EP3841325A1 - Systeme optique - Google Patents

Systeme optique

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EP3841325A1
EP3841325A1 EP19782655.5A EP19782655A EP3841325A1 EP 3841325 A1 EP3841325 A1 EP 3841325A1 EP 19782655 A EP19782655 A EP 19782655A EP 3841325 A1 EP3841325 A1 EP 3841325A1
Authority
EP
European Patent Office
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waveguide
light source
optical system
diopter
electromagnetic radiation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19782655.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Gilles Le Blevennec
Philippe BERNE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3841325A1 publication Critical patent/EP3841325A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0005—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
    • G02B6/0006—Coupling light into the fibre
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4298—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with non-coherent light sources and/or radiation detectors, e.g. lamps, incandescent bulbs, scintillation chambers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0023—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided by one optical element, or plurality thereof, placed between the light guide and the light source, or around the light source
    • G02B6/003—Lens or lenticular sheet or layer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
    • G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
    • G02B6/0015—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
    • G02B6/002—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it by shaping at least a portion of the light guide, e.g. with collimating, focussing or diverging surfaces

Definitions

  • the invention relates to the technical field of injecting light into a waveguide.
  • the invention finds its application in particular in:
  • spectroscopic sensors such as fluid sensors (e.g. a gas), particle sensors and biological sensors.
  • An optical system known from the prior art, in particular from document WO 2013/139721, comprises:
  • - a light source adapted to emit electromagnetic radiation
  • - a waveguide adapted to guide the electromagnetic radiation in a guiding direction, and having an inlet
  • an injection device suitable for injecting the electromagnetic radiation emitted by the light source at the entrance of the waveguide.
  • the injection device comprises:
  • the light source being disposed at the focal point of the parabolic mirror or at the focal point of the optical lens so as to obtain electromagnetic radiation parallel to the guide direction;
  • Such an optical system of the prior art makes it possible to significantly improve the injection of light when the waveguide is slightly thick (ie a thickness less than or equal to 1 mm) and when the light source has a beam of very open emission (eg a light emitting diode).
  • the invention aims to remedy all or part of the aforementioned drawbacks.
  • the invention relates to an optical system, comprising:
  • - a light source adapted to emit electromagnetic radiation
  • - a waveguide adapted to guide the electromagnetic radiation in a guiding direction, and having an inlet
  • an injection device suitable for injecting the electromagnetic radiation emitted by the light source at the entrance of the waveguide
  • the injection device consists of a single diopter designed to focus the electromagnetic radiation emitted by the light source at the entrance of the waveguide.
  • such an optical system according to the invention makes it possible to obtain a satisfactory injection of light when the waveguide is slightly thick (ie a thickness less than or equal to 1 mm) and when the light source has an emission beam. very open (eg a light emitting diode), and this while significantly simplifying the injection device compared to the prior art, the injection device consisting of a single diopter.
  • diopter a surface separating two media with different refractive indices.
  • focusing is meant the fact of concentrating light rays emitted by the light source at a point in the waveguide.
  • the optical system according to the invention may include one or more of the following characteristics.
  • the electromagnetic radiation emitted by the light source has a wavelength, denoted l
  • the single diopter has a portion extending in a direction perpendicular to the guide direction, said portion having a dimension greater than or equal to 10 l.
  • the single diopter extends at the entrance to the waveguide.
  • an advantage provided is to allow continuity of refractive index between the diopter and the waveguide, in the absence of a gel, glue or other additive.
  • the single diopter is fixed to the entry of the waveguide by gluing or welding.
  • an advantage provided is to facilitate the mounting of the single diopter on the waveguide.
  • the single diopter and the waveguide are in one piece.
  • an advantage provided is to ensure excellent continuity of refractive index between the diopter and the waveguide.
  • the single diopter is made of a material chosen from polymethyl methacrylate, polycarbonate, a glass.
  • an advantage provided by such materials is to be transparent in the visible range.
  • polymethyl methacrylate and polycarbonate make it possible to manufacture the single diopter by molding.
  • the light source is Lambertian.
  • the waveguide is chosen from a planar guide and a cylindrical guide.
  • the single diopter has a geometric shape defined by the following equations:
  • n 2 denote the refractive indices of the two media separated by the single diopter, nor being the refractive index of the medium containing the light source, n 2 being the refractive index of the medium containing the waveguide ;
  • an advantage provided by such a geometric shape of the diopter is to allow the focusing of the light rays emitted by a point source Lambertian at the entrance of the waveguide, and this without the presence of additional optical elements.
  • the focus is checked by varying the position of the light source on the optical axis (between -50% and 40% relative to the initial position, located at the distance d from the origin of the Cartesian coordinate system),
  • the focus is also checked for an extended Lambertian source, when the extension is less than 20% of the distance d,
  • the ratio d / fo is less than or equal to 0.5.
  • an advantage provided is to significantly increase the solid angle intercepted by the diopter.
  • the ratio n 2 / ni is greater than or equal to 1.5.
  • Figure 1 is a schematic longitudinal sectional view of an optical system according to the invention, illustrating an embodiment of the single diopter.
  • Figure 2 is a graph illustrating the parameters of an optical system according to the invention in a Cartesian coordinate system.
  • Figure 3 is a graph illustrating, using a ray tracing, an optical system according to the invention with a single diopter focusing the electromagnetic radiation emitted by the light source at the entrance of the waveguide.
  • Figure 4 is a graph representing on the abscissa the ratio between d (distance separating the light source from the origin of the Cartesian coordinate system illustrated in Figure 2) and fo (distance separating the entry of the waveguide from the origin of the coordinate system Cartesian illustrated in Figure 2), and on the ordinate the maximum angle (6 ma , illustrated in Figure 2) intercepted by the diopter, and this for different ratio m / ni corresponding to the indices of refraction of the two media separated by the single diopter.
  • Figure 5 is a graph representing the relative position of the light source on the abscissa (“1” being the initial position of the light source, located at the distance d from the origin of the Cartesian coordinate system), and on the ordinate the percentage of the light flux emitted by the light source which is focused at the input of the waveguide.
  • the data in Figure 5 are from digital simulations.
  • Figure 6 is a graph showing on the abscissa the relative position of the light source ("1" being the initial position of the light source, located at the distance d from the origin of the Cartesian coordinate system), and on the ordinate the diameter (in mm ) from the focal spot of electromagnetic radiation at the input of the waveguide.
  • the data in Figure 6 are from digital simulations.
  • an object of the invention is an optical system 1, comprising:
  • - a light source S adapted to emit electromagnetic radiation
  • - A waveguide 2 adapted to guide the electromagnetic radiation in a guiding direction, and having an input E;
  • An injection device 3 adapted to inject the electromagnetic radiation emitted by the light source S at the input E of the waveguide 2;
  • the injection device 3 consists of a single diopter 30 designed to focus the electromagnetic radiation emitted by the light source S at the input E of the waveguide 2.
  • the light source S is preferably Lambertian, that is to say that the luminance of the light source S is preferably identical in all the directions of emission.
  • the light source S can be a point source or an extended source.
  • the electromagnetic radiation emitted by the light source S has a wavelength, denoted l, preferably between 380 nm and 780 nm (visible range).
  • l preferably between 380 nm and 780 nm (visible range).
  • other wavelengths can be envisaged, for example in the near infrared (780 nm - 3 gm) or in the near ultra-violet (315 nm - 380 nm).
  • the wavelength of the light source S is preferably in the infrared range (1 gm - 10 gm).
  • the light source S can be a light-emitting diode.
  • the light source S can have an emission surface greater than or equal to 1 mm 2 .
  • the light source S can have a very open emission beam (greater than ⁇ 30 ° from the optical axis, for example ⁇ 60 ° from the optical axis).
  • the waveguide 2 is advantageously chosen from a planar guide and a cylindrical guide.
  • the waveguide 2 can be produced in the form of a thin film.
  • the waveguide 2 can also be produced in the form of an optical fiber.
  • the waveguide 2 advantageously has a thickness less than or equal to 5 mm.
  • the waveguide 2 is advantageously made of a transparent material in the visible range, the material being preferably chosen from polymethyl methacrylate, polycarbonate, a glass.
  • the glass is preferably a borosilicate glass.
  • the waveguide 2 is advantageously made of a material transparent to the wavelength of the electromagnetic radiation emitted by the light source S. diopter
  • the electromagnetic radiation emitted by the light source S has a wavelength, noted l.
  • the single diopter 30 advantageously has a portion 300 extending in a direction perpendicular to the guide direction, said portion 300 having a dimension D greater than or equal to 10 l.
  • the single diopter 30 advantageously extends at the entrance E of the waveguide 2.
  • the single diopter 30 can be fixed to the input E of the waveguide 2 by gluing or welding. According to an alternative, the single diopter 30 and the waveguide 2 are in one piece, for example by molding.
  • the single diopter 30 is advantageously made of a transparent material in the visible range, the material preferably being chosen from polymethyl methacrylate, polycarbonate, a glass.
  • the glass is preferably a borosilicate glass.
  • the single diopter 3 is advantageously made of a material transparent to the wavelength of the electromagnetic radiation emitted by the light source S.
  • the single diopter 30 advantageously has a geometric shape defined by the following equations:
  • - x and y respectively designate the abscissa and the ordinate of the single diopter 30 in a plane provided with a Cartesian coordinate system;
  • - ni and m denote the refractive indices of the two media separated by the single diopter 30, nor being the refractive index of the medium containing the light source S, m being the refractive index of the medium containing the waveguide 2;
  • Equation (1.1) comes from trigonometric relationships in combination with the Snell-Descartes law, the parameters of equation (1.1) being illustrated in Figure 2.
  • Equation (1.2) establishes a boundary condition, the single diopter 30 extending from the origin O of the Cartesian coordinate system.
  • Equation (1.3) establishes a new boundary condition, and comes from a development limited to order 2 of the function y (x) - Taylor theorem-
  • Numerical simulations with ray tracing show that it is possible to define a geometric shape of the diopter 30 making it possible to focus the electromagnetic radiation emitted by the light source S Lambertian at the input E of the waveguide 2.
  • the focus is verified by varying the position of the light source S on the optical axis (between -50% and 40% relative to the initial position, located at the distance d from the origin of the Cartesian coordinate system) ,
  • Property (ii) is illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • numerical simulations show that the focal spot of the electromagnetic radiation at the entry of the waveguide 2 has a diameter of 0.04 mm for the initial position of the light source S, located at the distance d from the origin of the Cartesian coordinate system. The diameter of the focal spot remains less than 0.26 mm when the position of the light source S on the optical axis is varied, between -50% and 40% relative to the initial position.
  • numerical simulations show that the percentage of the light flux emitted by the light source S which is focused at the input of the waveguide 2 is of the order of 22% for the initial position of the light source S, located at the distance d from the origin of the Cartesian coordinate system. The percentage of the luminous flux remains greater than 16% when the position of the light source S on the optical axis is varied, between -50% and 40% relative to the initial position.
  • a geometric shape of the diopter 30, defined by equations (1.1), (1.2) and (1.3) can also be defined with negative refraction indices ni, n 2 , and also makes it possible to focus the electromagnetic radiation emitted by the light source S Lambertian to input E of the waveguide 2.
  • Such negative refractive indices can have a physical reality if one chooses materials, separated by the diopter 30, which are metamaterials, for example metamaterials known as the left hand. Metamaterials are advantageously used when the electromagnetic radiation emitted by the light source S has a frequency range between 3 MHz and 50 THz. Indeed, metamaterials are easier to manufacture at this frequency range. This frequency range thus covers:
  • Metamaterials can be made in photonic structures - or photonic crystals - with magnetic resonators formed by coupled metal rings.
  • the refractive index of a metamaterial is understood as an effective (negative) index of an effective environment.
  • the photonic structures forming the metamaterials are considered to be an effective medium.
  • the effective medium approach requires that the photonic structures have a characteristic dimension smaller than the wavelength of the light source S.
  • the ratio d / fi is advantageously less than or equal to 0.5 so as to significantly increase the solid angle intercepted by the diopter 30.
  • the ratio m / is advantageously greater than or equal to 1.5 so as to significantly increase the solid angle intercepted by the diopter 30.
  • the optical system 1 can be connected to a coupler or to a multiplexer (eg of the AWG type “Arrayed Waveguide Gratings” in English) for the manufacture of a gas sensor.
  • the measurement can be carried out by photo-acoustic techniques.
  • the waveguide 2 of the optical system 1 can be provided with an orifice adapted to receive the particles.
  • the waveguide 2 of the optical system 1 (preferably made of silicon nitride) can be oriented towards areas of tissue to be analyzed.
  • the invention is not limited to the embodiments described. Those skilled in the art are able to consider their technically effective combinations, and to substitute equivalents for them.

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Abstract

Ce système optique (1) comporte : - 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); remarquable en ce que 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).

Description

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 électromagnétique parallèle vers l’entrée du guide d’onde.
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).
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. 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 ;
- 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 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.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), 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
- 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 l, 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 l. Ainsi, un avantage procuré est d’autoriser une propagation mulfimode du rayonnement électromagnétique dans le guide d’onde.
Selon une caractéristique de l’invention, l’unique dioptre s’étend à l’entrée du guide 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 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 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 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. 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.
Selon une caractéristique de l’invention, l’unique dioptre présente une forme géométrique définie par les équations suivantes :
X
fo = y +
tan arctan(y')— arcsin arctan(y') + arctan
y (o) = o
ou :
- x et y désignent respectivement l’abscisse et l’ordonnée de l’unique dioptre 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 ;
- ni et n2 désignent les indices de réfraction des deux milieux séparés par l’unique dioptre, ni étant l’indice de réfraction du milieu contenant la source lumineuse, n2 étant l’indice de réfraction du milieu contenant le guide d’onde ;
- d désigne la distance séparant la source lumineuse de l’origine du repère cartésien ;
- fo 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 guide d’onde, et ce sans la présence d’éléments 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 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 lumineux dans le guide d’onde.
Selon une caractéristique de l’invention, le ratio d/ fo est inférieur ou égal à 0,5.
Ainsi, un avantage procuré est d’augmenter significativement l’angle solide intercepté par le dioptre.
Selon une caractéristique de l’invention, le ratio n2/ni est supérieur ou égal à 1,5.
Ainsi, un avantage procuré est d’augmenter significativement l’angle solide intercepté par le dioptre. 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.
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 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 l’angle maximal (6ma, illustré à la figure 2) intercepté par le dioptre, et ce pour différents ratio m/ ni 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 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 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 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 ; - 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 ;
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 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 l, préférentiellement comprise entre 380 nm et 780 nm (domaine visible). Toutefois, d’autres longueurs d’onde sont envisageables, par exemple dans le proche infrarouge (780 nm— 3 gm) ou dans le proche ultra -violet (315 nm - 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 (1 gm— 10 gm).
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 ou égale à 1mm2. 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 d’onde 2 peut être également réalisé sous la 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 d’onde 2 est avantageusement réalisé dans un matériau transparent à la longueur d’onde du rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse S. Dioptre
Le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse S possède une longueur d’onde, notée l. 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 dimension D supérieure ou égale à 10 l.
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.
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.
Lorsque la source lumineuse S est lambertienne, l’unique dioptre 30 présente avantageusement une forme géométrique définie par les équations suivantes :
x
(1.1) /o = y +
tan arctan(y')— arcsin n
1/n2 sin arctan(y') + arctan
ou :
- 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 ;
- ni et m 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, m 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 ;
- fo désigne la distance séparant l’entrée E du guide d’onde 2 de l’origine O du repère cartésien. 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 O du repère cartésien.
L’équation (1.3) établit une nouvelle condition aux limites, et 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 l’entrée E 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 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 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 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 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, n2 négatifs, et permet également de focaliser le rayonnement électromagnétique émis par la source lumineuse S lambertienne à 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 une gamme de fréquences comprise entre 3 MHz et 50 THz. 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, SHF allant de 3 MHz à 30 GHz, également appelé domaine radar en raison des applications,
- le domaine EHF, également appelé hyperfréquences (30 GHz à 300 GHz),
- le domaine terahertz (300 GHz à 20 THz)
- le domaine infrarouge lointain (20 THz à 50 THz).
Les métamatériaux peuvent être fabriqués dans des structures photoniques—ou cristaux photoniques- comportant des résonateurs magnétiques formés par des anneaux métalliques 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.
Comme illustré à la figure 4, le ratio d/ fi 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 m/ est avantageusement supérieur ou égal à 1,5 de manière à augmenter significativement l’angle solide intercepté par 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 Waveguide Gratings » en langue anglaise) pour la fabrication d’un capteur de gaz. La mesure pourra s’effectuer par des techniques photo-acoustiques.
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. 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, et de leur substituer des équivalents.

Claims

REVENDICATIONS
1. 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) 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 l, et 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 l.
3. Système optique (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’unique dioptre (30) 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.
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 polycarbonate, un verre.
7. Système optique (1) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la source lumineuse (S) est lamberfienne.
8. Système optique (1) selon Tune 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 Tunique dioptre (30) présente une forme géométrique définie par les équations suivantes :
y (o) = o
ou :
- x et y désignent respectivement l’abscisse et l’ordonnée de Tunique 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 ;
- ¾ et n2 désignent les indices de réfraction des deux milieux séparés par Tunique dioptre (30), ni étant l’indice de réfraction du milieu contenant la source lumineuse (S), m 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 ;
- fo désigne la distance séparant l’entrée (E) du guide d’onde (2) de l’origine (O) 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 m/ est supérieur ou égal à 1,5.
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