Brevet FR3085213A1 — publié le 20200228

SYSTEME OPTIQUE Domaine technique L'invention se rapporte au domaine technique de l'injection de lumière dans un guide d'onde. L'invention trouve notamment son application dans : - la fabrication d'écrans plats pour les ordinateurs ou les téléviseurs, - l'éclairage de grandes surfaces, - les capteurs spectroscopiques tels que les capteurs de fluide (e.g. un gaz), les capteurs de particules et les capteurs biologiques. Etat de la technique antérieure Un système optique connu de l'état de la technique notamment du document WO 2013/139721, comporte : - une source lumineuse, adaptée pour émettre un rayonnement électromagnétique ; - un guide d'onde, adapté pour guider le rayonnement électromagnétique suivant une direction de guidage, et présentant une entrée ; - un dispositif d'injection, adapté pour injecter le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse à l'entrée du guide d'onde. Le dispositif d'injection comporte : - un miroir parabolique ou une lentille optique, la source lumineuse étant disposée au foyer du miroir parabolique ou au foyer de la lentille optique de manière à obtenir un rayonnement électromagnétique parallèle à la direction de guidage ; - une surface de réception, agencée pour dévier par réfraction le rayonnement 25 électromagnétique parallèle vers l'entrée du guide d'oncle. Un tel système optique de l'état de la technique permet d'améliorer significativement l'injection de lumière lorsque le guide d'onde est faiblement épais (i.e. une épaisseur inférieure ou égale à 1 mm) et lorsque la source lumineuse possède un faisceau d'émission très ouvert (e.g. une diode électroluminescente). 30 Toutefois, un tel système optique de l'état de la technique n'est pas entièrement satisfaisant dans la mesure où il combine deux types de composants optiques (i.e. miroir parabolique ou lentille optique et surface de réception), entraînant une certaine complexité dans le dispositif d'injection, ce qui peut être préjudiciable pour certaines applications. 2 Exposé de l'invention L'invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, l'invention a pour objet un système optique, comportant : - une source lumineuse, adaptée pour émettre un rayonnement électromagnétique ; 5 - un guide d'onde, adapté pour guider le rayonnement électromagnétique suivant une direction de guidage, et présentant une entrée ; - un dispositif d'injection, adapté pour injecter le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse à l'entrée du guide d'onde ; remarquable en ce que le dispositif d'injection est constitué d'un unique dioptre conçu 10 pour focaliser le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse à l'entrée du guide d'onde. Ainsi, un tel système optique selon l'invention permet d'obtenir une injection de lumière satisfaisante lorsque le guide d'onde est faiblement épais (i.c. une épaisseur inférieure (Du égale 15 à 1 mm) et lorsque la source lumineuse possède un faisceau d'émission très ouvert (e.g. une diode électroluminescente), et ce tout en simplifiant significativement le dispositif d'injection par rapport à l'état de la technique, le dispositif d'injection étant constitué d'un seul et unique dioptre. Définitions 20 - Par «constitué », on entend que la présence dans le dispositif d'injection de tout autre élément optique que le seul et unique dioptre est exclue, par exemple la présence de lentilles optiques, miroirs ou autres réflecteurs. - Par « dioptre », on entend une surface séparant deux milieux d'indices de réfraction différents. - Par « focaliser », on entend le fait de concentrer des rayons lumineux émis par la source lumineuse en un point du guide d'onde. Le système optique selon l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes. Selon une caractéristique de l'invention, le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse possède une longueur d'onde, notée '4, et l'unique dioptre présente une portion s'étendant suivant une direction perpendiculaire à la direction de guidage, ladite portion ayant une dimension supérieure Ou égale à 10 X. 3 Ainsi, un avantage procuré est d'autoriser une propagation multimode du rayonnement électromagnétique dans le guide d'onde. Selon une caractéristique de l'invention, l'unique dioptre s'étend à l'entrée du guide 5 d'onde. Ainsi, un avantage procuré est d'autoriser une continuité d'indice de réfraction entre le dioptre et le guide d'onde, en l'absence d'un gel, colle ou autre additif. Selon une caractéristique de l'invention, l'unique dioptre est fixé à l'entrée du guide 10 d'onde par collage Ou soudage. Ainsi, un avantage procuré est de faciliter le montage de l'unique dioptre sur le guide d'onde. Selon une caractéristique de l'invention, l'unique dioptre et le guide d'onde sont 15 monobloc. Ainsi, un avantage procuré est d'assurer une excellente continuité d'indice de réfraction entre le dioptre et le guide d'onde. Selon une caractéristique de l'invention, l'unique dioptre est réalisé dans un matériau 20 choisi parmi le polyméthacrylate de méthyle, le polycarbonate, un verre. Ainsi, un avantage procuré par de tels matériaux est d'être transparent dans le domaine visible. En outre, le polyméthacrylate de méthyle et le polycarbonate permettent de fabriquer l'unique dioptre par moulage. 25 Selon une caractéristique de l'invention, la source lumineuse est lambertienne. Selon une caractéristique de l'invention, le guide d'onde est choisi parmi un guide planaire et un guide cylindrique. 30 Selon une caractéristique de l'invention, l'unique dioptre présente une forme géométrique définie par les équations suivantes : fo - Y ± tan [arctan(y') - arcsinel/n2sin (arctan(y') + arctan (c+y)))1 y(0) = 4 y(0) n2 -1 nidi nfo2) où : - x et y désignent respectivement l'abscisse et l'ordonnée de Punique dioptre dans un plan muni d'un repère cartésien ; 5 - y' et y" désignent respectivement la dérivée première et la dérivée seconde de y ; - tan, arctan, sin, arcsin désignent respectivement les fonctions tangente, arc tangente, sinus et arc sinus ; - n, et ni, désignent les indices de réfraction des deux milieux séparés par l'unique dioptre, n1 étant l'indice de réfraction du milieu contenant la source lumineuse, n2 étant l'indice de 10 réfraction du milieu contenant le guide d'onde ; - d désigne la distance séparant la source lumineuse de l'origine du repère cartésien ; - fi désigne la distance séparant l'entrée du guide d'onde de l'origine du repère cartésien. Ainsi, un avantage procuré par une telle forme géométrique du dioptre est d'autoriser la focalisation des rayons lumineux émis par une source ponctuelle lambertienne à l'entrée du 15 guide d'onde, et ce sans la présence d'élément optiques additionnels. En outre, des simulations numériques ont montré les propriétés suivantes du dioptre : (i) le principe du retour inverse de la lumière est bien vérifié, (ii) la focalisation est vérifiée en faisant varier la position de la source lumineuse sur l'axe optique (entre -50% et 40% par rapport à la position initiale, située à la distance d de l'origine 20 du repère cartésien), (iii) la focalisation est également vérifiée pour une source étendue lambertienne, lorsque l'extension est inférieure à 20% de la distance d, (iv) le fait de rapprocher la source lumineuse du dioptre (i.e. lorsque d tend vers 0) permet d'augmenter l'angle solide intercepté par le dioptre et par là-même d'augmenter le flux 25 lumineux dans le guide d'onde. Selon une caractéristique de l'invention, le ratio d/tR, est inférieur ou égal à 0,5. Ainsi, un avantage procuré est d'augmenter significativement l'angle solide intercepté par le dioptre. 30 Selon une caractéristique de l'invention, le ratio n,/ni est supérieur ou égal à 1,5. Ainsi, un avantage procuré est d'augmenter significativement l'angle solide intercepté par le dioptre. 5 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l'exposé détaillé de différents modes de réalisation de l'invention, l'exposé étant assorti d'exemples et de références aux dessins joints. 5 Figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un système optique selon l'invention, illustrant un mode de réalisation de l'unique dioptre. Figure 2 est un graphique illustrant les paramètres d'un système optique selon l'invention dans un repère cartésien. Figure 3 est un graphique illustrant, à l'aide d'un tracé de rayons, un système optique selon 10 l'invention avec un unique dioptre focalisant le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse à l'entrée du guide d'onde. Figure 4 est un graphique représentant en abscisses le ratio entre d (distance séparant la source lumineuse de l'origine du repère cartésien illustré à la figure 2) et fo (distance séparant l'entrée du guide d'onde de l'origine du repère cartésien illustré à la figure 2), et en ordonnées 15 l'angle maximal (0,'',, illustré à la figure 2) intercepté par le dioptre, et ce pour différents ratio n2/1-fi correspondant aux indices de réfraction des deux milieux séparés par l'unique dioptre. Figure 5 est un graphique représentant en abscisses la position relative de la source lumineuse (« 1 » étant la position initiale de la source lumineuse, située à la distance d de l'origine du repère cartésien), et en ordonnées le pourcentage du flux lumineux émis par la 20 source lumineuse qui est focalisé à l'entrée du guide d'onde. Les données de la figure 5 sont issues de simulations numériques. Figure 6 est un graphique représentant en abscisses la position relative de la source lumineuse (« 1 » étant la position initiale de la source lumineuse, située à la distance d de l'origine du repère cartésien), et en ordonnées le diamètre (en mm) de la tache focale du 25 rayonnement électromagnétique à l'entrée du guide d'onde. Les données de la figure 6 sont issues de simulations numériques. Exposé détaillé des modes de réalisation Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références 30 pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification. Comme illustré à la figure 1, un objet de l'invention est un système optique 1, comportant : - une source lumineuse S, adaptée pour émettre un rayonnement électromagnétique ; 6 - un guide d'onde 2, adapté pour guider le rayonnement électromagnétique suivant une direction de guidage, et présentant une entrée L ; - un dispositif d'injection 3, adapté pour injecter le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse S à l'entrée E du guide d'onde 2 ; 5 Le dispositif d'injection 3 est constitué d'un unique dioptre 30 conçu pour focaliser le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse S à l'entrée E du guide d'onde 2. Source lumineuse La source lumineuse S est préférentiellement lambertienne, c'est-à-dire que la luminance 10 de la source lumineuse S est préférentiellement identique dans toutes les directions d'émission. La source lumineuse S peut être une source ponctuelle ou une source étendue. Le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse S possède une longueur d'onde, notée n, préférentiellement comprise entre 380 nm et 780 nm (domaine visible). Toutefois, d'autres longueurs d'onde sont envisageables, par exemple dans le proche 15 infrarouge (780 nm - 3 Rm) ou dans le proche ultra-violet (315 mn - 380 nm). Pour l'application concernant la fabrication de capteurs spectroscopiques, la longueur d'onde de la source lumineuse S est préférentiellement dans le domaine infrarouge - 10 pn). A titre d'exemple non limitatif, la source lumineuse S peut être une diode électroluminescente. La source lumineuse S peut présenter une surface d'émission supérieure 20 ou égale à imm2. La source lumineuse S peut présenter un faisceau d'émission très ouvert (supérieur à ±30° à partir de l'axe optique, par exemple ±60° à partir de l'axe optique). Guide d'onde Le guide d'onde 2 est avantageusement choisi parmi un guide planaire et un guide cylindrique. Le guide d'onde 2 peut être réalisé sous la forme d'un film mince. Le guide 25 d'onde 2 peut être également réalisé sous Li forme d'une fibre optique. Le guide d'onde 2 présente avantageusement une épaisseur inférieure ou égale à 5 mm. Le guide d'onde 2 est avantageusement réalisé dans un matériau transparent dans le domaine visible, le matériau étant préférentiellement choisi parmi le polyméthacrylate de méthyle, le polycarbonate, un verre. Le verre est préférentiellement un verre borosilicate. De manière générale, le guide 30 d'onde 2 est avantageusement réalisé dans un matériau transparent à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse S. 7 Dioptre Le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse S possède une longueur d'onde, notée X. L'unique dioptre 30 présente avantageusement une portion 300 s'étendant suivant une direction perpendiculaire à la direction de guidage, ladite portion 300 ayant une 5 dimension D supérieure ou égale à 10 X. L'unique dioptre 30 s'étend avantageusement à l'entrée E du guide d'onde 2. L'unique dioptre 30 peut être fixé à l'entrée E du guide d'onde 2 par collage ou soudage. Selon une alternative, l'unique dioptre 30 et le guide d'onde 2 sont monobloc, par exemple par moulage. 10 L'unique dioptre 30 est avantageusement réalisé dans un matériau transparent dans le domaine visible, le matériau étant de préférence choisi parmi le polyméthacrylate de méthyle, le polycarbonate, un verre. Le verre est préférentiellement un verre borosilicate. De manière générale, l'unique dioptre 3 est avantageusement réalisé dans un matériau transparent à la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse S. 15 Lorsque la source lumineuse S est lambertienne, l'unique dioptre 30 présente avantageusement une forme géométrique définie par les équations suivantes : X tan [arctan(y) - arcsin el /n2 sin (arctan(y) + arctan (c±y)))1 (1.2) y(0) = 0 (1.3) y"(0) = n2 -1 ni (ndi + nfo2 ) 20 on : - x et y désignent respectivement l'abscisse et l'ordonnée de l'unique dioptre 30 dans un plan muni d'un repère cartésien - y' et y" désignent respectivement la dérivée première et la dérivée seconde de y ; - tan, arctan, sin, arcsin désignent respectivement les fonctions tangente, arc tangente, 25 sinus et arc sinus ; - ni et n2 désignent les indices de réfraction des deux milieux séparés par l'unique dioptre 30, ni étant l'indice de réfraction du milieu contenant la source lumineuse S, nz étant l'indice de réfraction du milieu contenant le guide d'onde 2 ; - d désigne la distance séparant la source lumineuse S de l'origine O du repère cartésien ; 30 - fi désigne la distance séparant l'entrée E du guide d'onde 2 de l'origine O du repère cartésien. (1.1) fo - y + S L'équation (1.1) provient de relations trigonométriques en combinaison avec la loi de Snell-Descartes, les paramètres de l'équation (1.1) étant illustrés à la figure 2. L'équation (1.2) établit une condition aux limites, l'unique dioptre 30 s'étendant à partir de l'origine (D du repère cartésien. , 5 L'équation (1.3) établit une nouvelle condition aux limites, provient d'un développement limité à l'ordre 2 de la fonction y(x) -théorème de Taylor-. Des simulations numériques avec tracé de rayons (un exemple est illustré à la figure 3) montrent qu'il est possible de définir une forme géométrique du dioptre 30 permettant de focaliser le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse S lambertienne à 10 l'entrée L du guide d'onde 2. En outre, les simulations numériques montrent les propriétés suivantes du dioptre 30 : (i) le principe du retour inverse de la lumière est bien vérifié, (ii) la focalisation est vérifiée en faisant varier la position de la source lumineuse S sur l'axe optique (entre -50% et 40% par rapport à la position initiale, située à la distance d de l'origine 15 du repère cartésien), (iii) la focalisation est également vérifiée pour une source lumineuse S étendue lambertienne lorsque l'extension est inférieure à 20% de la distance d, (iv) le fait de rapprocher la source lumineuse S du dioptre 30 (i.e. lorsque d tend vers 0) permet d'augmenter l'angle solide intercepté par le dioptre 30 et par là-même d'augmenter le 20 flux lumineux dans le guide d'onde 2. La propriété (ii) est illustrée aux figures 5 et 6. Comme illustré à la figure 6, des simulations numériques montrent que la tache focale du rayonnement électromagnétique à l'entrée du guide d'onde 2 présente un diamètre de 0,04 mm pour la position initiale de la source lumineuse S, située à la distance d de l'origine du repère cartésien. Le diamètre de la 25 tache focale demeure inférieur à 0,26 mm lorsque l'on fait varier la position de la source lumineuse S sur l'axe optique, entre -50% et 40% par rapport à la position initiale. Comme illustré à la figure 5, des simulations numériques montrent que le pourcentage du flux lumineux émis par la source lumineuse S qui est focalisé à l'entrée du guide d'onde 2 est de l'ordre de 22% pour la position initiale de la source lumineuse S, située à la distance d de 30 l'origine du repère cartésien. Le pourcentage du flux lumineux demeure supérieur à 16% lorsque l'on fait varier la position de la source lumineuse S sur l'axe optique, entre -50% et 40% par rapport à la position initiale. Une forme géométrique du dioptre 30, définie par les équations (1.1), (1.2) et (1.3) peut également être définie avec des indices de réfractions ni, n, négatifs, et permet également de 35 focaliser le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse S lambertienne à 9 l'entrée E du guide d'onde 2. De tels indices de réfraction négatifs peuvent avoir une réalité physique si l'on choisit des matériaux, séparés par le dioptre 30, qui sont des métamatériaux, par exemple des métamatériaux dits main gauche. Les métamatériaux sont avantageusement utilisés lorsque le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse S présente 5 une gamme de fréquences comprise entre 3 MIL et 50 'Ma. En effet, les métamatériaux sont plus faciles à fabriquer à cette gamme de fréquences. Cette gamme de fréquences couvre ainsi : - les domaines HF, VHF, UHF, ST-IF allant de 3 Mf-Ta à 30 GHz, également appelé domaine radar en raison des applications, 10 - le domaine EHF, également appelé hyperfréquences (30 GHz à 300 GHz), - le domaine terahertz (300 GHz à 20 TI-Ta) - le domaine infrarouge lointain (20 TITz à 50 TITz). Les métamatériaux peuvent être fabriqués dans des structures photoniques -ou cristaux photoniques- comportant des résonateurs magnétiques formés par des anneaux métalliques 15 couplés. L'indice de réfraction d'un métamatériau s'entend comme un indice effectif (négatif) d'un milieu effectif. Pour ce faire, les structures photoniques formant les métamatériaux sont considérées comme un milieu effectif. L'approche de milieu effectif nécessite que les structures photoniques présentent une dimension caractéristique plus petite que la longueur d'onde de la source lumineuse S. 20 Comme illustré à la figure 4, le ratio di/f0 est avantageusement inférieur ou égal à 0,5 de manière à augmenter significativement l'angle solide intercepté par le dioptre 30. De la même façon, comme illustré à la figure 4, le ratio n>/ni est avantageusement supérieur ou égal à 1,5 de manière à augmenter significativement l'angle solide intercepté par 25 le dioptre 30. Application : capteur spectroscopique Le système optique 1 peut être connecté à un coupleur ou à un multiplexeur (e.g. de type AWG « Arrayed inveeide Gratis » en langue anglaise) pour la fabrication d'un capteur de gaz. La mesure pourra s'effectuer par des techniques photo-acoustiques. 30 En ce qui concerne la fabrication d'un capteur de particules, le guide d'onde 2 du système optique 1 peut être muni d'un orifice adapté pour recevoir les particules. En ce qui concerne la fabrication d'un capteur biologique, le guide d'onde 2 du système optique 1 (préférentiellement réalisé en nitrure de silicium) peut être orienté vers des zones de tissus à analyser. 10 L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation exposés. L'homme du métier est mis à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, REVENDICATIONS1. Système optique (1), comportant : - une source lumineuse (S), adaptée pour émettre un rayonnement électromagnétique ; - un guide d'onde (2), adapté pour guider le rayonnement électromagnétique suivant une direction de guidage, et présentant une entrée (E) - un dispositif d'injection (3), adapté pour injecter le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse (S) à l'entrée (E) du guide d'onde (2) ; caractérisé en ce que le dispositif d'injection (3) est constitué d'un unique dioptre (30) 10 conçu pour focaliser le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse (S) à l'entrée (E) du guide d'onde (2). 2. Système optique (1) selon la revendication 1, dans lequel le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse (S) possède une longueur d'onde, notée X, et 15 dans lequel l'unique dioptre (30) présente une portion (300) s'étendant suivant une direction perpendiculaire à la direction de guidage, ladite portion (300) ayant une dimension (D) supérieure ou égale à 10 X. 3. Système optique (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'unique dioptre (30) 20 s'étend à l'entrée (E) du guide d'onde (2). 4. Système optique (1) selon la revendication 3, dans lequel l'unique dioptre (30) est fixé à l'entrée (E) du guide d'onde (2) par collage ou soudage. 25 5. Système optique (1) selon la revendication 3, dans lequel l'unique dioptre (30) et le guide d'onde (2) sont monobloc. 6. Système optique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel l'unique dioptre (30) est réalisé dans un matériau choisi parmi le polyméthacrylate de méthyle, le 30 polycarbonate, un verre. 7. Système optique (1) selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel la source lumineuse (S) est lambertienne. 12 8. Système optique (1) selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le guide d'onde (2) est choisi parmi un guide planaire et un guide cylindrique. 9. Système optique (1) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel l'unique 5 dioptre (30) présente une forme géométrique définie par les équations suivantes : fo = Y + tan [arctan (y') - arcsin(ni/n2sin (arctan(y) + arctan (d _±)))I Y(0) = n2 -1 ni cdi nfo2) où : - x et y désignent respectivement l'abscisse et l'ordonnée de l'unique dioptre (30) dans un plan muni d'un repère cartésien ; - y' et y" désignent respectivement la dérivée première et la dérivée seconde de y ; - tan, arctan, sin, arcsin désignent respectivement les fonctions tangente, arc tangente, sinus et arc sinus ; - n1 et n, désignent les indices de réfraction des deux milieux séparés par l'unique dioptre (30), ni étant l'indice de réfraction du milieu contenant la source lumineuse (S), n, étant l'indice de réfraction du milieu contenant le guide d'onde (2) ; - d désigne la distance séparant la source lumineuse (S) de l'origine (0) du repère cartésien ; - fr, désigne la distance séparant l'entrée (E) du guide d'onde (2) de l'origine (0) du repère cartésien. 10. Système optique (1) selon la revendication 9, dans lequel le ratio d/fo est inférieur ou égal à 0,5. 11. Système optique (1) selon la revendication 9 Ou 10, dans lequel le ratio n2 /n, est supérieur ou égal à 1,5.