Brevet FR3021758A1 — publié le 20151204

Dispositif optique dépolarisant La présente invention concerne un dispositif optique dépolarisant. Il est courant pour certaines applications notamment spatiales et/ou satellitaires d'embarquer des détecteurs qui analyseront de diverses manières des flux optiques collectés. Les flux optiques dont il est question ici sont collectés après diffusion ou réflexion par l'environnement. Or, la diffusion ou la réflexion tend à polariser au moins partiellement la lumière. La partie polarisée présente alors un état de polarisation qui est fonction du milieu diffusant et des conditions de mesure. Cependant, la polarisation partielle voir complète de cette lumière 15 influe sur les grandeurs mesurées et peut induire l'interprétation des résultats en erreur. C'est pourquoi on cherche à utiliser un dispositif optique dépolarisant disposé en amont du détecteur, c'est-à-dire un système permettant de dépolariser la lumière incidente, avant qu'elle soit 20 mesurée par le capteur tout en conservant l'énergie transportée. Ces dispositifs sont par exemple connus sous le nom de brouilleur de polarisation (« polarisation scrambler » en anglais). Pour quantifier le degré de polarisation de lumière, il a été défini un paramètre DOP (degré de polarisation) pouvant prendre des valeurs 25 dans un intervalle compris entre [0,1] qui a la particularité que DOP = 1 pour une lumière complètement polarisée et DOP=0 pour une lumière complètement dépolarisée. A ce jour, différents dispositifs optiques de dépolarisation sont connus. 3021758 2 Ainsi on connaît des brouilleurs temporels de polarisation qui fonctionnent sur la base d'éléments optiques en mouvement ou de l'utilisation de cristaux liquides. Ces brouilleurs tendent à obtenir un DOP =0 selon une moyenne temporelle 5 Toutefois, de tels brouilleurs temporels de polarisation ne sont pas adaptés pour une application spatiale. Même pour une application terrestre, par exemple dans le domaine biomédical, le fait qu'il y a des éléments optiques en mouvement nécessitent un contrôle et une maintenance continue de sorte que de 10 tels brouilleurs ne sont pas aisés à utiliser. Les capteurs optiques sont suiveurs et intégrateurs, de ce fait, la dépolarisation temporelle est une caractéristique intrinsèque de la lumière et ne peut être contrôlée facilement. Il existe cependant un autre type de dépolarisation : la dépolarisation spatiale. Celle-ci est induite par l'intégration par un unique capteur d'une multiplicité d'états de polarisation distincts. Ainsi, on peut obtenir une dépolarisation au moins partielle par la diffusion de la lumière par une surface rugueuse appropriée. L'article "Polarization scramblers in Earth observing spectrometers: lessons learned from Sentinel-4 and 5 phases A/B1" Jérôme Caron et al. Proceedings ICSO 2012, décrit également deux brouilleurs de polarisation connus sous le nom de MERIS SCRAMBLER et DUAL BABINET SCRAMBLER. Il s'agit d'un pseudo brouillage basé sur un changement d'état de polarisation lors de la propagation de la lumière dans des coins par exemple de silice biréfringente. Cependant, en sortie de ces brouilleurs, on obtient de faisceaux multiples ce qui est un inconvénient dans le cadre de la détection par un capteur. Pour le DUAL BABINET SCRAMBLER, de fortes variations spectrales ont été observées. 3021758 3 La présente invention a pour objet de proposer un dispositif optique de dépolarisation efficace qui permet de pallier au moins partiellement aux inconvénients précités. A cet effet, la présente invention propose un dispositif optique de 5 dépolarisation, caractérisé en ce qu'il comprend un premier et un second filtres, le premier filtre étant destiné à recevoir des rayons de lumière incidents et le second filtre est destiné à recevoir des rayons de lumière venant du premier filtre, dans lequel le premier filtre possède les mêmes coefficients de Fresnel en intensité sur les deux polarisations 10 s et p et induit un déphasage de ru/4 entre les deux modes de polarisation s et p, dans lequel le second filtre de réflexion présente les mêmes coefficients de Fresnel en intensité sur les deux polarisation s et p et induit un déphasage prenant des valeurs équi-réparties entre 0 et 2u sur la surface du filtre, les deux filtres étant parallèles et les axes 15 propres du deuxième filtre de réflexion ayant subis une rotation de 45° par rapport aux axes propres du premier filtre de réflexion. Ainsi, on obtient un dispositif de dépolarisation efficace, ceci sans mouvements mécaniques et sans modification apparente du front d'onde. 20 Le dispositif selon l'invention peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison : Selon un mode de réalisation, les premier et second filtres sont des filtres de transmission possédant chacun les mêmes coefficients de 25 transmission en intensité sur les deux polarisations s et p. Selon un autre mode de réalisation, les premier et second filtres sont des filtres de réflexion possédant chacun les mêmes coefficients de réflexion en intensité sur les deux polarisations s et p. 3021758 4 Le second filtre est par exemple réalisé sous la forme d'un réflecteur spéculaire. Le second filtre peut comprendre à sa surface des zones, chaque zone induisant un déphasage compris entre 0 et 2-ru, les zones étant 5 contigües les unes aux autres sur la surface du filtre. Selon un aspect, la taille desdites zones est comprise entre une fraction de longueur d'onde et plusieurs mètres. Selon un autre aspect le nombre desdites zones est supérieur ou égal à deux. 10 Chaque filtre est par exemple sensiblement plan. Selon encore un autre aspect, chaque filtre est réalisé selon une technique de type couches minces optiques. L'invention concerne également un système de détection embarqué, notamment dans le domaine spatial et / ou le domaine aérien 15 caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique de dépolarisation tel que défini ci-dessus. L'invention concerne également un système de détection biomédical caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique de dépolarisation tel que défini ci-dessus. 20 L'invention concerne en outre un dispositif d'étalonnage polarimétrique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique de dépolarisation tel que défini ci-dessus. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description de l'invention, ainsi que des figures suivantes sur 25 lesquelles : la figure 1 montre un dispositif optique de dépolarisation selon l'invention, 3021758 5 la figure 2 montre une vue schématique de dessus du deuxième filtre du dispositif optique de dépolarisation selon l'invention, la figure 3 est un schéma permettant d'illustrer les 5 relations entre les axes propres des filtres du dispositif de dépolarisation, Sur toutes les figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence. 10 La figure 1 montre un dispositif optique de dépolarisation 1 selon l'invention selon un premier mode de réalisation. Ce dispositif optique de dépolarisation 1 comprend un premier 3 et un second 5 filtres de réflexion, par exemple de forme carrée et disposés en série. Les deux filtres 3 et 5 sont sensiblement plans. 15 Comme on le voit sur la figure 1, des rayons lumineux incidents 7 sont réfléchis par le premier filtre 3, puis par le second filtre 5 avant d'être détectés par un capteur optique 9. Ainsi, le premier filtre 3 reçoit des rayons lumineux incidents 7 et le second filtre reçoit des rayons de lumineux 7 venant du premier filtre 3. 20 Le premier filtre de réflexion 3 possède les mêmes coefficients de Fresnel, c'est-à-dire dans le présent cas le même coefficient de réflexion, en intensité sur les deux polarisations s et p et induit un déphasage de ru/4 entre les deux modes de polarisation s et p. Le second filtre de réflexion 5 présente les mêmes coefficients de 25 Fresnel, c'est-à-dire le même coefficient de réflexion, en intensité sur les deux polarisations s et p et induit un déphasage entre les deux polarisations s et p qui est fonction de la position sur le filtre. Le déphasage introduit couvre la plage 0 - 2u avec des variations spatiales qui pourront être définies selon une fonction (linéaire par exemple ou 3021758 6 suivant tout autre fonction de répartition), ou de manière aléatoire ou pseudo-aléatoire. Les deux filtres 3 et 5 sont parallèles et les axes propres du deuxième filtre de réflexion 5 ont subis une rotation de 45° par rapport 5 aux axes propres du premier filtre de réflexion 3. Le second filtre 5 est réalisé sous la forme d'un réflecteur spéculaire. Plus précisément, la lumière incidente est complètement réfléchie sans perte d'énergie et les rayons réfléchis ont subi des déphasages différents en chaque zone du faisceau réfléchi. Tous ces 10 rayons sont ensuite intégrés ensemble par le capteur. A cet effet, comme on le voit sur la figure 2 schématiquement représenté, le filtre 5 comprend à sa surface des zones zid , i et j étant des nombres naturels. Ici sur la figure 2, chaque zone zi est représenté à titre d'exemple 15 comme un petit carré, les zones zi étant contigües les unes aux autres sur la surface du filtre. Chaque zone zi induit sur la lumière incidente sur ce second filtre 5 un déphasage compris entre 0 et 2-ru. La répartition du déphasage entre les diverses zones zid est 20 quelconque (aléatoire, pseudo-aléatoire ou suivant une fonction), mais couvre l'ensemble de l'intervalle compris entre 0 et 2-ru avec des valeurs équi-réparties sur cet intervalle. La taille des dites zones z est comprise entre une fraction de longueur d'onde et plusieurs mètres (celle-ci est à définir en fonction de 25 l'application visée) et le nombre desdites zones zid est supérieure ou égal à deux. 3021758 7 Chacun des filtres 3 et 5 peut être réalisé par des techniques de type couches minces optiques. Ainsi on peut citer : - les techniques de réalisation sous vide de filtres interférentiels: 5 évaporation, canon à électrons, pulvérisation, magnetron, plasma..., - les techniques de sol gel, plus proches de la chimie, ou qui ne nécessitent pas le vide, - les dépôts avec masques d'uniformité, mobiles ou immobiles, ou bien à travers des masques, 10 - les dépôts modifiés avec un processus de gravure humide ou réactive, - les dépôts modifiés avec un éclairement sous flux lumineux - les dépôts impliquant les techniques de lithographie - les dépôts peuvent aussi être remplacés par des optiques 15 diffractives, ou des micro-optiques, des cristaux photoniques ou des métamatériaux, voire des filtres volumiques, holographiques - les filtres linéairement variables, - des dépôts en incidence oblique, - des dépôts sur des échantillons en mouvement (aléatoire ou 20 contrôlé), - une structuration spatiale des empilements Pour comprendre le fonctionnement de l'invention, on considère que la fonction de filtrage du premier filtre 3 est donnée dans son repère (x1, y1) et pour toutes les valeurs x1, yi par 3021758 8 pour une polarisation s : ris (x1, y1) = eAs pour une polarisation p : ri, (x1, y1) = eAP tels que IÔis- Ôipl =u/4 Ce filtre a pour objet d'équilibrer l'énergie entre les états s2 et p2 de 5 polarisation qui sont les axes propres du filtre 5 (parallèles à x2 et y2). L'ensemble des états de polarisation pris par le faisceau réfléchi dans un repère (01, x1, y1) est alors donné par les équations suivantes: pour une polarisation s : Els (x1, y1) = Eos (x1, y1) eAs pour une polarisation p : Eip (x1, y1) = Ern, (x1, y1) eAP . 10 La fonction de filtrage du second filtre 5 est donnée dans son repère (02 x2, y2) et pour toutes les valeurs x2, y2 comprises entre [0 et L], où L est par exemple une dimension latérale du second filtre 5 par pour une polarisation s : r2, (x2, y2) = elf2s(x2'Y2) pour une polarisation p : r2, (x2, y2) = elf2P(x2'Y2). 15 Où les fonctions de répartition f2, et f2p sont telles que le déphasage 8(x2, y2)= If2p(x2,y2) - f2s(x2,y2)I présente des valeurs équiréparties sur la plage [0-27c]. Un exemple de réalisation serait : f2p(x2,y2)=2 7C *x211_, 20 f2s(x2,y2)=0 en tout point Les deux filtres ont des axes propres (i.e. le référentiel dans lequel sont définis toutes les grandeurs dont il est question ici - 3021758 9 champ, déphasage, coefficient de réflexion....) décalés par une rotation de 45° comme représenté à la figure 3 montrant les repères (01, x1, y1) et (02 x2, y2), de sorte que l'axe x2 est compris entre l'axe x1 et l'axe y1. Le sens de rotation n'a pas d'influence 5 que cette application. Le champ El venant d'être réfléchi par le premier filtre 3 peut s'écrire pour tout (x2, y2) dans le second repère du second filtre 5 de la façon suivante : pour une polarisation s : 10 Fis (x2,Y2)= 2 Eis .x2,,v 2 ± 2 ElP (x2, Y2) pour une polarisation p : EH' (x2, Y2) - -22 ElP (x2, Y2) ElS (x2, Y2) Après réflexion par le filtre 5, le champ E2 s'écrit alors : pour une polarisation s : 15E25 (x2, Y2)- - 22 Eis (x2, Y2).r2S(x2,Y2)±-22 Eip (x2, Y2).r2s(x2,Y2) pour une polarisation p : E2P (x2,Y2)--22 EH' (x2, Y2)-r2P (x2,Y2)- 22 ElS (x2, Y2).r2P(X2,Y2) 20 Les champs locaux sont définis de la même manière au niveau du capteur 9, mais celui - ci intégrant la somme des champs, le degré de polarisation mesuré est nul. 3021758 10 Plus précisément, le degré de polarisation du champ réfléchi par le second filtre avec la fonction de filtrage définie ci-dessus et détecté par le capteur 9 est donné par : DOP = 11 4 Pi 5 Où A est le taux de polarisation de la lumière arrivant sur le filtre 5. En calculant le taux de polarisation ,61 de cette lumière incidente sur le filtre 5, c'est-à-dire la lumière venant être réfléchie par le premier filtre 3, on trouve que A=1 par construction du filtre 3, de sorte que le 10 degré de polarisation DOP =0. On comprend donc que la réflexion sur les deux filtres 3 et 5 permet de dépolariser complètement toute lumière incidente dont la partie polarisée est polarisée de façon linéaire, ceci sans perte d'énergie et sans déformation du front d'onde. En effet, le capteur 9 ne voit que 15 de la lumière dépolarisée. Le dispositif de dépolarisation 1 décrit ci-dessus trouve par exemple une application dans un système de détection embarqué, notamment dans le domaine spatial et / ou le domaine aérien par exemple pour une application spatiale ou pour la surveillance aérienne 20 des surfaces terrestres ou encore un système de détection biomédical. Il peut également être intégré dans un dispositif d'étalonnage polarimétrique afin de faciliter l'étalonnage. Selon une variante, on peut remplacer les filtres de réflexion 3 et 5 par des filtres de transmission ayant des propriétés analogues que 25 celles des filtres de réflexion, mais cette fois en transmission. (1+,)2 3021758 11 On comprend donc que par les deux filtres on obtient un dispositif de dépolarisation robuste, simple à mettre en oeuvre et très efficace de sorte que l'on pourrait qualifier le dispositif selon l'invention de dépolariseur « parfait » ou « quasi-parfait ». 5 REVENDICATIONS1. Dispositif (1) optique de dépolarisation, caractérisé en ce qu'il comprend un premier (3) et un second (5) filtres , le premier filtre (3) étant destiné à recevoir des rayons de lumière incidents et le second 5 filtre (5) est destiné à recevoir des rayons de lumière venant du premier filtre (3), dans lequel le premier filtre (3) possède les mêmes coefficients de Fresnel en intensité sur les deux polarisations s et p et induit un déphasage de ru/4 entre les deux modes de polarisation s et p, dans lequel le second filtre de réflexion (5) présente les mêmes coefficients 10 de Fresnel en intensité sur les deux polarisation s et p et induit un déphasage prenant des valeurs équi-réparties entre 0 et 2u sur la surface du filtre, les deux filtres (3, 5) étant parallèles et les axes propres du deuxième filtre de réflexion (5) ayant subis une rotation de 45° par rapport aux axes propres du premier filtre de réflexion (3). 15 2. Dispositif optique de dépolarisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier (3) et second (5) filtres sont des filtres de transmission possédant chacun les mêmes coefficients de transmission en intensité sur les deux polarisations s et p. 3. Dispositif optique de dépolarisation selon la revendication 1, 20 caractérisé en ce que les premier (3) et second (5) filtres sont des filtres de réflexion possédant chacun les mêmes coefficients de réflexion en intensité sur les deux polarisations s et p. 4. Dispositif optique de dépolarisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second filtre (5) est réalisé sous la forme d'un 25 réflecteur spéculaire. 5. Dispositif optique de dépolarisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le second filtre (5) comprend à sa surface des zones (z ), chaque zone (zig) induisant un déphasage 3021758 13 compris entre 0 et 2-ru, les zones (zi,) étant contigües les unes aux autres sur la surface du filtre (5). 6. Dispositif optique de dépolarisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que la taille desdites zones (zig) est comprise entre une 5 fraction de longueur d'onde et plusieurs mètres. 7. Dispositif optique de dépolarisation selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le nombre desdites zones (zig) est supérieure ou égal à deux. 8. Dispositif optique de dépolarisation selon l'une quelconque des 10 revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque filtre (3, 5) est sensiblement plan. 9. Dispositif optique de dépolarisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque filtre (3,5) est réalisé selon une technique de type couches minces optiques. 15 10. Système de détection embarqué, notamment dans le domaine spatial et / ou le domaine aérien caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 11. Système de détection biomédical caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 20 à 9. 12. Dispositif d'étalonnage polarimétrique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.