Brevet FR3011633A1 — publié le 20150410

Domaine de l'invention L'invention concerne un dispositif optique comprenant une sphère intégrante, ainsi qu'un procédé mettant en oeuvre ce dispositif. Présentation de l'Art Antérieur Le speckle est un effet optique se produisant sur les rayons laser lorsqu'ils rencontrent une surface. En effet, les surfaces réfléchissantes n'étant pas parfaitement lisses à l'échelle de la longueur d'onde des lasers (imperfections de l'ordre du micromètre), il se produit des interférences microscopiques au niveau de cette surface. Ceci se traduit visuellement par un effet granuleux sur la tache lumineuse en sortie. De plus, cet effet est variable dans le temps car il est soumis aux différentes perturbations extérieures (température, vibrations, ... ) et induit des variations aléatoires du flux en sortie. Par conséquent, le speckle est néfaste, notamment pour des applications de calibration ou d'étalonnage d'instruments au laser, dans lesquelles sont requises : - une uniformité spatiale et angulaire du faisceau lumineux - une stabilité temporelle du flux en sortie. Dans l'art antérieur, il est connu d'utiliser une sphère intégrante associée à une surface réfléchissante tournante, de type écran, en sortie de la sphère, afin de réduire l'effet du speckle par moyennage. Une sphère intégrante est un dispositif 100 optique (voir Figure 1) consistant en une cavité sphérique creuse dont l'intérieur est revêtu d'un revêtement à coefficient de réflexion élevé, et possédant des ports d'entrée et de sortie 101, 102. Les faisceaux lumineux provenant de n'importe quel point de la surface interne de la sphère sont distribués, en raison des multiples réflexions diffuses, de façon égale à tous les autres points de la sphère et ceci indépendamment de la direction originale de la lumière. Une autre solution consiste à placer un diffuseur tournant à l'intérieur de la sphère intégrante. Toutefois, ces solutions présentent de nombreux inconvénients. D'une part, leur efficacité de réduction du speckle est perfectible. En particulier, dans le cas d'un diffuseur tournant disposé à l'intérieur de la sphère intégrante, une partie du flux ne passe pas par le diffuseur tournant, d'où une moindre efficacité de réduction du speckle. En outre, un port de la sphère est immobilisé et ne peut être utilisé. Présentation de l'invention Afin de pallier les inconvénients de l'état de la technique, l'invention propose un dispositif optique comprenant une sphère creuse comprenant au moins un port d'entrée, pour l'entrée d'un faisceau lumineux dans la sphère, une surface interne réfléchissante et diffusante, pour la réflexion du faisceau lumineux à l'intérieur de la sphère, au moins un port de sortie, pour la sortie du faisceau lumineux de la sphère, caractérisé en ce que la sphère comprend au moins une première portion de sphère, et une seconde portion de sphère, distincte de la première portion et mobile en rotation. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques 20 suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : le dispositif comprend un moteur connecté à la seconde portion de sphère afin de lui transmettre une rotation ; la première portion de sphère et la seconde portion de sphère 25 sont centrées l'une par rapport à l'autre ; la première portion de sphère porte un port d'entrée et de sortie, et la seconde portion de sphère s'étend jusqu'à une position adjacente à ce port ; la seconde portion de sphère se trouve en face du port de 30 sortie ; le dispositif comprend un boîtier dans lequel sont intégrés ses différents éléments, des ports d'entrée et de sortie étant pratiqués dans le boîtier ; le dispositif comprend en outre une unité de contrôle configurée pour contrôler des paramètres de rotation de la seconde portion de sphère. L'invention concerne également un procédé de réduction du speckle d'un faisceau lumineux par l'intermédiaire de ce dispositif, comprenant les étapes consistant à: émettre un faisceau laser vers le dispositif, mettre en rotation la seconde portion de sphère, de sorte à réduire le speckle du faisceau laser en sortie de la sphère Une application consiste à calibrer un instrument optique à partir du faisceau laser issu du dispositif, le faisceau laser de sortie étant alors uniforme angulairement, spatialement et stable temporellement. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend la mise en rotation de la seconde portion de sphère à une vitesse permettant de supprimer le speckle du faisceau laser en sortie de la sphère. Un avantage de l'invention est de permettre de supprimer le speckle d'un faisceau laser diffusé par une sphère intégrante. Un autre avantage de l'invention est de permettre, pour une fréquence d'acquisition donnée, une mise en rotation de parties mobiles à une fréquence de rotation plus faible que l'art antérieur. Un autre avantage encore de l'invention est d'offrir une amélioration 25 de la réduction du speckle sans dégrader d'avantage le flux lumineux en sortie du dispositif. Enfin, un autre avantage encore de l'invention est d'offrir un dispositif intégré, prêt à l'emploi, et ne nécessitant pas d'assemblages ou de réglages fastidieux pour l'utilisateur. 30 Le dispositif proposé présente une configuration qui rend son intégration très simple et efficace. Présentation 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 est une représentation d'une sphère intégrante de l'art antérieur ; - la Figure 2 est une représentation d'un mode de réalisation d'un dispositif optique selon l'invention ; - la Figure 3 est une représentation d'une autre configuration du dispositif optique selon l'invention, dans lequel la partie mobile fait face au port de sortie ; - la Figure 4 est une représentation d'un mode de réalisation d'un procédé de réduction du speckle selon l'invention ; - la Figure 5 est une représentation d'un mode de réalisation d'un montage permettant de mesurer la réduction du speckle par le dispositif ; - la Figure 6 est une représentation à un instant t de l'effet speckle lorsque la portion mobile du dispositif n'est pas mise en rotation. Ce speckle évolue spatialement et temporellement ; - la Figure 7 est une représentation de la suppression de l'effet speckle lorsque la portion mobile du dispositif est mise en rotation. Description détaillée Dispositif optique On a représenté en Figure 2 un dispositif 1 optique. Le dispositif 1 optique comprend une sphère 3, dont l'intérieur est une cavité. La sphère 3 présente à sa surface au moins un port 2 d'entrée, pour l'entrée d'un faisceau 11 lumineux dans la sphère 3. Le faisceau 11 lumineux est émis par une source 17 lumineuse, par exemple de type laser. Le port 2 d'entrée est une ouverture, en général de taille réduite, pratiquée à la surface de la sphère 3. Selon les applications ou besoins, plusieurs ports 2 d'entrée peuvent être présents sur la sphère 3. La sphère 3 présente également au moins un port 4 de sortie, pour la sortie du faisceau 11 lumineux de la sphère 3. Plusieurs ports 4 de sortie peuvent être présents. Le port 4 de sortie peut notamment être placé à une position orthogonale au port 2 d'entrée. La cavité de la sphère 3 présente une surface 10 interne réfléchissante et diffusante, qui permet la création de multiples réflexions du faisceau 11 lumineux à l'intérieur de la sphère 3, jusqu'à sa sortie par le port 4 de sortie. La sphère 3 est donc une sphère intégrante. Pour les applications dans le domaine visible, le revêtement de la surface 10 interne est par exemple le sulfate de baryum (Ba504) blanc. Dans le domaine infrarouge, le revêtement est par exemple de l'or. Comme illustré en Figure 2, la sphère 3 comprend au moins une première portion 8 de sphère, et une seconde portion 9 de sphère. Ces deux portions 8, 9 sont des pièces distinctes. On entend par portion de sphère le fait que ces portions ne constituent chacune qu'une partie de sphère. Leur réunion constitue la forme d'une sphère par complémentarité de forme. Ces deux portions 8, 9 peuvent par exemple être obtenues à partir d'une sphère complète qui est découpée au niveau d'un plan parallèle au plan médian de la sphère. Alternativement, les portions sont fabriquées séparément via des moules, ou par usinage, ou tout autre procédé permettant d'obtenir les formes requises. La seconde portion 9 de sphère est mobile en rotation. Selon un aspect possible, la première portion 8 de sphère et la seconde portion 9 de sphère sont centrées l'une par rapport à l'autre. La seconde portion 9 de sphère est en général en rotation autour d'un axe 20 de rotation correspondant à son axe de révolution. Cet axe 20 coïncide en général avec l'axe de révolution de la première portion 8 de sphère lorsque les deux portions 8, 9 sont centrées. Si les deux portions ne sont pas parfaitement centrées l'une par rapport à l'autre, l'axe 20 de rotation de la seconde 9 portion est décalé par rapport à l'axe de révolution de la première 8 portion. Différentes configurations de la sphère 3 sont possibles. Ainsi, les positions des ports d'entrée et de sortie par rapport à la seconde portion 9 mobile peuvent être choisies afin d'améliorer la tolérance du dispositif vis à vis d'éventuels défauts de centrage des deux portions de sphère 3. La première portion 8 de sphère est quant à elle fixe lors de l'utilisation du dispositif 1, contrairement à la seconde portion 9. Le positionnement de la première portion 8 de sphère par rapport à la seconde portion 9 peut par exemple être réalisé par assemblage mécanique lors de la fabrication, ce qui permet à l'utilisateur de disposer d'un dispositif prêt à l'emploi. Alternativement, ou en complément, il est possible de prévoir un outil 16 de réglage permettant à l'utilisateur de positionner relativement la première et la seconde portions de sphère. Il s'agit par exemple d'une platine de réglage permettant un déplacement en élévation et/ou translation, ainsi que le cas échéant en rotation. A titre d'exemple non limitatif, des rails ou des roulements peuvent être utilisés. Afin de mettre en rotation la seconde portion 9 de sphère, le dispositif 1 comprend un moteur 13 connecté à la seconde portion 9 de sphère. Il s'agit par exemple, mais non limitativement, d'un moteur 13 à courant continu. Ce moteur 13 peut être contrôlé par une unité 27 de contrôle, par exemple un micro-ordinateur, via une liaison filaire ou sans-fil. Ceci permet notamment de contrôler des paramètres de rotation de la partie mobile, 30 comme sa vitesse de rotation. La première portion 8 de sphère et la deuxième portion 9 de sphère sont placées à proximité l'une de l'autre, afin de réaliser une forme de sphère. Selon un aspect possible, les deux portions 8, 9 sont placées à une distance relative permettant une rotation relative sans contact. A titre d'exemple non limitatif, leur distance relative est de quelques microns. Alternativement, les deux portions 8, 9 sont en contact, par exemple par l'intermédiaire d'un roulement à bille. Les dimensions des portions de sphère sont choisies selon les applications, et selon les contraintes de fabrication. En particulier, la première portion 8 de sphère comprend au moins un port 2 d'entrée et au moins un port 4 de sortie à sa surface. Dans ce cas, l'étendue de la deuxième portion 9 de sphère est limitée par la présence de ce port. Dans un mode de réalisation, la seconde 9 portion de sphère s'étend jusqu'à une position située en deçà de ce port. Cette position est donc en deçà d'un axe limite 26 adjacent à ce port, et qui ne peut être franchi par la seconde portion 9, en raison de la présence adjacente du port. Selon un exemple particulier, la seconde 9 portion de sphère s'étend jusqu'à une position adjacente à ce port, comme schématisé en Figure 2. Dans cette configuration, la ligne de coupure entre la première portion 8 et la seconde portion 9 est horizontale et la seconde portion 9 est située sous le port. Une autre configuration est illustrée en Figure 3. Dans la configuration de la Figure 3, la seconde portion 9 s'étend en face du port 4 de sortie. En d'autres termes, la seconde portion 9 s'étend du côté opposé au port 4 de sortie, l'intérieur de la seconde portion 9 étant disposée en face dudit port 4 de sortie. La seconde portion 9 peut s'étendre en deçà d'un axe limite 26 adjacent au port 2 d'entrée. Selon un exemple particulier, la seconde 9 portion de sphère s'étend jusqu'à une position adjacente à ce port, comme schématisé en Figure 3. La ligne de coupure entre la première portion 8 et la seconde portion 9 est donc ici verticale. Afin de disposer d'un dispositif 1 prêt à l'emploi et intégré, il est possible de disposer les éléments du dispositif 1 dans un boîtier 19. Ce boîtier 19 comprend notamment la sphère 3, le moteur 13 (et optionnellement l'outil 16 de réglage). Il est possible de régler dès la fabrication la position relative de la première portion 8 par rapport à la deuxième portion 9. Dans ce cas, l'outil 16 n'est pas nécessaire. Le boîtier 19 comprend également des ports 2' d'entrée et des ports 4' de sortie, dont la position coïncide avec la position des ports 2 d'entrée et des ports 4 de sortie de la sphère 3. Ce boîtier peut être sphérique. Ainsi, le boîtier peut être vendu aux utilisateurs tel quel, prêt à l'emploi. Procédé de réduction du speckle Le dispositif 1 optique peut être utilisé dans un procédé de réduction du speckle d'un faisceau 11 lumineux. Selon une réalisation possible, le procédé comprend une étape El consistant à émettre un faisceau 11 laser vers le dispositif 1. Le procédé est toutefois applicable à tout faisceau lumineux. Le faisceau 11 laser pénètre un port 2, 2' d'entrée du boîtier et de la sphère 3. Une mise en rotation (étape E2) de la seconde portion 9 est réalisée de sorte à réduire le speckle du faisceau 11 laser, par l'intermédiaire du moteur 13 et sous le contrôle de l'unité 27 de contrôle. La mise en rotation de la seconde portion 9 permet de moyenner le faisceau 11 laser et donc de réduire le speckle du faisceau 11. La réduction obtenue par le dispositif est élevée car dès son entrée dans le dispositif 1, et avant toute réflexion à l'intérieur de la sphère 3, l'ensemble du faisceau rencontre la seconde portion 9 de sphère en rotation, ce qui réduit de manière importante le speckle. De plus, les réflexions multiples à l'intérieur de la sphère 3 conduisent le faisceau à se réfléchir de nombreuses fois sur la partie 9 mobile, d'où une efficacité accrue de la réduction de speckle. Dans l'art antérieur, une réduction du speckle n'était possible qu'après une ou plusieurs réflexions du faisceau à l'intérieur de la sphère 3, et ne concernait donc qu'une partie du faisceau lumineux. Après de multiples réflexions à l'intérieur de la sphère 3, le faisceau 11 laser sort (étape E3) de la sphère 3 par le port de sortie 4, puis par le port de sortie 4'. Le dispositif 1 permet d'obtenir un faisceau 11 qui présente une reproductibilité angulaire et spatiale et une stabilité temporelle en sortie de la sphère, car le speckle est réduit ou même annulé. Le choix approprié d'une vitesse de rotation de la seconde portion 9 de sphère permet de supprimer le speckle du faisceau 11 laser. Par effet de moyennage, plus le rapport entre la vitesse de rotation de la seconde portion 9 et la vitesse d'acquisition du détecteur 25 est élevé (voir montage en Figure 5), plus les variations de flux en sortie de sphère 3 causées par le speckle sont faibles. On note que même avec des vitesses de rotation inférieures à celles de l'art antérieur, on obtient une suppression du speckle. La mesure du speckle du faisceau 11 en sortie du dispositif 1 peut être réalisée avec différents montages. Par exemple, le montage en Figure 5 comprend une source 17 laser qui émet un faisceau 11 laser monochromatique vers un collimateur 23. Le faisceau 11 traverse le dispositif 1 et un objectif 24 réalise l'image de l'état du faisceau 11 en sortie du port 4, 4' de sortie du dispositif 1. L'objectif 24 réalise l'image du port de sortie sur un détecteur 25. Lorsque la seconde 9 portion n'est pas mise en rotation, l'intensité lumineuse du faisceau 11 en fonction de la longueur d'onde n'est pas uniforme et présente des granulosités (points noirs). Cette granulosité est due à l'effet speckle. Ceci est visible en Figure 6, qui représente l'image vue par le détecteur 25 à un instant t, avant correction. En outre, l'intensité lumineuse varie temporellement. Après mise en rotation de la seconde 9 portion, le speckle diminue et est même supprimé (Figure 7) ce qui permet d'obtenir une intensité lumineuse uniforme et stable temporellement. Le faisceau laser issu du dispositif 1 peut être utilisé dans de 5 nombreuses applications. Par exemple, on peut mettre en oeuvre un procédé de calibration d'un instrument optique, comme par exemple la calibration d'un spectromètre. Ce type de calibration nécessite un faisceau laser qui présente un flux uniforme spatialement et angulairement, dont le flux soit stable 10 temporellement, et qui soit reproductible, ce qui est le cas du faisceau issu du dispositif 1. Comme on peut le constater, le dispositif permet une suppression du speckle via une solution intégrée, simple, efficace, et aisée à mettre en oeuvre. 15 Le rapport entre la fréquence de rotation de la partie 9 mobile et la fréquence d'acquisition est réduit. Enfin, la rotation de la partie mobile de la sphère ne fait pas perdre plus de flux qu'une sphère équivalente ne comprenant pas le dispositif de suppression de speckle tel que décrit. 20 REVENDICATIONS1. Dispositif (1) optique comprenant : une sphère (3) creuse comprenant o au moins un port (2) d'entrée, pour l'entrée d'un faisceau (11) lumineux dans la sphère (3); o une surface (10) interne réfléchissante et diffusante, pour la réflexion du faisceau (11) lumineux à l'intérieur de la sphère (3); o au moins un port (4) de sortie, pour la sortie du faisceau (11) lumineux de la sphère (3); caractérisé en ce que : la sphère (3) comprend au moins : o une première portion (8) de sphère, et o une seconde portion (9) de sphère, distincte de la première portion (8) et mobile en rotation. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un moteur (13) connecté à la seconde portion (9) de sphère afin de lui transmettre une rotation. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la première portion (8) de sphère et la seconde portion (9) de sphère sont centrées l'une par rapport à l'autre. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel : - la première portion (8) de sphère porte un port d'entrée et de sortie ; - la seconde (9) portion de sphère s'étend jusqu'à une position adjacente à ce port. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la seconde (9) portion de sphère se trouve en face du port (4) de sortie. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant un boîtier (19) dans lequel sont intégrés ses différents éléments, des ports (2', 4') d'entrée et de sortie étant pratiqués dans le boîtier (19). 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant en outre une unité (27) de contrôle configurée pour contrôler des paramètres de rotation de la seconde (9) portion de sphère. 8. Procédé de réduction du speckle d'un faisceau (11) lumineux par 10 l'intermédiaire d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant les étapes consistant à: - émettre un faisceau (11) laser vers le dispositif (1), - mettre en rotation la seconde (9) portion de sphère, de sorte à réduire le speckle du faisceau (11) laser en sortie de la sphère (3). 15 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant une application consistant à calibrer un instrument optique à partir du faisceau (11) laser issu du dispositif (1). 20 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, consistant à mettre en rotation la seconde (9) portion de sphère à une vitesse permettant de supprimer le speckle du faisceau (11) laser en sortie de la sphère (3).