section de sortie a un petit côté d'une longueur de 6 à 20 mm. La longueur du cône est de l'ordre de 5 à 20 cm. Une source d'onde THz 16 est placée à l'entrée du cône et est par exemple constituée d'une diode émettrice semi-conductrice ou laser (type QCL - Quantum Cascade Laser, par exemple). Par suite des réflexions multiples sur les parois internes du cône, la répartition d'intensité THz s'homogénéise à la sortie du cône avec toutefois une modulation d'intensité à courte période (franges d'interférences). Les inventeurs ont testé le fonctionnement dans le cas de l'utilisation d'un cylindre droit tel que celui généralement utilisé en optique et ont constaté que l'on ne pouvait pas obtenir de résultats satisfaisants. Notamment, avec un cylindre droit, l'image de sortie comporte des franges d'interférences assez espacées et l'homogénéité en intensité de cette image (contraste) est finalement inférieure à 20% en te- nant compte de la résolution spécifique du système d'acquisition d'images. Par contre, en utilisant un élément conique tel que décrit précédemment, on obtient, grâce à une densité de franges élevée, un champ plus homogène, d'au moins 50%. La figure 3 représente à nouveau un dispositif conique 12. Cette fois-ci, la source laser 16 est placée à l'intérieur du cône. Éventuellement, plusieurs sources 16 et 18 peuvent être placées à l'intérieur du cône, sur des parois opposées ou mitoyennes, ou côte à côte sur une même paroi. On obtient alors sur la section de sortie une image homogène aux diverses longueurs d'ondes spécifiques de chaque source. B10886 - DD12076 BO 6 La figure 4 illustre une application préférée du cône 12 décrit précédemment. L'image de la section de sortie de ce cône est formée par un objectif 20 sur un plan 22 sur lequel on doit obtenir un éclairement homogène. On notera que plusieurs sources telles que décrites précédemment pourront être disposées côte à côte pour exposer des carrés ou des rectangles adjacents sur le plan d'observation. On pourrait aussi utiliser un dispositif de balayage à miroir (constitué d'un élément métallique pour des ondes l'Hz) oscillant pour assurer cette fonction au cours du temps. Selon un aspect d'un mode de réalisation de la présente invention, l'objectif 20 est mis en vibration. Ainsi, d'éventuelles irrégularités de contraste sur la section de sortie du cône seront supprimées par effet de moyenne sur le plan d'observation et on peut alors tenir une homogénéité d'éclairement sur ce plan supérieure à 80 Selon un aspect d'un mode de réalisation de la pré-sente invention, l'objectif 20 est mis en vibration avec une amplitude de l'ordre du pas des franges. Ainsi, d'éventuelles irrégularités d'éclairement (franges lumineuses) sur la section de sortie du cône seront supprimées par effet de moyenne après intégration dans le temps d'acquisition de l'image, sur le plan d'observation et on peut alors obtenir une homogénéité d'éclairement sur ce plan supérieure à 80 L'objectif par transmission (lentille ou lentille de Fresnel) de la figure 4 pourra être remplacé par un objectif par réflexion (miroir). Les figures 5A, 5B, 5C représentent respectivement un exemple de la section d'entrée 14 du cône 12, et deux exemples de la section de sortie 10 du cône 12. Comme on l'a indiqué précédemment, la section d'entrée peut être un carré ou un hexagone de 8 mm de côté et la section de sortie peut être un carré ou un hexagone de 12 mm de côté ou un rectangle de 13,5 mm par 15 à 20 mm de côté, de préférence 18 mm. 5 10 B10886 - DD12076 BO 7 On notera qu'un milieu réfléchissant pour les ondes THz est un métal, par exemple du cuivre éventuellement revêtu d'or. On pourra choisir du cuivre massif ou un revêtement de cuivre à l'intérieur d'un cône de matière plastique. Un avantage de l'utilisation d'un cône de cuivre est qu'il peut être refroidi de façon homogène et rendu solidaire d'un cryostat. Ainsi, les sources d'ondes THz qui sont générale-ment conçues pour fonctionner à basse température pourront être refroidies par leur montage sur la paroi interne du cône. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art, en particulier, en ce qui concerne les matériaux utilisés. REVENDICATIONS1. Dispositif d'illumination homogène d'une scène à partir d'au moins une source d'onde dans une plage de 1 à 5 THz comprenant un cône creux (12) à parois internes réflectrices, s'étendant entre une première section respectivement carrée ou rectangulaire, ou hexagonale (14) et une deuxième section respectivement carrée ou rectangulaire, ou hexagonale (10) plus grande que la première, la première section ayant un côté de 2 à 20 mm et la deuxième section ayant un petit côté une et demi à trois fois plus grand que celui de la première section. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la première section a un côté de 6 à 10 mm. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le cône est en cuivre. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendica-15 tions 1 à 3, dans lequel le cône a une paroi interne revêtue de cuivre. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le cône est refroidi. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- 20 tions 1 à 5, dans lequel au moins une source d'ondes THz est montée sur une paroi interne du cône, du côté de l'entrée de celui-ci. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, associé à un objectif de projection (20), dans 25 lequel ledit objectif est lié à un dispositif de mise en vibrations. 8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel ledit objectif est de type transmissif. 9. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel 30 ledit objectif est de type réflecteur.