Brevet FR3033884A1 — publié le 20160923

DISPOSITIF INTÉGRÉ DE TOMOGRAPHIE EN OPTIQUE COHÉRENTE Domaine La présente demande concerne la tomographie en optique cohérente. Exposé de l'art antérieur La figure 1 illustre le principe d'une opération de tomographie en optique cohérente. Etant donné un milieu à étudier 1, un faisceau lumineux partiellement cohérent Li est envoyé vers ce milieu, sous la forme d'une onde plane ou en focalisant cette même onde sur la zone à tester via un système optique convergent. Cette émission génère une série de réflexions ou de diffusions R1, R2, R3, R4 à partir d'éléments inhomogènes du milieu 1. Contrairement à ce qui est représenté, on considère des faisceaux R1, R2, R3, R4 qui sont tous renvoyés normalement à la surface supérieure 3 du milieu 1. On détermine alors la différence de marche entre les faisceaux R1, R2, R3, R4, en faisant interférer un faisceau de référence avec les faisceaux R1, R2, R3, R4. Si la source optique utilisée est faiblement cohérente, le faisceau incident Li est une série aléatoire d'impulsions de lumière de brève durée. La taille des impulsions est inversement proportionnelle à la largeur spectrale de la source optique. Avec ce type d'émission et en s'intéressant à la série de réflexions issue d'une des impul- 3033884 2 sions émises, on obtient une figure d'interférence du type de celle illustrée en figure 2. Le milieu à analyser peut être un milieu vivant, par exemple la rétine de l'oeil ou le derme, les différentes réflexions correspondant par exemple à des zones 5 d'anomalies, par exemple des zones cancéreuses. Comme l'illustre la figure 2, l'interférogramme entre le faisceau de référence et les faisceaux R1, R2, R3, R4 comporte successivement la figure d'interférence Fi entre le faisceau de référence et le faisceau R1, la figure d'interfé- 10 rence F2 entre le faisceau de référence et le faisceau R2, la figure d'interférence F3 entre le faisceau de référence et le faisceau R3, et la figure d'interférence F4 entre le faisceau de référence et le faisceau R4. Chacune de ces figures d'interférence correspond à une "bouffée de franges". Les distances d1,2, 15 d1,3, d1,4 entre les sommets des enveloppes des figures d'interférence F2, F3 et F4 et le sommet de l'enveloppe de la figure d'interférence Fi sont représentatives des distances entre les plans de chacune des réflexions R2, R3, R4 et le plan de la première réflexion Ri. A chaque différence de chemin optique 20 nulle, les impulsions considérées se recouvrent temporellement pour produire une figure d'interférence. La figure 3 reproduit la figure 4 de la demande de brevet PCT W02007/017588. Cette demande de brevet vise un spectrographe (un interféromètre) à ondes contra-propagatives. Le dispositif comprend, sur un substrat 10, un guide d'onde en forme de boucle 11 ouverte vers deux entrées 12a et 12b. Cette demande de brevet expose que, si on envoie des signaux identiques sur les entrées 12a et 12b, on obtient au niveau où les deux ondes se rencontrent un interférogramme dont l'allure est représentée par la courbe 15. Il est exposé que, si on veut analyser l'interférogramme, cela est très difficile à faire directement au niveau du guide d'onde courbe, le pas des franges de l'interférogramme étant égal à la demi-longueur d'onde X/2 dans le milieu considéré (X = X0/n), XO étant la longueur d'onde centrale du spectre large de la source optique caractérisant le 3033884 3 faisceau émis et n étant l'indice effectif caractérisant le mode du guide d'onde monomode intégré. Il est donc proposé de coupler au guide d'onde courbe 11 un guide d'onde plan 16 dont une partie épouse sensiblement la forme du guide d'onde 11. Ainsi, 5 on observe au niveau d'une face de sortie 17 du guide d'onde plan un interférogramme agrandi 18 dont l'allure peut être observée par un capteur 19, par exemple une barrette de pixels placée au bout du guide plan. Dans cette demande de brevet, le dispositif est 10 destiné à être utilisé uniquement comme spectromètre. Même dans cette application, il présente divers inconvénients parmi lesquels on peut mentionner les deux suivants. - Au niveau de la face de sortie 17 du guide d'onde plan, l'interférogramme 19 n'est pas parfaitement périodique. La 15 distance entre les franges augmente quand on s'éloigne du centre de l'interférogramme. En effet, le front d'onde de l'onde se propageant dans le guide d'onde plan est courbe. L'intersection de ce front d'onde courbe sur la sortie plane du guide d'onde plan est donc déformée. 20 - Les franges d'interférence sont extrêmement serrées. Leur possible caractérisation dépend de la longueur du guide plan, du nombre et de la taille des pixels de la caméra utilisée. Si on utilise un guide plan assez court, l'agrandissement sera faible induisant un interférogramme peu large mais avec 25 une période des franges faible, ce qui oblige à avoir une barrette à haute définition pour les analyser. Si on utilise un grand guide plan, l'agrandissement résoudra le problème de l'échantillonnage précédent mais l'interférogramme risque d'être cette fois-ci trop large pour analyser l'ensemble des 30 franges de période bien plus grande. Il n'est donc en pratique pas possible d'analyser des interférogrammes correspondant à des faisceaux présentant entre eux des différences de marche importantes supérieures au mm en utilisant des caméras et des tailles de substrat standard. 3033884 4 Résumé Un objet de la présente invention est de prévoir un dispositif en optique intégrée permettant de fournir et d'analyser avec précision un spectrogramme du type de celui illustré 5 en figure 2, pour des différences de marche importantes entre faisceaux réfléchis. La présente invention se base sur une analyse détaillée du fonctionnement du spectromètre décrit précédemment et propose diverses solutions pour en éliminer des défauts et pour 10 pouvoir l'utiliser en tomographe. Ainsi, un mode de réalisation prévoit un dispositif intégré de tomographie en optique cohérente à faible cohérence comprenant deux guides d'onde rectilignes convergents adaptés à recevoir respectivement un faisceau de référence et un faisceau 15 en provenance d'un milieu à étudier ; un guide d'onde plan dont une partie borde les deux guides d'onde rectilignes convergents en relation de couplage évanescent avec ceux-ci ; et un moyen de détection disposé au voisinage de la zone de recouvrement des ondes évanescentes se propageant dans le guide d'onde plan. 20 Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un réseau optique disposé au voisinage de la zone de recouvrement, en amont du moyen de détection. Selon un mode de réalisation, le couplage entre chacun des guides d'onde rectilignes et la partie de guide d'onde plan 25 en vis-à-vis est choisie pour que au moins 90 % de l'onde soit transférée dans le guide d'onde plan. Selon un mode de réalisation, le réseau est constitué d'un réseau de trous orthogonaux au plan principal du guide d'onde plan. 30 Selon un mode de réalisation, le réseau est constitué d'un réseau de lignes métalliques orthogonales au plan principal du guide d'onde plan à l'extrémité de celui-ci ou entre deux portions successives de guides d'onde plan. 3033884 5 Brève description des dessins Ces 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 5 relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, représente le schéma optique d'un tomographe ; la figure 2 représente un interférogramme ; la figure 3 correspond à la figure 4 de la demande de 10 brevet PCT FR2006/001908 ; la figure 4 représente le spectromètre de la figure 3 modifié pour pouvoir fonctionner en tomographe ; la figure 5 représente un interférogramme ; et la figure 6 représente un mode de réalisation d'un 15 tomographe intégré avec une source partiellement cohérente. Description détaillée Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés ici. 20 Dans le présent texte, sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près. Si on envoyait dans l'interféromètre de la figure 3 sur l'entrée 12a un faisceau de référence, et sur l'entrée 12b 25 la partie réfléchie illustrée par les faisceaux R1, R2, R3, R4 de la figure 1, on obtiendrait une figure d'interférence du type de celle de la figure 2. Dans cette figure d'interférence, la fo= des "bouffées de franges" correspond au fait que chaque impulsion Li incidente interfère avec les réflexions R1, R2, R3 30 et R4 de la même impulsion. La largeur de ces bouffées de franges est toujours liée à la durée des impulsions. Cette largeur est d'autant plus faible que les impulsions sont courtes. De plus, comme on l'a rappelé précédemment, le pas des franges de l'interférogramme 15 est égal à la longueur d'onde 35 X0/2n, X0 étant la longueur d'onde centrale du paquet d'onde 3033884 6 dont la transformée de Fourier est une impulsion d'autant plus brève que le spectre de départ est large. Conformément au théorème de Shannon, pour analyser un système de franges et recueillir une information utile, il faut 5 échantillonner (spatialement) à un taux d'au moins deux points par franges. En pratique, on choisit un taux d'échantillonnage d'environ 5 à 6 points par frange. Ainsi, si X = 0,5 pin, pour analyser un interférogramme d'une étendue de 2000 franges, c'est-à-dire d'une différence de marche extrême de 1 mm, il 10 faudrait en pratique utiliser une barrette de détecteurs de dix à douze mille pixels. Dans le cas de la tomographie, contrairement au cas de la spectrométrie, ce n'est pas l'analyse des franges qui nous intéresse mais, comme on l'a indiqué précédemment, la distance 15 entre les centres des enveloppes des bouffées de franges (les distances d1,2, d1,3, d1,4 de la figure 2) et on cherche à mesurer des distances relativement importantes, c'est-à-dire des distances correspondant à des différences de marche allant de 1 mm à 1 cm. Avec le système de la figure 3, pour une différence 20 de marche de l'ordre du cm, il faudrait en pratique utiliser une barrette de détecteurs de plus de cent mille pixels, ce qui est prohibitif. Pour améliorer le système de la figure 3, on peut utiliser un dispositif tel que celui de la figure 4. 25 La figure 4 comprend les mêmes éléments que ceux de la figure 3 désignés par les mêmes références. Elle comprend en outre un réseau optique courbe 30 qui épouse la forme du front d'onde. On pourrait aussi prévoir un réseau droit de lignes métalliques perpendiculaires au plan de la figure légèrement 30 apériodique (déphasage constant entre deux rayons arrivant sur deux lignes successives). Ce réseau peut par exemple être constitué d'une série de perforations formées dans le guide d'onde plan. Un tel réseau fait que les rayons qui le traversent sortent selon un angle moins grand que les faisceaux entrants. 35 il en résulte, comme on l'expliquera dans le cadre du dispositif 3033884 7 de la figure 6 et comme l'illustre la figure 5, que les enveloppes des franges restent inchangées et que la distance interfranges augmente et n'est plus égale à X/2n mais qu'elle devient égale à G(X/2n), G étant un facteur d'agrandissement que 5 l'on peut fixer pour exploiter au mieux les pixels de la caméra choisie. Ainsi, on obtient des franges qui sont par exemple trois fois moins serrées que celles obtenues avec un dispositif du type de celui de la figure 3. En conséquence, pour retrouver l'enveloppe de la figure d'interférence, il faudra dans cet 10 exemple trois fois moins de points d'analyse que dans le cas de la figure 3. Ceci augmente donc les distances que l'on peut mesurer entre les surfaces réfléchissantes, d'un facteur 3 dans l'exemple donné précédemment, en utilisant une même barrette de détection. 15 Le dispositif représenté en figure 4 présente toute- fois encore des inconvénients. D'une part, il est difficile à réaliser étant donné la nécessité de former un réseau courbe (ou un réseau apériodique). D'autre part, il présente toujours l'inconvénient exposé précédemment que l'intervalle entre les 20 franges au niveau de la surface d'analyse n'est pas constant (les franges sont plus serrées au centre qu'en périphérie). La figure 6 représente un mode de réalisation intégré d'un tomographe en optique cohérente à faible cohérence. Ce tomographe est réalisé sur un support non représenté sur lequel 25 sont formés deux guides d'onde rectilignes convergents 41 et 42 munis d'entrées respectives 43 et 44 et un guide d'onde plan 46. L'entrée 43 est destinée à recevoir un faisceau de référence et l'entrée 44 un faisceau provenant d'un milieu analysé, comme cela a été décrit en relation avec la figure 1. Le guide d'onde 30 plan 46 présente des faces 48 et 49 en regard de chacun des deux guides convergents 41 et 42. La distance entre les faces 48 et 49 et les guides d'onde respectifs 41 et 42 est choisie pour que la lumière se propageant dans ces guides d'onde soit extraite par un phénomène d'onde évanescente. De plus, on choisira de 35 préférence le couplage entre les faces 48 et 49 du guide d'onde 3033884 8 plan et les guides d'onde 41 et 42 pour que l'onde envoyée dans chacun des guides 41 et 42 soit transférée à plus de 90 % dans le guide d'onde plan 46 avant que cette onde n'atteigne le point de convergence des guides 41 et 42. 5 Les rayons lumineux couplés par onde évanescente quittent les parties inclinées 48, 49 du guide d'onde plan 46 en faisant un angle 9 avec le guide rectiligne considéré. La longueur du guide plan est choisie pour qu'il y ait recouvrement entre le faisceau provenant du guide d'onde de gauche dans la 10 figure et du guide d'onde de droite dans la figure. Ainsi, une figure d'interférence se construit à l'emplacement du recouvrement de ces faisceaux. Si les guides d'onde convergents font un angle 2a entre eux, les faisceaux dans le guide plan forment entre eux un angle 20, tel que 0 = - 9. 15 Le pas de l'interférogramme résultant sera alors égal à X/2nsine, 0 étant le demi-angle entre les faisceaux en interférence. Dans le cas d'ondes contra-propagatives, 0 est égal à 900 et sine = 1, les franges sont donc particulièrement serrées (pas des franges égal à X/2n qui est la taille minimum des 20 franges accessibles). Dans le cas de la figure 6 où sine est par exemple 0,1, le pas des franges sera égal à 10X. On pourra alors obtenir des mesures tout aussi précises que précédemment en utilisant dix fois moins de pixels de détection. En insérant un réseau 50 entre la caméra 52 placée au 25 bout du guide plan 46 et la zone de découplage des guides 48 et 49, on pourra diminuer encore l'angle 0 pour réduire encore le pas de franges sans modifier la forme - ni réduire la taille - de l'enveloppe des "bouffées de franges". Le réseau peut être constitué d'un réseau de trous de diamètre suffisamment petit ou 30 par l'ajout d'un réseau de lignes métalliques orthogonales au plan principal du guide d'onde plan à l'extrémité de celui-ci ou entre deux portions successives de guides d'onde plan. La conséquence de ce mécanisme est de réduire le nombre de pixels par bouffée de franges et ainsi augmenter la différence de 35 chemin optique analysable. On passe de la courbe de la figure 2 3033884 9 à celle de la figure 5. Si on réduit d'un facteur 10 le nombre de franges sans modification de l'enveloppe, on pourra diviser par 10 le nombre de pixels sur la figure 5 et utiliser les pixels restants pour analyser des parties adjacentes de 5 l'interférogramme non visualisées sur la figure 2. Cet élément est essentiel pour permettre d'analyser des profondeurs allant jusqu'au centimètre. Un autre avantage du dispositif de la figure 6 est que, au niveau de la face de sortie 17 du guide d'onde plan de 10 la figure 3, l'interférogramme n'est pas parfaitement périodique (projection d'un front d'onde courbe sur un front d'onde plan). Dans le cas de la figure 6, les fronts d'onde dans le guide étant plans, la distance entre franges est constante. REVENDICATIONS1. Dispositif intégré de tomographie en optique cohérente à faible cohérence comprenant : deux guides d'onde rectilignes convergents (41, 42) adaptés à recevoir respectivement un faisceau de référence et un 5 faisceau en provenance d'un milieu à étudier ; un guide d'onde plan (46) dont une partie (48, 49) borde les deux guides d'onde rectilignes convergents en relation de couplage évanescent avec ceux-ci ; et un moyen de détection (52) disposé au voisinage de la 10 zone de recouvrement des ondes évanescentes se propageant dans le guide d'onde plan. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre un réseau optique (50) disposé au voisinage de la zone de recouvrement, en amont du moyen de détection. 15 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le couplage entre chacun des guides d'onde rectilignes et la partie de guide d'onde plan en vis-à-vis est choisie pour que au moins 90 % de l'onde soit transférée dans le guide d'onde plan. 20 4. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le réseau est constitué d'un réseau de trous orthogonaux au plan principal du guide d'onde plan. 5. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le réseau est constitué d'un réseau de lignes métalliques ortho- 25 gonales au plan principal du guide d'onde plan à l'extrémité de celui-ci ou entre deux portions successives de guides d'onde plan.