EP4139657A1 - Device for distributing light based on diffraction gratings - Google Patents
Device for distributing light based on diffraction gratingsInfo
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- EP4139657A1 EP4139657A1 EP21734407.6A EP21734407A EP4139657A1 EP 4139657 A1 EP4139657 A1 EP 4139657A1 EP 21734407 A EP21734407 A EP 21734407A EP 4139657 A1 EP4139657 A1 EP 4139657A1
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Definitions
- the invention relates to a light distribution device suitable for, in use, receiving light rays coming from a light source and distributing these rays on a scene to be illuminated.
- Lensless optical imaging systems are known in the prior art, in which a detection module acquires a wide-field image of a sample.
- the sample and the detection module are placed in close proximity to each other, with no magnification optics in between.
- a light source provides light to illuminate the sample.
- a light distribution device can be placed at the output of the light source, to recover the light of a narrow light beam emitted by the light source, and to distribute this light over an extended surface belonging to the sample.
- the light distribution device advantageously has a reduced thickness, allowing it to be housed in a space of thickness less than or equal to the distance which separates, in use, the sample from the detection module.
- Patent application FR1914926 describes an example of such an optical system, for implementing an analysis by infrared spectrometry on a sample.
- the light distribution device is constituted by a series of passive extraction structures, each coupled to a respective secondary waveguide, and integrated with the secondary waveguides on the same substrate.
- the secondary waveguides are themselves coupled to a main waveguide by evanescent coupling.
- the passive extraction structures are each formed by a reflecting surface, located at the output of the corresponding secondary waveguide and inclined relatively obliquely. in the plane of the substrate.
- Each reflective surface is formed by a reflective coating deposited on an etched interface of the substrate.
- Such a light distribution device has several drawbacks, in particular a complex fabrication requiring the production of a multitude of secondary waveguides and of oblique facets in the substrate, and a not very homogeneous distribution of the light on the surface to be illuminated. of the sample.
- An objective of the present invention is to provide a light distribution device capable of being integrated into an optical imaging system without a lens for, in use, distributing on a scene to be illuminated light rays coming from an ancillary light source, and which does not have the drawbacks of the prior art mentioned above.
- a light distribution device configured to, in use, distribute over a scene to be illuminated light rays coming from an auxiliary light source, and which comprises:
- planar waveguide which comprises two cladding layers and a core layer, with two faces of greater extent of the core layer which extend parallel to a plane called the plane of the planar waveguide, and with the two cladding layers and the core layer which are superimposed together along an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide with the core layer disposed between the two cladding layers;
- an extraction assembly located in the planar waveguide, and consisting of a plurality of diffraction gratings distributed along the two dimensions of a plane parallel to the plane of the planar waveguide, an average value of a fill factor varying monotonically, from one diffraction grating to another of the extraction assembly, and along an axis parallel to the plane of the planar waveguide.
- Diffraction gratings are grids of the coupling grating type, known in the field of integrated optics for providing optical coupling between an optical fiber and a waveguide integrated on a photonic chip.
- the diffraction gratings are numerous, and distributed over a large area within the extraction assembly.
- the extraction assembly is housed within the planar waveguide, without increasing the thickness of the latter.
- the thickness of the light distribution device therefore corresponds to the thickness of the planar waveguide.
- the light distribution device can therefore have a reduced thickness, compatible in particular with its integration into an optical imaging system without a lens such as that described in the introduction.
- the light distribution device according to the invention can easily have a thickness less than or equal to the distance which separates, in use, the sample and the detection module in the optical imaging system without lens described in the introduction. .
- This thickness is advantageously less than or equal to 1.5 ⁇ m.
- the manufacture of a light distribution device according to the invention requires the production of a simple planar waveguide, within which diffraction gratings are etched. Manufacturing does not require the implementation of complex processes, and presents reduced constraints, particularly in terms of alignment.
- the light distribution device according to the invention can therefore be manufactured in a simple, rapid and inexpensive manner.
- the light is injected into the light distribution device at the level of a transverse face of the latter, at the level of the core layer.
- the light then circulates in the planar waveguide, by successive reflections at the interfaces between the core layer and each of the cladding layers.
- the light is confined only along the axis of the thickness of the planar waveguide, that is to say along an axis orthogonal to the plane of the guide planar wave.
- the propagation in the planar waveguide results in a spatial spreading of the light (unless the injected beam already has a width substantially equal to that of the planar waveguide ).
- each diffraction grating is configured to extract light in the form of a light beam oriented along an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide.
- the light is extracted in the direction of the scene to be illuminated as well as in the opposite direction, but one can favor one of the directions by suitable choices of optical index in the media in contact with the planar waveguide.
- the light propagating in the planar waveguide does not simultaneously reach all the diffraction gratings.
- Each diffraction grating extracts only part of the light arriving at its level in the planar waveguide, the non-extracted light continuing to propagate in the planar waveguide to the next diffraction grating.
- This allows light extraction over a large area, especially since this effect is added to the free propagation of light in the plane of the planar waveguide.
- the light distribution device can thus recover the light of a narrow light beam, and distribute this light over at least one large area located outside the planar waveguide.
- One of the at least one surface preferably belongs to a sample to be analyzed, and preferably has a width greater than or equal to 1 mm (the width designating the greatest distance separating two points on the surface considered, for example a diameter or a major ellipse axis).
- the light distribution is relatively homogeneous, since each network participates in the extraction of light.
- the invention thus makes it possible to distribute the light over a large surface, in a homogeneous manner, and with the aid of a thin device that is easy to manufacture.
- the extraction of light by diffraction gratings also makes it possible to control an angle of extraction of the light.
- the extraction assembly is located in one of the two sheath layers.
- the device may further include a support substrate, transparent over a range of wavelengths of use of the planar waveguide, and superimposed on the planar waveguide along an axis orthogonal to the plane of the waveguide.
- the substrate support may include a cavity, located on the side opposite the planar waveguide, and an extent in a plane parallel to the plane of the planar waveguide is greater than or equal to an extent of the extraction assembly in a plane parallel to the plane of the planar waveguide.
- the diffraction gratings of the extraction assembly can extend in a series of parallel bands between them, which each extend from one edge to the other of the extraction assembly. As a variant, they can be distributed along the two dimensions of a plane parallel to the plane of the planar waveguide.
- the device according to the invention is configured for, in use, distributing on the scene to be illuminated light rays, a wavelength spectrum of which is centered on a wavelength called the central wavelength, and them.
- diffraction gratings of the extraction assembly all have the same mean value of the pitch, with said mean value of the pitch adapted to extract outside the planar waveguide, and along an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide, a light beam at the central wavelength propagating in the planar waveguide.
- the extraction assembly is located in one of the two cladding layers, and in that the patterns of the diffraction gratings of the extraction assembly each consist of at least one solid zone and at the at least one hollow zone, where the at least one solid zone consists of the material of the sheath layer receiving the extraction assembly, and where the at least one hollow zone is able to be occupied by a surrounding medium.
- the diffraction gratings of the extraction assembly may each consist of a plurality of patterns, with the patterns of said diffraction gratings extending along straight lines parallel to each other.
- the diffraction gratings of the extraction assembly may each be made up of a plurality of patterns, with the patterns of said diffraction gratings extending along convex curved lines each extending from one to the other. edge to the opposite edge of the planar waveguide.
- the device according to the invention is configured to, in use, distribute on the scene to be illuminated light rays, a wavelength spectrum of which extends from a minimum wavelength to a length d. 'wave maximum, and the planar waveguide is single-mode along an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide and to said minimum wavelength.
- the invention also covers an infrared imaging system which comprises:
- a light distribution device configured to, in use, distribute over a scene to be illuminated light rays coming from an ancillary light source;
- a detection module comprising an infrared matrix detector configured to receive light rays returned by the scene to be lit; with the matrix infrared detector located opposite the extraction assembly, and on the side of the planar waveguide receiving the extraction assembly, and with a degree of superposition between the infrared detectors making up the matrix infrared detector, and the diffraction gratings of the extraction assembly, which is less than or equal to 50%.
- the system may further include an infrared light source forming the auxiliary light source, and the light distribution device is configured to, in use, receive as input light rays coming from said infrared light source and distribute these rays on the scene to illuminate, with the input of the light distribution device formed by a transverse face of the planar waveguide.
- an infrared light source forming the auxiliary light source
- the light distribution device is configured to, in use, receive as input light rays coming from said infrared light source and distribute these rays on the scene to illuminate, with the input of the light distribution device formed by a transverse face of the planar waveguide.
- the system may further include an imaging assembly comprising at least one refractive lens, disposed between the input of the light distribution device and the infrared light source, and configured to receive as input the light emitted by the infrared light source and to output a beam of light rays parallel to each other.
- an imaging assembly comprising at least one refractive lens, disposed between the input of the light distribution device and the infrared light source, and configured to receive as input the light emitted by the infrared light source and to output a beam of light rays parallel to each other.
- the system may further include a spacer element, mounted integral with the detection module and provided with a bearing surface intended to come into contact with a sample to be analyzed and located on one side of the element to be analyzed. spacing opposite to the detection module, and the light distribution device forms all or part of the spacer element.
- FIG. IA schematically illustrates, and in a sectional view, a first embodiment of a light distribution device according to the invention
- FIG. 1E schematically illustrate, in a top view, various examples of distribution of the diffraction gratings of the extraction assembly, in a device according to the invention such as that of FIG. 1A;
- FIG. 2 schematically illustrates the embodiment of FIG. 1A, in use
- FIG. 3 schematically illustrates, and in a sectional view, a second embodiment of a light distribution device according to the invention
- FIG. 4 illustrates schematically, and in a sectional view, a third embodiment of a light distribution device according to the invention
- FIG. 5 schematically illustrates a fourth embodiment of a light distribution device according to the invention.
- FIG. 6 schematically illustrates, and in a sectional view, a first embodiment of an infrared imaging system according to the invention
- FIG. 7B schematically illustrate a second embodiment of an infrared imaging system according to the invention.
- FIG. 8B schematically illustrate a third embodiment of an infrared imaging system according to the invention.
- FIG. 9 schematically illustrates an infrared imaging system according to the invention, in use. Description of the embodiments
- the term “infrared” refers to a part of the light spectrum belonging to a spectral band ranging from 0.78 ⁇ m to 50 ⁇ m, more preferably from 2 ⁇ m to 12 ⁇ m.
- a planar waveguide designates an optical guiding element capable of guiding the propagation of light by successive reflections on flat faces parallel to each other.
- light is confined along one of the axes of three-dimensional space, and free to propagate along the other two axes of three-dimensional space.
- a waveguide consists of a core, in which light circulates, and a cladding, providing a desired optical index difference between the heart and a medium surrounding the heart.
- a core layer is interposed between two cladding layers, and light is guided into the core layer by successive reflections at the interfaces between the core layer and each respective one of the core layers.
- the core layer consists in practice of an optical part having a reduced dimension along one of the axes of three-dimensional space (here the axis (Oz) of the thickness), and of large dimensions according to each the other two axes of three-dimensional space (here the axes (Ox) and (Oy) of length and width).
- the light is confined along the (Oz) axis, and propagates freely along the (Oy) and (Ox) axes.
- the ratio between the thickness and the length, respectively the thickness and the width is preferably greater than or equal to 5, or even greater than or equal to 10.
- the core layer consists of a material optically transparent at the wavelengths to be propagated, for example with a transmission coefficient greater than or equal to 98% at said wavelengths. It advantageously has the same optical index and the same chemical composition over its entire volume.
- FIG. 1A A first embodiment of a light distribution device 100 according to the invention is shown in FIG. 1A, in a sectional view in a plane (xOz).
- the device 100 includes a first cladding layer 130i, a core layer 120, and a second cladding layer 130 2 , superimposed in this order along the axis (Oz) to form a planar waveguide 110.
- Each of these three layers is optically transparent to the wavelengths to be propagated, for example with a transmission coefficient greater than or equal to 98% at said wavelengths.
- the wavelengths to be propagated designate a range of wavelengths that the device is suitable for receiving and then for distributing over a scene to be illuminated.
- the optical index of the first clad layer 130i and the optical index of the second clad layer 130 2 are each lower than the optical index of the core layer 120.
- the differences between the optical index of the core layer core and the optical index of the first, respectively second cladding layer, are adapted to allow optical guidance of the light in the core layer.
- the first sheath layer 130i and the second sheath layer 130 2 are made of the same material.
- the core layer 120 is for example made of germanium (Ge), or a germanium-silicon alloy (SiGe).
- the cladding layers 130i, 130 2 are for example made of a germanium-silicon alloy (SiGe), with a higher silicon content than in the core layer.
- the core layer is germanium and the cladding layers of germanium-silicon alloy with 40 atom% germanium.
- the core layer 120 is delimited, along the axis (Oz), by two faces 121, 122 parallel to the plane (xOy). These faces 121, 122 are the faces of greatest extent, or area, of the core layer 120.
- a plane of the planar waveguide 110 is defined as being a plane parallel to said faces 121, 122. Preferably, the larger external faces of the planar waveguide 110 extend in planes parallel to the faces 121, 122.
- the core layer 120 and the first, respectively second, cladding layer 130i, 130 2 are in direct physical contact. 'with each other.
- the core layer 120 and the two cladding layers 130i, 130 2 are superimposed on each other, along an axis (Oz) orthogonal to the plane (xOy) of the planar waveguide, and with the layer of core interposed between the two layers of sheath 130i, 130 2 .
- the planar waveguide 110 here has the shape of a rectangular parallelepiped with a square base.
- the length and the width (along the axis (Ox), respectively (Oy)) of the planar waveguide 110 are each between 5 mm and 20 mm, for example equal to 10 mm.
- the planar waveguide 110 may also include lateral claddings, in direct physical contact with the core layer 120 at the level of two opposite transverse faces of the latter.
- the side sheaths are made of a material having an optical index lower than that of the core layer, preferably the same material as that of the first and second layers of sheaths 130i, 130 2 .
- the device 100 further comprises an extraction assembly 150, located in the planar waveguide 110, and consisting of a plurality of diffraction gratings 151.
- the diffraction gratings are distributed along the two dimensions of a plane ( xOy). Preferably, they are distributed regularly in the plane (xOy).
- the extraction assembly 150 extends more particularly in one of the two sheath layers, here the second sheath layer 130 2 . In variants not shown, the extraction assembly extends into the core layer 120.
- a diffraction grating designates a succession of patterns, distributed periodically or quasi-periodically (variation of the pitch less than or equal to 10% between two consecutive patterns).
- each diffraction grating 151 is adapted to deflect, towards the outside of the planar waveguide 110, the light circulating in the core layer 120.
- the diffraction gratings 151 are preferably all arranged coplanar. Here, but in a nonlimiting manner, each of the diffraction gratings 151 extends along the entire thickness of the second cladding layer 130 2 . As a variant, each of the diffraction gratings 151 extends only over a part only of the thickness of the second cladding layer 130 2 . In any event, the patterns forming the diffraction grating 151 are preferably invariant along the (Oz) axis. Each pattern comprises a first portion consisting of the material of the second sheath layer 130 2 , and a second portion consisting of another material. The second portion may be solid, consisting for example of ZnS, or hollow, capable of being occupied by a surrounding gaseous medium such as air.
- FIG. 1B schematically illustrates a first example of distribution of the diffraction gratings 151 in the planar waveguide.
- FIG. IB schematically represents an extraction assembly in a device according to the invention, in a top view in transparency.
- the diffraction gratings 151 here extend along lines parallel to each other, each going from one edge to the opposite edge of the planar waveguide.
- the diffraction gratings 151 extend more particularly along lines parallel to the axis (Oy), and are distributed regularly along the axis (Ox).
- FIG. 1C represents a detailed view of one of the diffraction gratings 151 illustrated in FIG. IB. It is more particularly a detail view of the network portion 151i circled in FIG. 1B.
- Each diffraction grating is a one-dimensional grating, made up of patterns 1510 which here extend along lines parallel to the axis (Oy).
- a pattern distribution step along the axis (Ox) is denoted P x .
- FIG. 1D schematically illustrates another example of the distribution of the diffraction gratings 151 ′ in the planar waveguide.
- the diffraction gratings 15 are distributed along the two dimensions (Ox) and (Oy) of the plane of the planar waveguide.
- the diffraction gratings are arranged in rows and columns. The rows and columns extend respectively along the axis (Ox) and along the axis (Oy), here with the same distribution pitch along the axes (Ox) and (Oy).
- Each diffraction grating 15 here has a square section in a plane (xOy).
- each diffraction grating 151 ' is a one-dimensional grating, here made up of patterns which extend along lines parallel to the (Oy) axis (like the grating portion illustrated in Figure 1C) .
- FIG. 1E schematically illustrates yet another example of the distribution of the diffraction gratings 151 "in the planar waveguide.
- the diffraction gratings 15 are distributed according to the two dimensions (Ox) and (Oy) of the plane. of the planar waveguide.
- the diffraction gratings 151 are distributed in staggered rows, and in a regular arrangement.
- Each diffraction grating 151 here has a square section in a plane (xOy).
- the invention is not limited to a device with diffraction gratings whose patterns extend along straight lines parallel to each other.
- the device 100 is immersed in a surrounding gaseous or liquid medium, preferably air.
- the light arrives on the device 100, at the level of a transverse face of the latter called the inlet face 113, and at the height of the core layer 120.
- the inlet face 113 extends here in a plane parallel to the plan (yOz).
- the light propagates in the core layer 120 by successive reflections at the interfaces between the core layer 120 and each of the cladding layers 130i and 130 2 .
- the light propagates in the planar waveguide along the (Ox) axis.
- each of the diffraction gratings of the extraction assembly participates in this light extraction.
- each of the diffraction gratings extracts only part of the light arriving at its level.
- the unextracted light continues to propagate in the planar waveguide to a neighboring diffraction grating, which in turn will extract at least part of the light arriving at its level.
- FIG. 2 schematically illustrates the device 100, in use.
- the arrow 20 represents the light beam injected at the input of the planar waveguide 110.
- the beams 21 represent the light beams extracted at the level of each of the diffraction gratings 151, in the direction of a scene to be illuminated S.
- the scene to be illuminated S extends here with regard to the extraction assembly, in a plane (xOy).
- the scene to be lit S is shown here spaced from the device 100 according to the invention. In practice, it is rather contiguous against an external face of the device 100 according to the invention.
- the scene to be lit S has for example a width of between 1 mm and 15 mm
- the scene to be lit 20 has for example a width of between 1 mm and 15 mm (greatest distance between two points). It is for example a square of 3 mm side.
- the dimensions of the scene to be lit are substantially equal to the dimensions of the extraction assembly.
- Each of the diffraction gratings of the extraction assembly extracts light out of the plane of the planar waveguide as a diverging beam. It is thus possible to distribute the light on the scene to be illuminated, without a shadow zone, and with the aid of diffraction gratings spaced from one another. The higher the angle (solid) of divergence of the extracted light beams, the more the diffraction gratings can be spaced from each other.
- an angle between an external face of the planar waveguide at which the light emerges, and a light ray deflected by a diffraction grating, must remain below a critical threshold beyond which the deflected light is reflected inside the device according to the invention.
- the light is extracted in light beams each oriented according to the normal to the plane of the planar waveguide, with a half-angle of divergence Oi (where the half-angle of divergence denotes half of the total angle of divergence ). Oi must therefore remain below said critical threshold. It is assumed that the outer face of the planar waveguide at which the light emerges is parallel to the plane of the planar waveguide, which is generally the case.
- the diffraction gratings are configured so that the half-angle of divergence is equal to, or only slightly less than, the critical threshold.
- the divergence of the networks is thus maximized, which makes it possible to space them out as far as possible, and thus to limit a number of blinded infrared detectors in the system described below.
- Each diffraction grating of the extraction assembly deflects the light in two opposite directions: in the direction of the scene to be illuminated S and in the opposite direction.
- the scene to be illuminated is on the side of the planar waveguide opposite to the extraction assembly.
- it is possible to block the rays emitted in the opposite direction for example by means of an absorbing or reflecting structured layer contiguous against the extraction assembly.
- Said structured layer comprises solid zones and open zones, so that each diffraction grating is covered by a solid absorbing or reflecting zone on the side opposite to the scene to be illuminated. Between the diffraction gratings, the open areas allow light to pass, in particular light backscattered by the scene to be illuminated.
- Each diffraction grating can have a constant pattern distribution pitch value over the entire extent of the diffraction grating.
- at least one of the diffraction gratings may have a variable value of the pattern distribution pitch, in order to increase an angle of divergence of the extracted light.
- all the networks of the extraction assembly are configured to extract the light with the same angle of divergence.
- an average value of the pattern distribution pitch can be defined. When the pitch is constant, this average value is equal to the pattern distribution pitch. When the pitch is variable, this mean value is equal to the arithmetic mean of the values taken by the pattern distribution pitch.
- the diffraction gratings of the extraction assembly all have the same average value of the pattern distribution pitch.
- This average value of the pattern distribution step, or average value of the step is adapted so that the light extracted by the corresponding network forms a light beam centered on an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide.
- the mean value of the pitch is adapted so that the light at a central wavelength is deflected along an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide.
- the central wavelength designates the central value of a range of wavelengths that the device according to the invention is adapted to receive circulating in the planar waveguide and then to extract towards a scene to be illuminated via the extraction set. This range of wavelengths is called the working wavelength range.
- the planar waveguide 110 is single-mode along the (Oz) axis, and over the entire range of wavelengths of use. For this condition to be satisfied over the entire range of wavelengths, it suffices that it be satisfied for the smallest value of this range.
- This condition sets a maximum value for the thickness of the core layer, for example 1.6 ⁇ m. To limit the losses at the longest wavelengths, the thickness of the core layer is preferably chosen as close as possible to this maximum value.
- FIG. 3 schematically illustrates, and in a sectional view, a second embodiment of a light distribution device 300 according to the invention.
- the device 300 differs from the first embodiment only in that it further comprises a support substrate 360, superimposed on the planar waveguide along the axis (Oz), on the side opposite to the assembly. extraction 350.
- the support substrate 360 extends in a plane (xOy).
- the support substrate 360 is attached against the planar waveguide 310, in direct physical contact with the latter at the level of the first cladding layer 330i.
- the projection of the extraction assembly 350 is located inside the projection of the support substrate 360.
- the support substrate 360 covers the entire extraction set 350.
- Support substrate 360 is transparent over the wavelength range of use. It preferably has an optical index lower than that of the first cladding layer 330i.
- the support substrate 360 is preferably made of silicon. It makes it possible in particular to ensure the good mechanical strength of the planar waveguide 310.
- the thickness e (along the axis (Oz)) of the device 300 is preferably between 100 ⁇ m and 1. , 5 mm, preferably between 100 ⁇ m and 1.0 mm, for example equal to 725 ⁇ m.
- the thickness of the support substrate is preferably greater than or equal to 200 ⁇ m.
- the highest index jump is at the interface between the support substrate 360 and the surrounding medium.
- the critical threshold as described above beyond which the light deflected by a diffraction grating is reflected inside the device according to the invention, therefore depends on the optical indices in the support substrate 360 and in the surrounding environment.
- the critical threshold is approximately 17 ° in absolute value.
- One face of the support substrate 360 located on the side of said substrate opposite the planar waveguide, forms a bearing surface 361 for a sample to be observed.
- the bearing surface 361 is positioned against the sample.
- the scene to be observed is formed by a surface of the sample in contact with the bearing face 361, located opposite the extraction assembly 350.
- FIG. 4 schematically illustrates, and in a sectional view, a third embodiment of a light distribution device 400 according to the invention.
- the device 400 differs from the device of FIG. 3 only in that the support substrate 460 comprises a cavity 462, open on the side opposite the planar waveguide 410.
- the cavity 462 has a bottom 463, which extends here in a plane (xOy), and side faces 464.
- the depth of the open cavity 462, measured along the axis (Oz), is for example between 100 ⁇ m and 400 ⁇ m.
- the projection of the extraction assembly 450 is located inside the projection of the cavity 462. In other words, the cavity 462 covers the whole. of the extraction assembly 450.
- the support substrate 460 projects laterally relative to the cavity 462, and in all directions of a plane (xOy).
- the bearing surface 461 is positioned against the sample and the scene to be observed S is formed by a surface of the sample located opposite the extraction assembly 450 and the cavity 462.
- This embodiment makes it possible to introduce an intermediate layer between the scene to be observed and the support substrate 460, formed by the material of the surrounding environment in the cavity 462 (preferably air). Since the optical index of the surrounding medium is much lower than the optical index of the support substrate 460, the divergence of the extracted light beams increases sharply when the light enters the cavity 462 (see beams 21 '). This increase in the divergence makes it possible in particular to reduce the thickness of the device according to the invention while keeping its other components unchanged. characteristics. In addition or as a variant, it makes it possible to reduce the number of diffraction gratings in the extraction assembly, which reduces the number of blinded infrared detectors in the system illustrated below.
- each of the diffraction gratings of the extraction assembly extracts only part of the light arriving at its level, and the light not extracted by said grating continues to propagate in the planar waveguide to a neighboring grating. Therefore, if all the diffraction gratings of the extraction set have the same rate of light extraction, they will extract an increasingly reduced amount of light as the propagation of the light increases. light along the extraction assembly. Indeed, the networks reached first by the light circulating in the planar waveguide will extract a percentage Pc from a large quantity of light, while the networks reached last will extract the same percentage Pc but on a residual quantity. from light.
- the extraction assembly prefferably has a variable extraction rate, from one diffraction grating to another, so as to ensure good homogeneity of the distribution of light on the scene to be illuminated.
- the rate of extraction of the diffraction gratings advantageously varies in a monotonically increasing manner, along lines parallel to an axis of propagation of the light in the planar waveguide, and from a face of entry of the light in the guide. planar wave.
- the variation can include stages, or be strictly increasing.
- the extraction rate of a diffraction grating is a function of the average value of its fill factor, here a ratio between the total volume occupied by the material with the lowest index and the total volume of the diffraction grating. All the diffraction gratings advantageously have the same depth (dimension along the axis (Oz)).
- the fill factor defined above is therefore reduced to a ratio of areas.
- the average value of the fill factor can be calculated on a single mesh, or pattern of the network.
- the extraction is all the higher as the filling factor is close to 50% (strongest index modulation).
- the mean value of the fill factor does not exceed 0.5 (50%) in any of the diffraction of the extraction assembly. In this case, the higher the fill factor, the higher the extraction rate, and vice versa.
- FIG. 5 schematically illustrates, and in a top view, a distribution of the filling factors in the diffraction gratings of an extraction assembly 550 of a device according to a fourth embodiment of the invention.
- the value of the fill factor in a diffraction grating is represented by a value of the gray level (scale on the right).
- All the diffraction gratings of the extraction assembly have the same depth (dimension along the axis (Oz)).
- the distribution of the fill factors varies monotonically along lines parallel to the (Ox) axis, here increasing from an input face to an output face of the planar waveguide.
- the distribution of the fill factors is adapted to a case where the light propagates in the planar waveguide in the form of a plane wave.
- the corresponding optical power follows a Gaussian law as a function of the position along the axis (Oy).
- the fill factor of the diffraction gratings therefore follows this Gaussian distribution.
- the rate of extraction of a diffraction grating is also a function of the depth of this grating, here along the axis (Oz).
- the diffraction gratings of the extraction assembly have a depth which varies monotonically along lines parallel to the axis of propagation of the light in the planar waveguide.
- the rate of extraction of a diffraction grating is also a function of the size of this grating along an axis of propagation of light in the planar waveguide.
- the diffraction gratings of the extraction assembly each have an extent which varies along lines parallel to an axis of propagation of light in the planar waveguide. At least two of the three parameters mentioned above can be combined to vary an extraction rate in the diffraction gratings of the extraction assembly.
- the fill factor may be slightly variable within the same diffraction grating, in order to symmetrize the radiation in the far field.
- a variation of the mean value of the filling factor is considered, from one network to another of the extraction assembly.
- the invention offers a solution for distributing the light on a scene to be lit, preferably with normal or near-normal lighting.
- the scene to be illuminated is parallel to the planar waveguide, and the light emerges from the latter according to a plurality of elementary beams each oriented along an axis normal to the planar waveguide, each with a divergence angle of About 17 °.
- the device according to the invention exhibits few losses, as well as good resistance to flow (in particular in comparison with a light distribution device based on optical fibers). It is also very compact, and in particular a reduced thickness allowing it to act as a spacer between the sample and the detection module in the optical imaging system without lens described in the introduction.
- FIG. 6 illustrates, schematically, and in a sectional view, a first embodiment of an infrared imaging system 1000 according to the invention.
- the system 1000 here comprises a light distribution device 600, and a detection module 10 (or imaging module).
- the device 600 is here identical to that of FIG. 4.
- the detection module 10 comprises a matrix infrared detector, composed of infrared detectors 11 sensitive in the infrared, and more particularly over the range of wavelengths of use. It is for example a matrix of semiconductor photodiodes or a matrix of bolometers.
- the matrix infrared detector extends along a square or rectangular surface, with a side preferably between 1 mm and 10 mm. It extends here in a plane (xOy).
- the detection module 10 can further include an electronic circuit, not shown, for reading electrical signals supplied by the infrared matrix detector.
- the infrared matrix detector extends to the manhole of the extraction assembly 650 of the light distribution device 600, on the side of the planar waveguide receiving the extraction assembly (and therefore here on the side opposite to the cavity 662 formed in the support substrate 660) .
- the light is distributed over the scene to be illuminated by the light distribution device 600.
- the scene to be lit returns part of the light received, by backscattering.
- the backscattered light passes through the light distribution device 600 until it reaches the detection module 10, in which the matrix infrared detector acquires an image of the light backscattered by the scene to be illuminated.
- the light distribution device 600 and the detection module 10 are not in direct physical contact with one another, but separated from each other by a low index interlayer 13, in particular a layer of air.
- the low index interlayer 13 has an optical index strictly lower than that of the support substrate 660, making it possible to favor the extraction in the direction of the scene to be lit rather than in the opposite direction.
- an absorbent or reflective structured layer as described above, can also be placed against the extraction assembly.
- the infrared detectors 11 located directly opposite a diffraction grating of the extraction assembly can be dazzled by the light extracted directly towards the detection module, and consequently be blinded and inoperative. It is therefore advantageous to maximize the divergence of the light beams returned by each of the diffraction gratings, to maximize a spacing between the diffraction gratings, and therefore to minimize a number of blinded infrared detectors. As detailed above, this divergence can be increased using a variable grating pitch within the same diffraction grating, and / or using a cavity as described with reference to figure 4. The half-angle of divergence must nevertheless remain less than or equal to a critical threshold as mentioned above.
- the distribution of the diffraction gratings according to the two dimensions of the plane (xOy) is more advantageous than the distribution according to parallel bands, because it makes it possible to mask fewer infrared detectors.
- a degree of superposition between the infrared detectors 11 of the detection module and the diffraction gratings of the extraction assembly 650 is less than or equal to 50%. More preferably, at least half of the infrared detectors 11 is not covered, even partially, by at least part of a diffraction grating of the extraction assembly.
- the diffraction gratings are distributed along the two dimensions of the plane (xOy), there are preferably at least twice as many infrared detectors as there are diffraction gratings.
- FIG. 7A illustrates a second embodiment of an infrared imaging system 2000 according to the invention. This system differs from that of FIG. 6 only in that it further comprises an infrared light source 14, as well as a refractive optic 15.
- the infrared light source 14 is configured to emit at least one light beam at an infrared wavelength.
- the light emitted by the infrared light source 14 exhibits a wavelength spectrum which extends over the range of wavelengths of use as mentioned above.
- the light source 14 can comprise one or more elementary sources, among at least one laser source (such as a quantum cascade laser (Q.CL), an interband cascade laser (ICL), an external or internal cavity laser) , at least one LED, at least one blackbody source, etc.
- the infrared light source 14 may include a widening element such as an annex planar waveguide, to transform a narrow light beam into a light beam of the same width as the light distribution device.
- the refractive optic 15 is interposed between the light source 14 and the input face 713 of the light distribution device 700. It is configured to receive at input a light beam coming from the light source 14, and to provide at the output a collimated light beam which then propagates to the input face 713 of the device 700, at the height of the layer of heart.
- the light wave propagating in the planar waveguide of device 700 therefore has a planar wavefront.
- the diffraction gratings 751 forming the extraction assembly each consist of a plurality of patterns, which extend along lines parallel to the wavefront, here lines parallel to the (Oy) axis (see figure 7B).
- FIG. 8A illustrates a third embodiment of an infrared imaging system 3000 according to the invention. This system differs from that of FIG.
- each diffraction grating 851 then consists of a plurality of patterns which then extend along lines parallel to the wave front arriving on said grating. These lines are convex lines, each extending from one edge to the opposite edge of the extraction assembly (see Figure 8B).
- the patterns of the grating preferably extend along lines which are perpendicular at all points to a light ray propagating in the planar waveguide at a central zone. of said network.
- Figure 9 illustrates, schematically, an infrared imaging system 4000 according to the invention, in use.
- the infrared imaging system 4000 is of the type of that of FIG. 7A, with a light distribution device 900 according to the invention, receiving light from an infrared light source 14 with a refractive optic 15 in between. The light is distributed over a scene to be lit belonging here to a sample 96.
- FIG. 9 there is expressly shown the infrared matrix detector 10A and the reading circuit 10B together forming the detection module 10.
- the infrared imaging system 4000 here comprises a spacer element 95, or spacer, mounted integral with the detection module 10 on the side of the matrix infrared detector 10A.
- the spacer element 95 comprises a bearing surface 97, on the side opposite to the detection module 10.
- the bearing surface 97 here extends in a plane parallel to the plane (xOy), parallel to the plane of the infrared detector. matrix 10A.
- the spacer element 95 has a thickness W, measured along the axis (Oz). In operation, the bearing surface 97 is pressed against the sample 96.
- a region of the sample 96 situated opposite the matrix infrared detector 10A forms the scene to be illuminated.
- the spacer 95 guarantees a predetermined fixed distance between the scene to be illuminated and the infrared detector matrix 10A, called the working distance.
- the working distance is preferably between 100 ⁇ m and 1.5 mm.
- the infrared light source 14 is located here on the spacer element 95, on the side opposite to the bearing surface 97.
- the light distribution device 900 is merged here with the spacer element 95.
- the light distribution device 900 forms only a part of the spacer element 95.
- the spacer element 95 can be formed by the superposition of the light distribution device. light 900 and an additional wedge.
- the small thickness of the light distribution device according to the invention advantageously between 100 ⁇ m and 1.5 mm, allows it to form all or part of the spacer element 95.
- the detection module 10 and the light distribution device 900 together form a lensless imaging system, capable of acquiring an image of the scene to be illuminated, without refractive image formation optics (except possibly a array of microlenses upstream of the infrared matrix detector 10A).
- the images obtained are wide field images, in reflection.
- the infrared imaging system 4000 is advantageously formed in a photonic chip.
- an infrared imaging system according to the invention has been produced, with the following characteristics:
- planar waveguide is single-mode along the (Oz) axis over the entire range of wavelengths considered, ie a thickness of 1.6 ⁇ m;
- - matrix infrared detector formed by a matrix of bolometers with 80 * 80 micro-sensors, each of square shape with a side of 25 ⁇ m, and distributed according to a distribution step of 34 ⁇ m, i.e. an active area of 3.28 mm * 3.28 mm (slightly larger than the extraction assembly);
- the diffraction gratings of the extraction assembly have a length of 34 mih, extend in parallel bands as in Figure 1B, and are aligned with some of the infrared detectors of the matrix infrared detector;
- the pitch of the diffraction gratings is adapted to obtain an extraction angle of zero at the median value of the wavelength range considered (7 pm), here equal to 1.81 pm;
- the depth of the networks is 2.5 ⁇ m.
- a support substrate with a thickness of 300 ⁇ m and an open cavity with a depth of 250 ⁇ m offer a good compromise between the number of blinded micro-sensors and compactness.
- the light distribution device is advantageously produced from a crystalline silicon substrate, which can be thinned to obtain the desired working distance.
- the planar waveguide is obtained by successive epitaxies, to successively form the first cladding layer, the core layer and the second cladding layer.
- the assembly is polished, on the side opposite the silicon substrate, then the diffraction gratings are etched in the second cladding layer by partial anisotropic etching.
- the assembly obtained can be turned over and partially anisotropically etched on the rear face, to produce a cavity in the silicon substrate.
- the invention therefore relates to a device forming a passive extraction structure, advantageously coupled to one or more quantum cascade lasers, and for use at very short working distance.
- the device according to the invention preferably has an entrance pupil that is smaller than the exit pupil.
- the invention makes it possible to distribute the light of an infrared light beam, preferably belonging to the spectral range going from 2 ⁇ m to 12 ⁇ m. It finds application in particular in the field of active multispectral imaging and active hyperspectral imaging, to obtain biochemical information easily and quickly.
- the chemical composition of a sample can in particular be determined from its infrared light absorption signature.
- the invention is not limited to the examples detailed above, and many other examples can be implemented without departing from the scope of the invention.
- the extraction assembly can be located in the first cladding layer, on the side of the scene to be illuminated, or in the core layer of the planar waveguide.
- the networks of the extraction assembly can extend along all or part of the thickness of the core layer, respectively the first cladding layer. If they are formed in the core layer, they advantageously consist of material portions of the core layer and of material portions of the first respectively second cladding layer.
- the invention is also not limited to one-dimensional diffraction gratings, and also covers devices in which the extraction assembly comprises or consists of two-dimensional diffraction grating (s).
- a two-dimensional diffraction grating is preferably in the form of a matrix of pads.
- the invention is not limited to the examples of materials cited.
- the support substrate can be made of any material having at least one window of transparency in the infrared and an optical index lower than that of the cladding layers.
- the planar waveguide may include a spatial spreading region, upstream of an extraction region, with the spatial spreading region intended to achieve spatial spreading of the light and with the extraction region which receives the extraction assembly.
- a gray-level diaphragm can be placed upstream of the light distribution device according to the invention, in order to homogenize the illumination on the scene to be lit.
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Abstract
Disclosed is a device for distributing light (100) configured such that, during use, it distributes light rays originating from an ancillary light source onto a scene (S) to be illuminated, and which comprises: - a planar waveguide (110), with a core layer (120) arranged between the two cladding layers; and - an extraction assembly, situated in the planar waveguide, and consisting of a plurality of diffraction gratings (151) distributed according to the two dimensions of a plane parallel to the plane of the planar waveguide.
Description
Description Description
Titre : DISPOSITIF DE RÉPARTITION DE LUMIÈRE BASÉ SUR DES RÉSEAUX DETitle: LIGHT DISTRIBUTION DEVICE BASED ON NETWORKS OF
DIFFRACTION DIFFRACTION
Domaine technique Technical area
L'invention se rapporte à un dispositif de répartition de lumière adapté pour, en utilisation, recevoir des rayons lumineux en provenance d'une source lumineuse et répartir ces rayons sur une scène à éclairer. The invention relates to a light distribution device suitable for, in use, receiving light rays coming from a light source and distributing these rays on a scene to be illuminated.
Etat de la technique antérieure State of the prior art
On connaît dans l'art antérieur des systèmes optiques d'imagerie sans lentille, dans lesquels un module de détection acquiert une image grand champ d'un échantillon. L'échantillon et le module de détection sont placés à proximité immédiate l'un de l'autre, sans optique de grossissement entre les deux. Une source lumineuse fournit la lumière pour éclairer l'échantillon. Un dispositif de répartition de lumière peut être disposé en sortie de la source lumineuse, pour récupérer la lumière d'un faisceau lumineux étroit émis par la source lumineuse, et répartir cette lumière sur une surface étendue appartenant à l'échantillon. Le dispositif de répartition de lumière présente avantageusement une épaisseur réduite, lui permettant d'être logé dans un espace d'épaisseur inférieure ou égale à la distance qui sépare, en utilisation, l'échantillon du module de détection. Lensless optical imaging systems are known in the prior art, in which a detection module acquires a wide-field image of a sample. The sample and the detection module are placed in close proximity to each other, with no magnification optics in between. A light source provides light to illuminate the sample. A light distribution device can be placed at the output of the light source, to recover the light of a narrow light beam emitted by the light source, and to distribute this light over an extended surface belonging to the sample. The light distribution device advantageously has a reduced thickness, allowing it to be housed in a space of thickness less than or equal to the distance which separates, in use, the sample from the detection module.
La demande de brevet FR1914926 décrit un exemple d'un tel système optique, pour mettre en œuvre une analyse par spectrométrie infrarouge sur un échantillon. Dans cet exemple, le dispositif de répartition de lumière est constitué par une série de structures d'extraction passives, couplées chacune à un guide d'onde secondaire respectif, et intégrées avec les guides d'onde secondaires sur un même substrat. Les guides d'onde secondaires sont couplés eux-mêmes à un guide d'onde principal par couplage évanescent. Les structures d'extraction passives sont formées chacune par une surface réfléchissante, située en sortie du guide d'onde secondaire correspondant et inclinée en biais relativement
au plan du substrat. Chaque surface réfléchissante est formée par un revêtement réfléchissant déposé sur une interface gravée du substrat. Patent application FR1914926 describes an example of such an optical system, for implementing an analysis by infrared spectrometry on a sample. In this example, the light distribution device is constituted by a series of passive extraction structures, each coupled to a respective secondary waveguide, and integrated with the secondary waveguides on the same substrate. The secondary waveguides are themselves coupled to a main waveguide by evanescent coupling. The passive extraction structures are each formed by a reflecting surface, located at the output of the corresponding secondary waveguide and inclined relatively obliquely. in the plane of the substrate. Each reflective surface is formed by a reflective coating deposited on an etched interface of the substrate.
Un tel dispositif de répartition de lumière présente plusieurs inconvénients, notamment une fabrication complexe imposant la réalisation d'une multitude de guides d'onde secondaires et de facettes en biais dans le substrat, et une répartition peu homogène de la lumière sur la surface à éclairer de l'échantillon. Such a light distribution device has several drawbacks, in particular a complex fabrication requiring the production of a multitude of secondary waveguides and of oblique facets in the substrate, and a not very homogeneous distribution of the light on the surface to be illuminated. of the sample.
Un objectif de la présente invention est de proposer un dispositif de répartition de lumière apte à être intégré dans un système optique d'imagerie sans lentille pour, en utilisation, répartir sur une scène à éclairer des rayons lumineux provenant d'une source lumineuse annexe, et qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur mentionnés ci-dessus. An objective of the present invention is to provide a light distribution device capable of being integrated into an optical imaging system without a lens for, in use, distributing on a scene to be illuminated light rays coming from an ancillary light source, and which does not have the drawbacks of the prior art mentioned above.
Présentation de l'invention Presentation of the invention
Cet objectif est atteint avec un dispositif de répartition de lumière configuré pour, en utilisation, répartir sur une scène à éclairer des rayons lumineux provenant d'une source lumineuse annexe, et qui comporte : This objective is achieved with a light distribution device configured to, in use, distribute over a scene to be illuminated light rays coming from an auxiliary light source, and which comprises:
- un guide d'onde planaire qui comporte deux couches de gaine et une couche de cœur, avec deux faces de plus grande étendue de la couche de cœur qui s'étendent parallèles à un plan nommé plan du guide d'onde planaire, et avec les deux couches de gaine et la couche de cœur qui sont superposées ensemble le long d'un axe orthogonal au plan du guide d'onde planaire avec la couche de cœur disposée entre les deux couches de gaine ; et - a planar waveguide which comprises two cladding layers and a core layer, with two faces of greater extent of the core layer which extend parallel to a plane called the plane of the planar waveguide, and with the two cladding layers and the core layer which are superimposed together along an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide with the core layer disposed between the two cladding layers; and
- un ensemble d'extraction, situé dans le guide d'onde planaire, et constitué d'une pluralité de réseaux de diffraction répartis selon les deux dimensions d'un plan parallèle au plan du guide d'onde planaire, une valeur moyenne d'un facteur de remplissage variant de manière monotone, d'un réseau de diffraction à l'autre de l'ensemble d'extraction, et le long d'un axe parallèle au plan du guide d'onde planaire.
Les réseaux de diffraction sont des réseaux de type réseaux de couplage, connus dans le domaine de l'optique intégrée pour réaliser un couplage optique entre une fibre optique et un guide d'onde intégré sur une puce photonique. Dans l'invention, les réseaux de diffraction sont nombreux, et répartis sur une large surface au sein de l'ensemble d'extraction. - an extraction assembly, located in the planar waveguide, and consisting of a plurality of diffraction gratings distributed along the two dimensions of a plane parallel to the plane of the planar waveguide, an average value of a fill factor varying monotonically, from one diffraction grating to another of the extraction assembly, and along an axis parallel to the plane of the planar waveguide. Diffraction gratings are grids of the coupling grating type, known in the field of integrated optics for providing optical coupling between an optical fiber and a waveguide integrated on a photonic chip. In the invention, the diffraction gratings are numerous, and distributed over a large area within the extraction assembly.
L'ensemble d'extraction est logé au sein du guide d'onde planaire, sans augmenter l'épaisseur de ce dernier. L'épaisseur du dispositif de répartition de lumière correspond donc à l'épaisseur du guide d'onde planaire. Le dispositif de répartition de lumière peut donc présenter une épaisseur réduite, compatible notamment avec son intégration dans un système optique d'imagerie sans lentille tel que celui décrit en introduction. En particulier, le dispositif de répartition de lumière selon l'invention peut aisément présenter une épaisseur inférieure ou égale à la distance qui sépare, en utilisation, l'échantillon et le module de détection dans le système optique d'imagerie sans lentille décrit en introduction. Cette épaisseur est avantageusement inférieure ou égale à 1,5 pm. La fabrication d'un dispositif de répartition de lumière selon l'invention nécessite la réalisation d'un simple guide d'onde planaire, au sein duquel sont gravés des réseaux de diffraction. La fabrication ne nécessite pas la mise en œuvre de procédés complexes, et présente des contraintes réduites notamment en termes d'alignement. Le dispositif de répartition de lumière selon l'invention peut donc être fabriqué de manière simple, rapide et peu coûteuse. The extraction assembly is housed within the planar waveguide, without increasing the thickness of the latter. The thickness of the light distribution device therefore corresponds to the thickness of the planar waveguide. The light distribution device can therefore have a reduced thickness, compatible in particular with its integration into an optical imaging system without a lens such as that described in the introduction. In particular, the light distribution device according to the invention can easily have a thickness less than or equal to the distance which separates, in use, the sample and the detection module in the optical imaging system without lens described in the introduction. . This thickness is advantageously less than or equal to 1.5 μm. The manufacture of a light distribution device according to the invention requires the production of a simple planar waveguide, within which diffraction gratings are etched. Manufacturing does not require the implementation of complex processes, and presents reduced constraints, particularly in terms of alignment. The light distribution device according to the invention can therefore be manufactured in a simple, rapid and inexpensive manner.
En fonctionnement, la lumière est injectée dans le dispositif de répartition de lumière au niveau d'une face transverse de ce dernier, au niveau de la couche de cœur. La lumière circule ensuite dans le guide d'onde planaire, par réflexions successives aux interfaces entre la couche de cœur et chacune des couches de gaine. Au cours de sa propagation dans le guide d'onde planaire, la lumière n'est confinée que selon l'axe de l'épaisseur du guide d'onde planaire, c'est-à-dire selon un axe orthogonal au plan du guide d'onde planaire. Dans les deux autres dimensions de l'espace, la propagation dans le guide d'onde planaire se traduit par un étalement spatial de la lumière (à moins que le faisceau injecté ne présente déjà une largeur sensiblement égale à celle du guide d'onde planaire).
La lumière circulant dans le guide d'onde planaire est extraite hors de ce dernier par chacun des réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction. De préférence, chaque réseau de diffraction est configuré pour extraire la lumière sous la forme d'un faisceau lumineux orienté selon un axe orthogonal au plan du guide d'onde planaire. En pratique, la lumière est extraite en direction de la scène à éclairer ainsi que dans la direction opposée, mais on peut privilégier l'une des directions par des choix adaptés d'indice optique dans les milieux au contact du guide d'onde planaire. In operation, the light is injected into the light distribution device at the level of a transverse face of the latter, at the level of the core layer. The light then circulates in the planar waveguide, by successive reflections at the interfaces between the core layer and each of the cladding layers. During its propagation in the planar waveguide, the light is confined only along the axis of the thickness of the planar waveguide, that is to say along an axis orthogonal to the plane of the guide planar wave. In the other two dimensions of space, the propagation in the planar waveguide results in a spatial spreading of the light (unless the injected beam already has a width substantially equal to that of the planar waveguide ). The light circulating in the planar waveguide is extracted out of the latter by each of the diffraction gratings of the extraction assembly. Preferably, each diffraction grating is configured to extract light in the form of a light beam oriented along an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide. In practice, the light is extracted in the direction of the scene to be illuminated as well as in the opposite direction, but one can favor one of the directions by suitable choices of optical index in the media in contact with the planar waveguide.
La lumière se propageant dans le guide d'onde planaire n'atteint pas simultanément tous les réseaux de diffraction. Chaque réseau de diffraction n'extrait qu'une partie de la lumière arrivant à son niveau dans le guide d'onde planaire, la lumière non extraite continuant à se propager dans le guide d'onde planaire jusqu'au réseau de diffraction suivant. Cela permet une extraction de lumière selon une surface de grande étendue, d'autant que cet effet s'ajoute à la libre propagation de la lumière dans le plan du guide d'onde planaire. Le dispositif de répartition de lumière selon l'invention peut ainsi récupérer la lumière d'un faisceau lumineux étroit, et répartir cette lumière sur au moins une surface de grande étendue située à l'extérieur du guide d'onde planaire. L'une parmi l'au moins une surface appartient de préférence à un échantillon à analyser, et présente de préférence une largeur supérieure ou égal à 1 mm (la largeur désignant la plus grande distance séparant deux points sur la surface considérée, par exemple un diamètre ou un grand axe d'ellipse). La répartition de lumière est relativement homogène, puisque chaque réseau participe à l'extraction de lumière. The light propagating in the planar waveguide does not simultaneously reach all the diffraction gratings. Each diffraction grating extracts only part of the light arriving at its level in the planar waveguide, the non-extracted light continuing to propagate in the planar waveguide to the next diffraction grating. This allows light extraction over a large area, especially since this effect is added to the free propagation of light in the plane of the planar waveguide. The light distribution device according to the invention can thus recover the light of a narrow light beam, and distribute this light over at least one large area located outside the planar waveguide. One of the at least one surface preferably belongs to a sample to be analyzed, and preferably has a width greater than or equal to 1 mm (the width designating the greatest distance separating two points on the surface considered, for example a diameter or a major ellipse axis). The light distribution is relatively homogeneous, since each network participates in the extraction of light.
L'invention permet ainsi de répartir la lumière sur une large surface, de manière homogène, et à l'aide d'un dispositif fin et facile à fabriquer. The invention thus makes it possible to distribute the light over a large surface, in a homogeneous manner, and with the aid of a thin device that is easy to manufacture.
L'extraction de la lumière par des réseaux de diffraction permet en outre de maîtriser un angle d'extraction de la lumière. The extraction of light by diffraction gratings also makes it possible to control an angle of extraction of the light.
Avantageusement, l'ensemble d'extraction est situé dans l'une parmi les deux couches de gaine. Advantageously, the extraction assembly is located in one of the two sheath layers.
Le dispositif peut comporter en outre un substrat de support, transparent sur une plage de longueurs d'onde d'utilisation du guide d'onde planaire, et superposé au guide d'onde planaire le long d'un axe orthogonal au plan du guide d'onde planaire. Le substrat
de support peut comporter une cavité, située du côté opposé au guide d'onde planaire, et dont une étendue dans un plan parallèle au plan du guide d'onde planaire est supérieure ou égale à une étendue de l'ensemble d'extraction dans un plan parallèle au plan du guide d'onde planaire. The device may further include a support substrate, transparent over a range of wavelengths of use of the planar waveguide, and superimposed on the planar waveguide along an axis orthogonal to the plane of the waveguide. planar wave. The substrate support may include a cavity, located on the side opposite the planar waveguide, and an extent in a plane parallel to the plane of the planar waveguide is greater than or equal to an extent of the extraction assembly in a plane parallel to the plane of the planar waveguide.
Les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction peuvent s'étendre selon une série de bandes parallèles entre elles, qui s'étendent chacune d'un bord à l'autre de l'ensemble d'extraction. En variante, ils peuvent être répartis selon les deux dimensions d'un plan parallèle au plan du guide d'onde planaire. The diffraction gratings of the extraction assembly can extend in a series of parallel bands between them, which each extend from one edge to the other of the extraction assembly. As a variant, they can be distributed along the two dimensions of a plane parallel to the plane of the planar waveguide.
De préférence, le dispositif selon l'invention est configuré pour, en utilisation, répartir sur la scène à éclairer des rayons lumineux dont un spectre en longueur d'onde est centré sur une longueur d'onde nommée longueur d'onde centrale, et les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction présentent tous une même valeur moyenne du pas, avec ladite valeur moyenne du pas adaptée pour extraire hors du guide d'onde planaire, et selon un axe orthogonal au plan du guide d'onde planaire, un faisceau lumineux à la longueur d'onde centrale se propageant dans le guide d'onde planaire. Preferably, the device according to the invention is configured for, in use, distributing on the scene to be illuminated light rays, a wavelength spectrum of which is centered on a wavelength called the central wavelength, and them. diffraction gratings of the extraction assembly all have the same mean value of the pitch, with said mean value of the pitch adapted to extract outside the planar waveguide, and along an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide, a light beam at the central wavelength propagating in the planar waveguide.
Avantageusement, l'ensemble d'extraction est situé dans l'une parmi les deux couches de gaine, et en ce que les motifs des réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction sont constitués chacun d'au moins une zone pleine et au moins une zone creuse, où l'au moins une zone pleine est constituée du matériau de la couche de gaine recevant l'ensemble d'extraction, et où l'au moins une zone creuse est apte à être occupée par un milieu environnant. Advantageously, the extraction assembly is located in one of the two cladding layers, and in that the patterns of the diffraction gratings of the extraction assembly each consist of at least one solid zone and at the at least one hollow zone, where the at least one solid zone consists of the material of the sheath layer receiving the extraction assembly, and where the at least one hollow zone is able to be occupied by a surrounding medium.
Les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction peuvent être constitués chacun d'une pluralité de motifs, avec les motifs desdits réseaux de diffraction qui s'étendent le long de lignes droites parallèles entre elles. En variante, les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction peuvent être constitués chacun d'une pluralité de motifs, avec les motifs desdits réseaux de diffraction qui s'étendent le long de lignes courbes convexes qui s'étendent chacune d'un bord au bord opposé du guide d'onde planaire. The diffraction gratings of the extraction assembly may each consist of a plurality of patterns, with the patterns of said diffraction gratings extending along straight lines parallel to each other. Alternatively, the diffraction gratings of the extraction assembly may each be made up of a plurality of patterns, with the patterns of said diffraction gratings extending along convex curved lines each extending from one to the other. edge to the opposite edge of the planar waveguide.
De manière avantageuse, le dispositif selon l'invention est configuré pour, en utilisation, répartir sur la scène à éclairer des rayons lumineux dont un spectre en longueur d'onde s'étend depuis une longueur d'onde minimale jusqu'à une longueur d'onde
maximale, et le guide d'onde planaire est monomode selon un axe orthogonal au plan du guide d'onde planaire et à ladite longueur d'onde minimale. Advantageously, the device according to the invention is configured to, in use, distribute on the scene to be illuminated light rays, a wavelength spectrum of which extends from a minimum wavelength to a length d. 'wave maximum, and the planar waveguide is single-mode along an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide and to said minimum wavelength.
L'invention couvre également un système d'imagerie infrarouge qui comporte :The invention also covers an infrared imaging system which comprises:
- un dispositif de répartition de lumière selon l'invention, configuré pour, en utilisation, répartir sur une scène à éclairer des rayons lumineux provenant d'une source lumineuse annexe ; et - A light distribution device according to the invention, configured to, in use, distribute over a scene to be illuminated light rays coming from an ancillary light source; and
- un module de détection, comportant un détecteur infrarouge matriciel configuré pour recevoir des rayons lumineux renvoyés par la scène à éclairer ; avec le détecteur infrarouge matriciel situé au regard de l'ensemble d'extraction, et du côté du guide d'onde planaire recevant l'ensemble d'extraction, et avec un taux de superposition entre les détecteurs infrarouge composant le détecteur infrarouge matriciel, et les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction, qui est inférieur ou égal à 50%. a detection module, comprising an infrared matrix detector configured to receive light rays returned by the scene to be lit; with the matrix infrared detector located opposite the extraction assembly, and on the side of the planar waveguide receiving the extraction assembly, and with a degree of superposition between the infrared detectors making up the matrix infrared detector, and the diffraction gratings of the extraction assembly, which is less than or equal to 50%.
Le système peut comporter en outre une source lumineuse infrarouge formant la source lumineuse annexe, et le dispositif de répartition de lumière est configuré pour, en utilisation, recevoir en entrée des rayons lumineux provenant de ladite source lumineuse infrarouge et répartir ces rayons sur la scène à éclairer, avec l'entrée du dispositif de répartition de lumière formée par une face transverse du guide d'onde planaire. The system may further include an infrared light source forming the auxiliary light source, and the light distribution device is configured to, in use, receive as input light rays coming from said infrared light source and distribute these rays on the scene to illuminate, with the input of the light distribution device formed by a transverse face of the planar waveguide.
Le système peut comporter en outre un ensemble d'imagerie comprenant au moins une lentille réfractive, disposé entre l'entrée du dispositif de répartition de lumière et la source lumineuse infrarouge, et configuré pour recevoir en entrée la lumière émise par la source lumineuse infrarouge et pour fournir en sortie un faisceau de rayons lumineux parallèles entre eux. The system may further include an imaging assembly comprising at least one refractive lens, disposed between the input of the light distribution device and the infrared light source, and configured to receive as input the light emitted by the infrared light source and to output a beam of light rays parallel to each other.
Le système peut comporter en outre un élément d'espacement, monté solidaire du module de détection et pourvu d'une surface d'appui destinée à venir au contact d'un échantillon à analyser et située d'un côté de l'élément d'espacement opposé au module de détection, et le dispositif de répartition de lumière forme tout ou partie de l'élément d'espacement.
Brève description des figures The system may further include a spacer element, mounted integral with the detection module and provided with a bearing surface intended to come into contact with a sample to be analyzed and located on one side of the element to be analyzed. spacing opposite to the detection module, and the light distribution device forms all or part of the spacer element. Brief description of the figures
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : The present invention will be better understood on reading the description of embodiments given purely as an indication and in no way limiting, with reference to the appended drawings in which:
[Fig. IA] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, un premier mode de réalisation d'un dispositif de répartition de lumière selon l'invention ; [Fig. IA] schematically illustrates, and in a sectional view, a first embodiment of a light distribution device according to the invention;
[Fig. IB], [Fig. IB],
[Fig. IC], [Fig. IC],
[Fig. 1D], et [Fig. 1D], and
[Fig. 1E] illustrent de façon schématique, selon une vue de dessus, différents exemples de répartition des réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction, dans un dispositif selon l'invention tel que celui de la figure IA ; [Fig. 1E] schematically illustrate, in a top view, various examples of distribution of the diffraction gratings of the extraction assembly, in a device according to the invention such as that of FIG. 1A;
[Fig. 2] illustre de façon schématique le mode de réalisation de la figure IA, en utilisation ; [Fig. 3] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de répartition de lumière selon l'invention ; [Fig. 2] schematically illustrates the embodiment of FIG. 1A, in use; [Fig. 3] schematically illustrates, and in a sectional view, a second embodiment of a light distribution device according to the invention;
[Fig. 4] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, un troisième mode de réalisation d'un dispositif de répartition de lumière selon l'invention ; [Fig. 4] illustrates schematically, and in a sectional view, a third embodiment of a light distribution device according to the invention;
[Fig. 5] illustre de façon schématique un quatrième mode de réalisation d'un dispositif de répartition de lumière selon l'invention ; [Fig. 5] schematically illustrates a fourth embodiment of a light distribution device according to the invention;
[Fig. 6] illustre de façon schématique, et selon une vue en coupe, un premier mode de réalisation d'un système d'imagerie infrarouge selon l'invention ; [Fig. 6] schematically illustrates, and in a sectional view, a first embodiment of an infrared imaging system according to the invention;
[Fig. 7 A] et [Fig. 7 A] and
[Fig. 7B] illustrent de façon schématique un deuxième mode de réalisation d'un système d'imagerie infrarouge selon l'invention ; [Fig. 7B] schematically illustrate a second embodiment of an infrared imaging system according to the invention;
[Fig. 8A] et [Fig. 8A] and
[Fig. 8B] illustrent de façon schématique un troisième mode de réalisation d'un système d'imagerie infrarouge selon l'invention ; et [Fig. 8B] schematically illustrate a third embodiment of an infrared imaging system according to the invention; and
[Fig. 9] illustre de façon schématique un système d'imagerie infrarouge selon l'invention, en utilisation.
Description des modes de réalisation [Fig. 9] schematically illustrates an infrared imaging system according to the invention, in use. Description of the embodiments
Pour faciliter la lecture, on a représenté sur les figures les axes d'un repère orthonormé (Oxyz). To facilitate reading, the axes of an orthonormal coordinate system (Oxyz) have been shown in the figures.
Dans tout le texte, le terme « infrarouge » se rapporte à une partie du spectre lumineux appartenant à une bande spectrale allant de 0,78 pm à 50 pm, plus préférentiellement de 2 pm à 12 pm. Throughout the text, the term “infrared” refers to a part of the light spectrum belonging to a spectral band ranging from 0.78 μm to 50 μm, more preferably from 2 μm to 12 μm.
Dans tout le texte, un guide d'onde planaire désigne un élément de guidage optique, apte à guider la propagation de la lumière par réflexions successives sur des faces planes parallèles entre elles. Dans un guide d'onde planaire, la lumière est confinée selon l'un des axes de l'espace à trois dimensions, et libre de se propager selon les deux autres axes de l'espace à trois dimensions. Un guide d'onde est constitué d'un cœur, dans lequel circule la lumière, et d'une gaine, assurant une différence d'indice optique souhaitée entre le cœur et un milieu entourant le cœur. Dans le cas d'un guide d'onde planaire, une couche de cœur est intercalée entre deux couches de gaine, et la lumière est guidée dans la couche de cœur par réflexions successives aux interfaces entre la couche de cœur et chacune respective des couches de gaine (ici, il s'agit plus particulièrement d'un guidage réfractif). La couche de cœur est constituée en pratique d'une pièce optique présentant une dimension réduite selon l'un des axes de l'espace à trois dimensions (ici l'axe (Oz) de l'épaisseur), et de grandes dimensions selon chacun des deux autres axes de l'espace à trois dimensions (ici les axes (Ox) et (Oy) de la longueur et la largeur). Ainsi, la lumière est confinée selon l'axe (Oz), et se propage librement selon les axes (Oy) et (Ox). Dans la couche de cœur, le rapport entre l'épaisseur et la longueur, respectivement l'épaisseur et la largeur, est de préférence supérieur ou égal à 5, voire supérieur ou égal à 10. La couche de cœur est constituée d'un matériau optiquement transparent aux longueurs d'onde à propager, par exemple avec un coefficient de transmission supérieur ou égal à 98% auxdites longueurs d'onde. Elle présente avantageusement un même indice optique et une même composition chimique sur tout son volume. Throughout the text, a planar waveguide designates an optical guiding element capable of guiding the propagation of light by successive reflections on flat faces parallel to each other. In a planar waveguide, light is confined along one of the axes of three-dimensional space, and free to propagate along the other two axes of three-dimensional space. A waveguide consists of a core, in which light circulates, and a cladding, providing a desired optical index difference between the heart and a medium surrounding the heart. In the case of a planar waveguide, a core layer is interposed between two cladding layers, and light is guided into the core layer by successive reflections at the interfaces between the core layer and each respective one of the core layers. sheath (here, it is more particularly a refractive guide). The core layer consists in practice of an optical part having a reduced dimension along one of the axes of three-dimensional space (here the axis (Oz) of the thickness), and of large dimensions according to each the other two axes of three-dimensional space (here the axes (Ox) and (Oy) of length and width). Thus, the light is confined along the (Oz) axis, and propagates freely along the (Oy) and (Ox) axes. In the core layer, the ratio between the thickness and the length, respectively the thickness and the width, is preferably greater than or equal to 5, or even greater than or equal to 10. The core layer consists of a material optically transparent at the wavelengths to be propagated, for example with a transmission coefficient greater than or equal to 98% at said wavelengths. It advantageously has the same optical index and the same chemical composition over its entire volume.
Un premier mode de réalisation d'un dispositif 100 de répartition de lumière selon l'invention est représenté à la figure IA, selon une vue en coupe dans un plan (xOz).
Le dispositif 100 comporte une première couche de gaine 130i, une couche de cœur 120, et une seconde couche de gaine 1302, superposées dans cet ordre le long de l'axe (Oz) pour former un guide d'onde planaire 110. Chacune de ces trois couches est optiquement transparente aux longueurs d'onde à propager, par exemple avec un coefficient de transmission supérieur ou égal à 98% auxdites longueurs d'onde. Les longueurs d'onde à propager désigne une plage de longueurs d'onde que le dispositif est adapté à recevoir puis à répartir sur une scène à éclairer. A first embodiment of a light distribution device 100 according to the invention is shown in FIG. 1A, in a sectional view in a plane (xOz). The device 100 includes a first cladding layer 130i, a core layer 120, and a second cladding layer 130 2 , superimposed in this order along the axis (Oz) to form a planar waveguide 110. Each of these three layers is optically transparent to the wavelengths to be propagated, for example with a transmission coefficient greater than or equal to 98% at said wavelengths. The wavelengths to be propagated designate a range of wavelengths that the device is suitable for receiving and then for distributing over a scene to be illuminated.
L'indice optique de la première couche de gaine 130i et l'indice optique de la seconde couche de gaine 1302 sont chacun inférieurs à l'indice optique de la couche de cœur 120. Les différences entre l'indice optique de la couche de cœur et l'indice optique de la première, respectivement seconde couche de gaine, sont adaptées pour permettre un guidage optique de la lumière dans la couche de cœur. Ici, mais de manière non limitative, la première couche de gaine 130i et la seconde couche de gaine 1302 sont constituées d'un même matériau. La couche de cœur 120 est par exemple en germanium (Ge), ou un alliage germanium-silicium (SiGe). Les couches de gaine 130i, 1302 sont par exemple en un alliage germanium-silicium (SiGe), avec une plus forte teneur en silicium que dans la couche de cœur. Par exemple, la couche de cœur est en germanium et les couches de gaine en alliage germanium-silicium avec 40% d'atomes de germanium. The optical index of the first clad layer 130i and the optical index of the second clad layer 130 2 are each lower than the optical index of the core layer 120. The differences between the optical index of the core layer core and the optical index of the first, respectively second cladding layer, are adapted to allow optical guidance of the light in the core layer. Here, but in a nonlimiting manner, the first sheath layer 130i and the second sheath layer 130 2 are made of the same material. The core layer 120 is for example made of germanium (Ge), or a germanium-silicon alloy (SiGe). The cladding layers 130i, 130 2 are for example made of a germanium-silicon alloy (SiGe), with a higher silicon content than in the core layer. For example, the core layer is germanium and the cladding layers of germanium-silicon alloy with 40 atom% germanium.
La couche de cœur 120 est délimitée, le long de l'axe (Oz), par deux faces 121, 122 parallèles au plan (xOy). Ces faces 121, 122 sont les faces de plus grande étendue, ou aire, de la couche de cœur 120. On définit un plan du guide d'onde planaire 110, comme étant un plan parallèle auxdites faces 121, 122. De préférence, les plus grandes faces externes du guide d'onde planaire 110 s'étendent dans des plans parallèles aux faces 121, 122. La couche de cœur 120 et la première, respectivement deuxième, couche de gaine 130i, 1302, sont en contact physique direct l'une avec l'autre. La couche de cœur 120 et les deux couches de gaine 130i, 1302 sont superposées les unes sur les autres, le long d'un axe (Oz) orthogonal au plan (xOy) du guide d'onde planaire, et avec la couche de cœur intercalée entre les deux couches de gaine 130i, 1302. The core layer 120 is delimited, along the axis (Oz), by two faces 121, 122 parallel to the plane (xOy). These faces 121, 122 are the faces of greatest extent, or area, of the core layer 120. A plane of the planar waveguide 110 is defined as being a plane parallel to said faces 121, 122. Preferably, the larger external faces of the planar waveguide 110 extend in planes parallel to the faces 121, 122. The core layer 120 and the first, respectively second, cladding layer 130i, 130 2 , are in direct physical contact. 'with each other. The core layer 120 and the two cladding layers 130i, 130 2 are superimposed on each other, along an axis (Oz) orthogonal to the plane (xOy) of the planar waveguide, and with the layer of core interposed between the two layers of sheath 130i, 130 2 .
Le guide d'onde planaire 110 présente ici une forme de parallélépipède rectangle à base carrée. De préférence, la longueur et la largeur (selon l'axe (Ox), respectivement (Oy))
du guide d'onde planaire 110 sont chacune comprises entre 5 mm et 20 mm, par exemple égales à 10 mm. Le guide d'onde planaire 110 peut comporter également des gaines latérales, en contact physique direct avec la couche de cœur 120 au niveau de deux faces transverses opposées de cette dernière. Les gaines latérales sont constituées d'un matériau d'indice optique inférieur à celui de la couche de cœur, de préférence le même matériau que celui des première et seconde couches de gaines 130i, 1302. The planar waveguide 110 here has the shape of a rectangular parallelepiped with a square base. Preferably, the length and the width (along the axis (Ox), respectively (Oy)) of the planar waveguide 110 are each between 5 mm and 20 mm, for example equal to 10 mm. The planar waveguide 110 may also include lateral claddings, in direct physical contact with the core layer 120 at the level of two opposite transverse faces of the latter. The side sheaths are made of a material having an optical index lower than that of the core layer, preferably the same material as that of the first and second layers of sheaths 130i, 130 2 .
Le dispositif 100 comporte en outre un ensemble d'extraction 150, situé dans le guide d'onde planaire 110, et constitué d'une pluralité de réseaux de diffraction 151. Les réseaux de diffraction sont répartis selon les deux dimensions d'un plan (xOy). De préférence, ils sont répartis de façon régulière dans le plan (xOy). The device 100 further comprises an extraction assembly 150, located in the planar waveguide 110, and consisting of a plurality of diffraction gratings 151. The diffraction gratings are distributed along the two dimensions of a plane ( xOy). Preferably, they are distributed regularly in the plane (xOy).
Dans l'exemple illustré ici, l'ensemble d'extraction 150 s'étend plus particulièrement dans l'une des deux couches de gaine, ici la seconde couche de gaine 1302. Dans des variantes non représentées, l'ensemble d'extraction s'étend dans la couche de cœur 120. In the example illustrated here, the extraction assembly 150 extends more particularly in one of the two sheath layers, here the second sheath layer 130 2 . In variants not shown, the extraction assembly extends into the core layer 120.
Un réseau de diffraction désigne une succession de motifs, répartis de manière périodique ou quasi-périodique (variation du pas inférieure ou égale à 10% entre deux motifs consécutifs). Dans l'invention, chaque réseau de diffraction 151 est adapté à dévier, vers l'extérieur du guide d'onde planaire 110, la lumière circulant dans la couche de cœur 120. A diffraction grating designates a succession of patterns, distributed periodically or quasi-periodically (variation of the pitch less than or equal to 10% between two consecutive patterns). In the invention, each diffraction grating 151 is adapted to deflect, towards the outside of the planar waveguide 110, the light circulating in the core layer 120.
Les réseaux de diffraction 151 sont de préférence tous agencés coplanaires. Ici, mais de manière non limitative, chacun des réseaux de diffraction 151 s'étend selon toute l'épaisseur de la seconde couche de gaine 1302. En variante, chacun des réseaux de diffraction 151 ne s'étend que sur une partie seulement de l'épaisseur de la seconde couche de gaine 1302. En tout état de cause, les motifs formant le réseau de diffraction 151 sont de préférence invariants selon l'axe (Oz). Chaque motif comporte une première portion constituée du matériau de la seconde couche de gaine 1302, et une seconde portion constituée d'un autre matériau. La seconde portion peut être pleine, constituée par exemple de ZnS, ou creuse, apte à être occupée par un milieu gazeux environnant tel que l'air. The diffraction gratings 151 are preferably all arranged coplanar. Here, but in a nonlimiting manner, each of the diffraction gratings 151 extends along the entire thickness of the second cladding layer 130 2 . As a variant, each of the diffraction gratings 151 extends only over a part only of the thickness of the second cladding layer 130 2 . In any event, the patterns forming the diffraction grating 151 are preferably invariant along the (Oz) axis. Each pattern comprises a first portion consisting of the material of the second sheath layer 130 2 , and a second portion consisting of another material. The second portion may be solid, consisting for example of ZnS, or hollow, capable of being occupied by a surrounding gaseous medium such as air.
Les réseaux de diffraction sont avantageusement répartis selon un arrangement régulier dans un plan (xOy). On décrit ci-après différents exemples de répartition.
La figure IB illustre de façon schématique un premier exemple de répartition des réseaux de diffraction 151 dans le guide d'onde planaire. La figure IB représente de façon schématique un ensemble d'extraction dans un dispositif selon l'invention, selon une vue de dessus en transparence. Les réseaux de diffraction 151 s'étendent ici le long de lignes parallèles entre elles, allant chacune d'un bord au bord opposé du guide d'onde planaire. Ici, les réseaux de diffraction 151 s'étendent plus particulièrement le long de lignes parallèles à l'axe (Oy), et sont répartis de façon régulière le long de l'axe (Ox). The diffraction gratings are advantageously distributed in a regular arrangement in a plane (xOy). Various examples of distribution are described below. FIG. 1B schematically illustrates a first example of distribution of the diffraction gratings 151 in the planar waveguide. FIG. IB schematically represents an extraction assembly in a device according to the invention, in a top view in transparency. The diffraction gratings 151 here extend along lines parallel to each other, each going from one edge to the opposite edge of the planar waveguide. Here, the diffraction gratings 151 extend more particularly along lines parallel to the axis (Oy), and are distributed regularly along the axis (Ox).
La figure IC représente une vue de détail de l'un des réseaux de diffraction 151 illustrés en figure IB. Il s'agit plus particulièrement d'une vue de détail de la portion de réseau 151i entourée à la figure IB. Chaque réseau de diffraction est un réseau à une dimension, constitué de motifs 1510 qui s'étendent ici selon des lignes parallèles à l'axe (Oy). Dans chaque réseau de diffraction 151, un pas de répartition des motifs le long de l'axe (Ox) est noté Px. FIG. 1C represents a detailed view of one of the diffraction gratings 151 illustrated in FIG. IB. It is more particularly a detail view of the network portion 151i circled in FIG. 1B. Each diffraction grating is a one-dimensional grating, made up of patterns 1510 which here extend along lines parallel to the axis (Oy). In each diffraction grating 151, a pattern distribution step along the axis (Ox) is denoted P x .
La figure 1D illustre de façon schématique un autre exemple de répartition des réseaux de diffraction 151' dans le guide d'onde planaire. Dans cette variante, les réseaux de diffraction 15 sont répartis selon les deux dimensions (Ox) et (Oy) du plan du guide d'onde planaire. Ici, les réseaux de diffractions sont rangés en lignes et en colonnes. Les lignes et colonnes s'étendent respectivement selon l'axe (Ox) et selon l'axe (Oy), avec ici un même pas de répartition selon les axes (Ox) et (Oy). Chaque réseau de diffraction 15 présente ici une section carrée dans un plan (xOy). Comme dans l'exemple précédent, chaque réseau de diffraction 151' est un réseau à une dimension, constitué ici de motifs qui s'étendent selon des lignes parallèles à l'axe (Oy) (comme la portion de réseau illustrée en figure IC). FIG. 1D schematically illustrates another example of the distribution of the diffraction gratings 151 ′ in the planar waveguide. In this variant, the diffraction gratings 15 are distributed along the two dimensions (Ox) and (Oy) of the plane of the planar waveguide. Here, the diffraction gratings are arranged in rows and columns. The rows and columns extend respectively along the axis (Ox) and along the axis (Oy), here with the same distribution pitch along the axes (Ox) and (Oy). Each diffraction grating 15 here has a square section in a plane (xOy). As in the previous example, each diffraction grating 151 'is a one-dimensional grating, here made up of patterns which extend along lines parallel to the (Oy) axis (like the grating portion illustrated in Figure 1C) .
La figure 1E illustre de façon schématique un autre exemple encore de répartition des réseaux de diffraction 151" dans le guide d'onde planaire. Là encore, les réseaux de diffraction 15 sont répartis selon les deux dimensions (Ox) et (Oy) du plan du guide d'onde planaire. Ici, les réseaux de diffraction 151" sont répartis en quinconce, et selon un arrangement régulier. Chaque réseau de diffraction 151" présente ici une section carrée dans un plan (xOy). Comme dans les exemples précédents, chaque réseau de diffraction
151" est un réseau à une dimension, constitué ici de motifs qui s'étendent selon des lignes parallèles à l'axe (Oy) (comme la portion de réseau illustrée en figure IC). FIG. 1E schematically illustrates yet another example of the distribution of the diffraction gratings 151 "in the planar waveguide. Here again, the diffraction gratings 15 are distributed according to the two dimensions (Ox) and (Oy) of the plane. of the planar waveguide. Here, the diffraction gratings 151 "are distributed in staggered rows, and in a regular arrangement. Each diffraction grating 151 "here has a square section in a plane (xOy). As in the previous examples, each diffraction grating 151 "is a one-dimensional lattice, made up here of patterns which extend along lines parallel to the (Oy) axis (like the portion of the lattice illustrated in FIG. 1C).
Comme illustré plus loin, en référence à la figure 8A, l'invention n'est pas limitée à un dispositif avec des réseaux de diffraction dont les motifs s'étendent selon des lignes droites parallèles entre elles. As illustrated below, with reference to FIG. 8A, the invention is not limited to a device with diffraction gratings whose patterns extend along straight lines parallel to each other.
En fonctionnement, le dispositif 100 est immergé dans un milieu environnant gazeux ou liquide, de préférence de l'air. La lumière arrive sur le dispositif 100, au niveau d'une face transverse de ce dernier nommée face d'entrée 113, et à hauteur de la couche de cœur 120. La face d'entrée 113 s'étend ici dans un plan parallèle au plan (yOz). A l'intérieur du guide d'onde planaire 110, la lumière se propage dans la couche de cœur 120 par réflexions successives aux interfaces entre la couche de cœur 120 et chacune des couches de gaine 130i et 1302. Ici, la lumière se propage dans le guide d'onde planaire le long de l'axe (Ox). Si le faisceau lumineux injecté dans le guide d'onde planaire 110 est plus étroit que ce dernier, la lumière se propage dans le guide d'onde planaire 110 en s'étalant le long de l'axe (Oy). La lumière est extraite hors du guide d'onde planaire 110, au niveau de l'ensemble d'extraction 150. De préférence, chacun des réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction participe à cette extraction de lumière. A l'exception d'une série de réseaux située du côté opposé à la face d'entrée 113, chacun des réseaux de diffraction n'extrait qu'une partie seulement de la lumière arrivant à son niveau. Ainsi, la lumière non extraite continue à se propager dans le guide d'onde planaire jusqu'à un réseau de diffraction voisin, qui à son tour réalisera l'extraction d'une partie au moins de la lumière arrivant à son niveau. On réalise ainsi une extraction de lumière vers l'extérieur du guide d'onde planaire 110, et une répartition de cette lumière sur une surface d'étendue supérieure ou égale à celle de l'ensemble d'extraction 150. In operation, the device 100 is immersed in a surrounding gaseous or liquid medium, preferably air. The light arrives on the device 100, at the level of a transverse face of the latter called the inlet face 113, and at the height of the core layer 120. The inlet face 113 extends here in a plane parallel to the plan (yOz). Inside the planar waveguide 110, the light propagates in the core layer 120 by successive reflections at the interfaces between the core layer 120 and each of the cladding layers 130i and 130 2 . Here, the light propagates in the planar waveguide along the (Ox) axis. If the light beam injected into the planar waveguide 110 is narrower than the latter, the light propagates in the planar waveguide 110 by spreading along the axis (Oy). The light is extracted outside the planar waveguide 110, at the level of the extraction assembly 150. Preferably, each of the diffraction gratings of the extraction assembly participates in this light extraction. With the exception of a series of gratings located on the side opposite to the input face 113, each of the diffraction gratings extracts only part of the light arriving at its level. Thus, the unextracted light continues to propagate in the planar waveguide to a neighboring diffraction grating, which in turn will extract at least part of the light arriving at its level. One thus achieves an extraction of light towards the outside of the planar waveguide 110, and a distribution of this light over a surface area greater than or equal to that of the extraction assembly 150.
La figure 2 illustre de façon schématique le dispositif 100, en utilisation. La flèche 20 représente le faisceau de lumière injecté en entrée du guide d'onde planaire 110. Les faisceaux 21 représentent les faisceaux de lumière extraits au niveau de chacun des réseaux de diffraction 151, en direction d'une scène à éclairer S. La scène à éclairer S s'étend ici au regard de l'ensemble d'extraction, dans un plan (xOy). La scène à éclairer S est représentée ici espacée du dispositif 100 selon l'invention. En pratique, elle est plutôt accolée contre
une face externe du dispositif 100 selon l'invention. La scène à éclairer S présente par exemple une largeur comprise entre 1 mm et 15 mm La scène à éclairer 20 présente par exemple une largeur comprise entre 1 mm et 15 mm (plus grande distance entre deux points). Il s'agit par exemple d'un carré de 3 mm de côté. En tout état de cause, les dimensions de la scène à éclairer sont sensiblement égales aux dimensions de l'ensemble d'extraction. FIG. 2 schematically illustrates the device 100, in use. The arrow 20 represents the light beam injected at the input of the planar waveguide 110. The beams 21 represent the light beams extracted at the level of each of the diffraction gratings 151, in the direction of a scene to be illuminated S. The scene to be illuminated S extends here with regard to the extraction assembly, in a plane (xOy). The scene to be lit S is shown here spaced from the device 100 according to the invention. In practice, it is rather contiguous against an external face of the device 100 according to the invention. The scene to be lit S has for example a width of between 1 mm and 15 mm The scene to be lit 20 has for example a width of between 1 mm and 15 mm (greatest distance between two points). It is for example a square of 3 mm side. In any event, the dimensions of the scene to be lit are substantially equal to the dimensions of the extraction assembly.
Chacun des réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction extrait de la lumière hors du plan du guide d'onde planaire, sous la forme d'un faisceau divergent. On peut ainsi répartir la lumière sur la scène à éclairer, sans zone d'ombre, et à l'aide de réseaux de diffraction espacés les uns des autres. Plus l'angle (solide) de divergence des faisceaux lumineux extraits est élevé, plus les réseaux de diffraction peuvent être espacés les uns des autres. Each of the diffraction gratings of the extraction assembly extracts light out of the plane of the planar waveguide as a diverging beam. It is thus possible to distribute the light on the scene to be illuminated, without a shadow zone, and with the aid of diffraction gratings spaced from one another. The higher the angle (solid) of divergence of the extracted light beams, the more the diffraction gratings can be spaced from each other.
Dans le guide d'onde planaire, un angle entre une face externe du guide d'onde planaire au niveau de laquelle émerge la lumière, et un rayon lumineux dévié par un réseau de diffraction, doit rester inférieur à un seuil critique au-delà duquel la lumière déviée est réfléchie à l'intérieur du dispositif selon l'invention. Ici, la lumière est extraite selon des faisceaux lumineux orientés chacun selon la normale au plan du guide d'onde planaire, avec un demi-angle de divergence Oi (où le demi-angle de divergence désigne la moitié de l'angle total de divergence). Oi doit donc rester inférieur audit seuil critique. On suppose que la face externe du guide d'onde planaire au niveau de laquelle émerge la lumière est parallèle au plan du guide d'onde planaire, ce qui est généralement le cas. De préférence, les réseaux de diffraction sont configurés pour que le demi-angle de divergence soit égal, ou seulement légèrement inférieur, au seuil critique. On maximise ainsi la divergence des réseaux ce qui permet de les espacer au maximum, et ainsi de limiter un nombre de détecteurs infrarouge aveuglés dans le système décrit ci-après. In the planar waveguide, an angle between an external face of the planar waveguide at which the light emerges, and a light ray deflected by a diffraction grating, must remain below a critical threshold beyond which the deflected light is reflected inside the device according to the invention. Here, the light is extracted in light beams each oriented according to the normal to the plane of the planar waveguide, with a half-angle of divergence Oi (where the half-angle of divergence denotes half of the total angle of divergence ). Oi must therefore remain below said critical threshold. It is assumed that the outer face of the planar waveguide at which the light emerges is parallel to the plane of the planar waveguide, which is generally the case. Preferably, the diffraction gratings are configured so that the half-angle of divergence is equal to, or only slightly less than, the critical threshold. The divergence of the networks is thus maximized, which makes it possible to space them out as far as possible, and thus to limit a number of blinded infrared detectors in the system described below.
Chaque réseau de diffraction de l'ensemble d'extraction dévie la lumière selon deux directions opposées : en direction de la scène à éclairer S et dans la direction opposée. Ici, la scène à éclairer se trouve du côté du guide d'onde planaire opposé à l'ensemble d'extraction. Comme détaillé dans la suite (voir description de la figure 6), il est possible de privilégier l'une de ces deux directions, pour faire en sorte que la majeure partie de la
lumière extraite arrive sur la scène à éclairer. En complément ou en variante, on peut bloquer les rayons émis dans la direction opposée, par exemple à l'aide d'une couche structurée absorbante ou réfléchissante accolée contre l'ensemble d'extraction. Ladite couche structurée comporte des zones pleines et des zones ouvertes, de manière à ce que chaque réseau de diffraction soit recouvert par une zone pleine absorbante ou réfléchissante du côté opposé à la scène à éclairer. Entre les réseaux de diffraction, les zones ouvertes permettent de laisser passer la lumière, notamment une lumière rétrodiffusée par la scène à éclairer. Each diffraction grating of the extraction assembly deflects the light in two opposite directions: in the direction of the scene to be illuminated S and in the opposite direction. Here, the scene to be illuminated is on the side of the planar waveguide opposite to the extraction assembly. As detailed below (see description of FIG. 6), it is possible to favor one of these two directions, to ensure that the major part of the extracted light arrives on the scene to be illuminated. In addition or as a variant, it is possible to block the rays emitted in the opposite direction, for example by means of an absorbing or reflecting structured layer contiguous against the extraction assembly. Said structured layer comprises solid zones and open zones, so that each diffraction grating is covered by a solid absorbing or reflecting zone on the side opposite to the scene to be illuminated. Between the diffraction gratings, the open areas allow light to pass, in particular light backscattered by the scene to be illuminated.
Chaque réseau de diffraction peut présenter une valeur du pas de répartition des motifs constante sur toute l'étendue du réseau de diffraction. En variante, l'un au moins des réseaux de diffraction peut présenter une valeur variable du pas de répartition des motifs, afin d'augmenter un angle de divergence de la lumière extraite. Avantageusement, tous les réseaux de l'ensemble d'extraction sont configurés pour extraire la lumière avec un même angle de divergence. Dans tous les cas, on peut définir une valeur moyenne du pas de répartition des motifs. Lorsque le pas est constant, cette valeur moyenne est égale au pas de répartition des motifs. Lorsque le pas est variable, cette valeur moyenne est égale à la moyenne arithmétique des valeurs prises par le pas de répartition des motifs. Each diffraction grating can have a constant pattern distribution pitch value over the entire extent of the diffraction grating. As a variant, at least one of the diffraction gratings may have a variable value of the pattern distribution pitch, in order to increase an angle of divergence of the extracted light. Advantageously, all the networks of the extraction assembly are configured to extract the light with the same angle of divergence. In all cases, an average value of the pattern distribution pitch can be defined. When the pitch is constant, this average value is equal to the pattern distribution pitch. When the pitch is variable, this mean value is equal to the arithmetic mean of the values taken by the pattern distribution pitch.
De préférence, les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction présentent tous une même valeur moyenne du pas de répartition des motifs. Cette valeur moyenne du pas de répartition des motifs, ou valeur moyenne du pas, est adaptée pour que la lumière extraite par le réseau correspondant forme un faisceau lumineux centré sur un axe orthogonal au plan du guide d'onde planaire. Pour cela, la valeur moyenne du pas est adaptée pour que la lumière à une longueur d'onde centrale soit déviée selon un axe orthogonal au plan du guide d'onde planaire. La longueur d'onde centrale désigne la valeur centrale d'une plage de longueurs d'onde que le dispositif selon l'invention est adapté à recevoir en circulation dans le guide d'onde planaire puis à extraire vers une scène à éclairer via l'ensemble d'extraction. Cette plage de longueurs d'onde est nommée plage de longueurs d'onde d'utilisation. La valeur moyenne du pas permettant de vérifier que la condition ci-dessus est déterminée, de façon connue, à l'aide de la formule des réseaux et en considérant les ordres de réfraction 1 et -1.
De préférence, le guide d'onde planaire 110 est monomode selon l'axe (Oz), et sur toute la plage de longueurs d'onde d'utilisation. Pour que cette condition soit vérifiée sur toute ladite plage de longueurs d'onde, il suffit qu'elle soit vérifiée pour la plus petite valeur de cette plage. Cette condition fixe une valeur maximale de l'épaisseur de la couche de cœur, par exemple 1,6 pm. Pour limiter les pertes aux plus grandes longueurs d'onde, l'épaisseur de la couche de cœur est choisie de préférence la plus proche possible de cette valeur maximale. Preferably, the diffraction gratings of the extraction assembly all have the same average value of the pattern distribution pitch. This average value of the pattern distribution step, or average value of the step, is adapted so that the light extracted by the corresponding network forms a light beam centered on an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide. For this, the mean value of the pitch is adapted so that the light at a central wavelength is deflected along an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide. The central wavelength designates the central value of a range of wavelengths that the device according to the invention is adapted to receive circulating in the planar waveguide and then to extract towards a scene to be illuminated via the extraction set. This range of wavelengths is called the working wavelength range. The mean value of the step making it possible to verify that the above condition is determined, in a known manner, with the aid of the network formula and by considering the orders of refraction 1 and -1. Preferably, the planar waveguide 110 is single-mode along the (Oz) axis, and over the entire range of wavelengths of use. For this condition to be satisfied over the entire range of wavelengths, it suffices that it be satisfied for the smallest value of this range. This condition sets a maximum value for the thickness of the core layer, for example 1.6 µm. To limit the losses at the longest wavelengths, the thickness of the core layer is preferably chosen as close as possible to this maximum value.
La figure 3 illustre de manière schématique, et selon une vue en coupe, un deuxième mode de réalisation d'un dispositif 300 de répartition de lumière selon l'invention. Le dispositif 300 ne diffère du premier mode de réalisation qu'en ce qu'il comporte en outre un substrat de support 360, superposé au guide d'onde planaire le long de l'axe (Oz), du côté opposé à l'ensemble d'extraction 350. Le substrat de support 360 s'étend dans un plan (xOy). Ici, le substrat de support 360 est accolé contre le guide d'onde planaire 310, en contact physique directe avec ce dernier au niveau de la première couche de gaine 330i. FIG. 3 schematically illustrates, and in a sectional view, a second embodiment of a light distribution device 300 according to the invention. The device 300 differs from the first embodiment only in that it further comprises a support substrate 360, superimposed on the planar waveguide along the axis (Oz), on the side opposite to the assembly. extraction 350. The support substrate 360 extends in a plane (xOy). Here, the support substrate 360 is attached against the planar waveguide 310, in direct physical contact with the latter at the level of the first cladding layer 330i.
Dans une projection orthogonale du dispositif 300 dans un plan parallèle au plan (xOy), le projeté de l'ensemble d'extraction 350 est situé à l'intérieur du projeté du substrat de support 360. Dit autrement, le substrat de support 360 recouvre l'intégralité de l'ensemble d'extraction 350. In an orthogonal projection of the device 300 in a plane parallel to the plane (xOy), the projection of the extraction assembly 350 is located inside the projection of the support substrate 360. In other words, the support substrate 360 covers the entire extraction set 350.
Le substrat de support 360 est transparent sur la plage de longueurs d'onde d'utilisation. Il présente de préférence un indice optique inférieur à celui de la première couche de gaine 330i. Le substrat de support 360 est constitué de préférence par du silicium. Il permet notamment d'assurer la bonne tenue mécanique du guide d'onde planaire 310. Avec ce substrat de support 360, l'épaisseur e (selon l'axe (Oz)) du dispositif 300 est comprise de préférence entre 100 pm et 1,5 mm, de préférence entre 100 pm et 1,0 mm, par exemple égale à 725 pm. L'épaisseur du substrat de support est préférentiellement supérieure ou égale à 200 pm. Support substrate 360 is transparent over the wavelength range of use. It preferably has an optical index lower than that of the first cladding layer 330i. The support substrate 360 is preferably made of silicon. It makes it possible in particular to ensure the good mechanical strength of the planar waveguide 310. With this support substrate 360, the thickness e (along the axis (Oz)) of the device 300 is preferably between 100 μm and 1. , 5 mm, preferably between 100 µm and 1.0 mm, for example equal to 725 µm. The thickness of the support substrate is preferably greater than or equal to 200 μm.
Ici, le saut d'indice le plus élevé se trouve à l'interface entre le substrat de support 360 et le milieu environnant. Le seuil critique tel que décrit ci-avant, au-delà duquel la lumière déviée par un réseau de diffraction est réfléchie à l'intérieur du dispositif selon l'invention, dépend donc des indices optiques dans le substrat de support 360 et dans le
milieu environnant. Pour un substrat de support 360 en silicium, dans un milieu environnant constitué d'air, le seuil critique vaut environ 17° en valeur absolue. Here, the highest index jump is at the interface between the support substrate 360 and the surrounding medium. The critical threshold as described above, beyond which the light deflected by a diffraction grating is reflected inside the device according to the invention, therefore depends on the optical indices in the support substrate 360 and in the surrounding environment. For a silicon support substrate 360, in a surrounding medium consisting of air, the critical threshold is approximately 17 ° in absolute value.
Une face du substrat de support 360, située du côté dudit substrat opposé au guide d'onde planaire, forme une surface d'appui 361 pour un échantillon à observer. En utilisation, la surface d'appui 361 est positionnée contre l'échantillon. La scène à observer est formée par une surface de l'échantillon au contact de la face d'appui 361, située au regard de l'ensemble d'extraction 350. One face of the support substrate 360, located on the side of said substrate opposite the planar waveguide, forms a bearing surface 361 for a sample to be observed. In use, the bearing surface 361 is positioned against the sample. The scene to be observed is formed by a surface of the sample in contact with the bearing face 361, located opposite the extraction assembly 350.
La figure 4 illustre de manière schématique, et selon une vue en coupe, un troisième mode de réalisation d'un dispositif 400 de répartition de lumière selon l'invention. Le dispositif 400 ne diffère du dispositif de la figure 3 qu'en ce que le substrat de support 460 comporte une cavité 462, ouverte du côté opposé au guide d'onde planaire 410. La cavité 462 comporte un fond 463, qui s'étend ici dans un plan (xOy), et des faces latérales 464. La profondeur de la cavité ouverte 462, mesurée selon l'axe (Oz), est comprise par exemple entre 100 pm et 400 pm. FIG. 4 schematically illustrates, and in a sectional view, a third embodiment of a light distribution device 400 according to the invention. The device 400 differs from the device of FIG. 3 only in that the support substrate 460 comprises a cavity 462, open on the side opposite the planar waveguide 410. The cavity 462 has a bottom 463, which extends here in a plane (xOy), and side faces 464. The depth of the open cavity 462, measured along the axis (Oz), is for example between 100 μm and 400 μm.
Dans une projection orthogonale du dispositif 400 dans un plan parallèle au plan (xOy), le projeté de l'ensemble d'extraction 450 est situé à l'intérieur du projeté de la cavité 462. Dit autrement, la cavité 462 recouvre l'intégralité de l'ensemble d'extraction 450. In an orthogonal projection of the device 400 in a plane parallel to the plane (xOy), the projection of the extraction assembly 450 is located inside the projection of the cavity 462. In other words, the cavity 462 covers the whole. of the extraction assembly 450.
Le substrat de support 460 dépasse latéralement relativement à la cavité 462, et selon toutes les directions d'un plan (xOy). Une face du substrat de support 460, située du côté dudit substrat opposé au guide d'onde planaire et autour de la cavité 462, forme la surface d'appui 461 pour un échantillon à observer. En utilisation, la surface d'appui 461 est positionnée contre l'échantillon et la scène à observer S est formée par une surface de l'échantillon situé au regard de l'ensemble d'extraction 450 et de la cavité 462. The support substrate 460 projects laterally relative to the cavity 462, and in all directions of a plane (xOy). One face of the support substrate 460, located on the side of said substrate opposite the planar waveguide and around the cavity 462, forms the bearing surface 461 for a sample to be observed. In use, the bearing surface 461 is positioned against the sample and the scene to be observed S is formed by a surface of the sample located opposite the extraction assembly 450 and the cavity 462.
Ce mode de réalisation permet d'introduire une couche intercalaire entre la scène à observer et le substrat de support 460, formée par le matériau du milieu environnant dans la cavité 462 (de préférence de l'air). L'indice optique du milieu environnant étant bien inférieur à l'indice optique du substrat de support 460, la divergence des faisceaux lumineux extraits augmente fortement lorsque la lumière entre dans la cavité 462 (voir faisceaux 21'). Cette augmentation de la divergence permet notamment de réduire l'épaisseur du dispositif selon l'invention tout en conservant inchangées ses autres
caractéristiques. En complément ou en variante, elle permet de réduire le nombre de réseaux de diffraction dans l'ensemble d'extraction, ce qui réduit le nombre de détecteurs infrarouge aveuglés dans le système illustré ci-après. This embodiment makes it possible to introduce an intermediate layer between the scene to be observed and the support substrate 460, formed by the material of the surrounding environment in the cavity 462 (preferably air). Since the optical index of the surrounding medium is much lower than the optical index of the support substrate 460, the divergence of the extracted light beams increases sharply when the light enters the cavity 462 (see beams 21 '). This increase in the divergence makes it possible in particular to reduce the thickness of the device according to the invention while keeping its other components unchanged. characteristics. In addition or as a variant, it makes it possible to reduce the number of diffraction gratings in the extraction assembly, which reduces the number of blinded infrared detectors in the system illustrated below.
On décrit ensuite une caractéristique avantageuse de l'ensemble d'extraction du dispositif selon l'invention. Comme expliqué ci-avant, en fonctionnement, chacun des réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction n'extrait qu'une partie seulement de la lumière arrivant à son niveau, et la lumière non extraite par ledit réseau continue à se propager dans le guide d'onde planaire jusqu'à un réseau voisin. Par conséquent, si tous les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction présentent un même taux d'extraction de la lumière, ces derniers vont extraire une quantité de lumière de plus en plus réduite au fur et à mesure de la propagation de la lumière le long de l'ensemble d'extraction. En effet, les réseaux atteints en premier par la lumière circulant dans le guide d'onde planaire vont extraire un pourcentage Pc d'une grande quantité de lumière, tandis que les réseaux atteints en dernier vont extraire le même pourcentage Pc mais sur une quantité résiduelle de lumière. Il est donc avantageux que l'ensemble d'extraction présente un taux d'extraction variable, d'un réseau de diffraction à l'autre, de manière à assurer une bonne homogénéité de la répartition de lumière sur la scène à éclairer. Le taux d'extraction des réseaux de diffraction varie avantageusement de manière monotone croissante, le long de lignes parallèles à un axe de propagation de la lumière dans le guide d'onde planaire, et depuis une face d'entrée de la lumière dans le guide d'onde planaire. La variation peut inclure des paliers, ou être strictement croissante. An advantageous characteristic of the extraction assembly of the device according to the invention is then described. As explained above, in operation, each of the diffraction gratings of the extraction assembly extracts only part of the light arriving at its level, and the light not extracted by said grating continues to propagate in the planar waveguide to a neighboring grating. Therefore, if all the diffraction gratings of the extraction set have the same rate of light extraction, they will extract an increasingly reduced amount of light as the propagation of the light increases. light along the extraction assembly. Indeed, the networks reached first by the light circulating in the planar waveguide will extract a percentage Pc from a large quantity of light, while the networks reached last will extract the same percentage Pc but on a residual quantity. from light. It is therefore advantageous for the extraction assembly to have a variable extraction rate, from one diffraction grating to another, so as to ensure good homogeneity of the distribution of light on the scene to be illuminated. The rate of extraction of the diffraction gratings advantageously varies in a monotonically increasing manner, along lines parallel to an axis of propagation of the light in the planar waveguide, and from a face of entry of the light in the guide. planar wave. The variation can include stages, or be strictly increasing.
Le taux d'extraction d'un réseau de diffraction est fonction de la valeur moyenne de son facteur de remplissage, ici un rapport entre le volume total occupé par le matériau de plus bas indice et le volume total du réseau de diffraction. Tous les réseaux de diffraction présentent avantageusement une même profondeur (dimension selon l'axe (Oz)). Le facteur de remplissage défini ci-dessus se réduit donc à un rapport de surfaces. Lorsque le pas est constant, la valeur moyenne du facteur de remplissage peut être calculée sur une seule maille, ou motif du réseau. L'extraction est d'autant plus élevée que le facteur de remplissage est proche de 50% (modulation d'indice la plus forte). De préférence, la valeur moyenne du facteur de remplissage n'excède 0,5 (50%) dans aucun des réseaux de
diffraction de l'ensemble d'extraction. Dans ce cas, plus le facteur de remplissage est élevé, plus le taux d'extraction est élevé, et inversement. The extraction rate of a diffraction grating is a function of the average value of its fill factor, here a ratio between the total volume occupied by the material with the lowest index and the total volume of the diffraction grating. All the diffraction gratings advantageously have the same depth (dimension along the axis (Oz)). The fill factor defined above is therefore reduced to a ratio of areas. When the pitch is constant, the average value of the fill factor can be calculated on a single mesh, or pattern of the network. The extraction is all the higher as the filling factor is close to 50% (strongest index modulation). Preferably, the mean value of the fill factor does not exceed 0.5 (50%) in any of the diffraction of the extraction assembly. In this case, the higher the fill factor, the higher the extraction rate, and vice versa.
La figure 5 illustre de manière schématique, et selon une vue de dessus, une répartition des facteurs de remplissage dans les réseaux de diffraction d'un ensemble d'extraction 550 d'un dispositif selon un quatrième mode de réalisation de l'invention. La valeur du facteur de remplissage dans un réseau de diffraction est représentée par une valeur du niveau de gris (échelle sur la droite). FIG. 5 schematically illustrates, and in a top view, a distribution of the filling factors in the diffraction gratings of an extraction assembly 550 of a device according to a fourth embodiment of the invention. The value of the fill factor in a diffraction grating is represented by a value of the gray level (scale on the right).
Tous les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction présentent une même profondeur (dimension selon l'axe (Oz)). La répartition des facteurs de remplissage varie de manière monotone le long de lignes parallèles à l'axe (Ox), ici en augmentant depuis une face d'entrée jusqu'à une face de sortie du guide d'onde planaire. Ici, la répartition des facteurs de remplissage est adaptée à un cas dans lequel la lumière se propage dans le guide d'onde planaire sous la forme d'une onde plane. La puissance optique correspondante suit une loi gaussienne fonction de la position selon l'axe (Oy). Le facteur de remplissage des réseaux de diffraction, suit donc cette répartition gaussienne. On a donc des réseaux de diffraction avec un facteur de remplissage qui augmente le long de lignes parallèles à l'axe (Ox), et avec un facteur de remplissage constant le long de lignes courbes convexes. Dans tout le texte, le terme « convexe » désigne ici des lignes bombées vers une direction opposée à la face d'entrée du dispositif selon l'invention. All the diffraction gratings of the extraction assembly have the same depth (dimension along the axis (Oz)). The distribution of the fill factors varies monotonically along lines parallel to the (Ox) axis, here increasing from an input face to an output face of the planar waveguide. Here, the distribution of the fill factors is adapted to a case where the light propagates in the planar waveguide in the form of a plane wave. The corresponding optical power follows a Gaussian law as a function of the position along the axis (Oy). The fill factor of the diffraction gratings therefore follows this Gaussian distribution. We therefore have diffraction gratings with a fill factor which increases along lines parallel to the axis (Ox), and with a constant fill factor along convex curved lines. Throughout the text, the term “convex” here designates lines curved in a direction opposite to the inlet face of the device according to the invention.
Le taux d'extraction d'un réseau de diffraction est également fonction de la profondeur de ce réseau, ici selon l'axe (Oz). Ainsi, selon une variante non représentée, les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction ont une profondeur qui varie de manière monotone le long de lignes parallèles à l'axe de propagation de la lumière dans le guide d'onde planaire. The rate of extraction of a diffraction grating is also a function of the depth of this grating, here along the axis (Oz). Thus, according to a variant not shown, the diffraction gratings of the extraction assembly have a depth which varies monotonically along lines parallel to the axis of propagation of the light in the planar waveguide.
Le taux d'extraction d'un réseau de diffraction est également fonction de la dimension de ce réseau selon un axe de propagation de la lumière dans le guide d'onde planaire. Ainsi, selon une variante non représentée, les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction ont chacun une étendue qui varie le long de lignes parallèles à un axe de propagation de la lumière dans le guide d'onde planaire.
On peut combiner deux au moins parmi les trois paramètres mentionnés ci-dessus pour faire varier un taux d'extraction dans les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction. The rate of extraction of a diffraction grating is also a function of the size of this grating along an axis of propagation of light in the planar waveguide. Thus, according to a variant not shown, the diffraction gratings of the extraction assembly each have an extent which varies along lines parallel to an axis of propagation of light in the planar waveguide. At least two of the three parameters mentioned above can be combined to vary an extraction rate in the diffraction gratings of the extraction assembly.
Dans chacun des modes de réalisation et variantes de l'invention, le facteur de remplissage peut être légèrement variable au sein d'un même réseau de diffraction, pour symétriser le rayonnement en champ lointain. On considère dans ce cas une variation de la valeur moyenne du facteur de remplissage, d'un réseau à l'autre de l'ensemble d'extraction. In each of the embodiments and variants of the invention, the fill factor may be slightly variable within the same diffraction grating, in order to symmetrize the radiation in the far field. In this case, a variation of the mean value of the filling factor is considered, from one network to another of the extraction assembly.
L'invention offre une solution pour répartir la lumière sur une scène à éclairer, de préférence avec un éclairage normal, ou quasi-normal. De manière avantageuse, la scène à éclairer est parallèle au guide d'onde planaire, et la lumière émerge de ce dernier selon une pluralité de faisceaux élémentaires orientés chacun selon un axe normal au guide d'onde planaire, avec chacun un angle de divergence de 17° environ. Le dispositif selon l'invention présente peu de pertes, ainsi qu'une bonne tenue au flux (notamment en comparaison avec un dispositif de répartition de lumière à base de fibres optiques). Il présente également une grande compacité, et en particulier une épaisseur réduite lui permettant de servir d'entretoise entre l'échantillon et le module de détection dans le système optique d'imagerie sans lentille décrit en introduction. The invention offers a solution for distributing the light on a scene to be lit, preferably with normal or near-normal lighting. Advantageously, the scene to be illuminated is parallel to the planar waveguide, and the light emerges from the latter according to a plurality of elementary beams each oriented along an axis normal to the planar waveguide, each with a divergence angle of About 17 °. The device according to the invention exhibits few losses, as well as good resistance to flow (in particular in comparison with a light distribution device based on optical fibers). It is also very compact, and in particular a reduced thickness allowing it to act as a spacer between the sample and the detection module in the optical imaging system without lens described in the introduction.
La figure 6 illustre, de façon schématique, et selon une vue en coupe, un premier mode de réalisation d'un système 1000 d'imagerie infrarouge selon l'invention. Le système 1000 comporte ici un dispositif 600 de répartition de lumière, et un module de détection 10 (ou module d'imagerie). Le dispositif 600 est ici identique à celui de la figure 4. FIG. 6 illustrates, schematically, and in a sectional view, a first embodiment of an infrared imaging system 1000 according to the invention. The system 1000 here comprises a light distribution device 600, and a detection module 10 (or imaging module). The device 600 is here identical to that of FIG. 4.
Le module de détection 10 comprend un détecteur infrarouge matriciel, composé de détecteurs infrarouge 11 sensibles dans l'infrarouge, et plus particulièrement sur la plage de longueurs d'onde d'utilisation. Il s'agit par exemple d'une matrice de photodiodes à semi-conducteurs ou une matrice de bolomètres. Le détecteur infrarouge matriciel s'étend selon une surface carrée ou rectangulaire, de côté compris de préférence entre 1 mm et 10 mm. Il s'étend ici dans un plan (xOy). Le module de détection 10 peut comprendre en outre un circuit électronique, non représenté, pour la lecture de signaux électriques fournis par le détecteur infrarouge matriciel. Le détecteur infrarouge matriciel s'étend au regard
de l'ensemble d'extraction 650 du dispositif 600 de répartition de lumière, du côté du guide d'onde planaire recevant l'ensemble d'extraction (et donc ici du côté opposé à la cavité 662 formée dans le substrat de support 660). The detection module 10 comprises a matrix infrared detector, composed of infrared detectors 11 sensitive in the infrared, and more particularly over the range of wavelengths of use. It is for example a matrix of semiconductor photodiodes or a matrix of bolometers. The matrix infrared detector extends along a square or rectangular surface, with a side preferably between 1 mm and 10 mm. It extends here in a plane (xOy). The detection module 10 can further include an electronic circuit, not shown, for reading electrical signals supplied by the infrared matrix detector. The infrared matrix detector extends to the manhole of the extraction assembly 650 of the light distribution device 600, on the side of the planar waveguide receiving the extraction assembly (and therefore here on the side opposite to the cavity 662 formed in the support substrate 660) .
En utilisation, la lumière est répartie sur la scène à éclairer par le dispositif 600 de répartition de lumière. La scène à éclairer renvoie une partie de la lumière reçue, par rétrodiffusion. La lumière rétrodiffusée traverse le dispositif 600 de répartition de lumière jusqu'à atteindre le module de détection 10, dans lequel le détecteur infrarouge matriciel acquiert une image de la lumière rétrodiffusée par la scène à éclairer. In use, the light is distributed over the scene to be illuminated by the light distribution device 600. The scene to be lit returns part of the light received, by backscattering. The backscattered light passes through the light distribution device 600 until it reaches the detection module 10, in which the matrix infrared detector acquires an image of the light backscattered by the scene to be illuminated.
Le dispositif 600 de répartition de lumière et le module de détection 10 ne sont pas en contact physique direct l'un avec l'autre, mais séparés l'un de l'autre par une couche intercalaire bas indice 13, notamment une couche d'air. La couche intercalaire bas indice 13 présente un indice optique strictement inférieur à celui du substrat de support 660, permettant de privilégier l'extraction en direction de la scène à éclairer plutôt que dans la direction opposée. Comme détaillé ci-avant, une couche structurée absorbante ou réfléchissante, telle que décrite ci-avant, peut en outre être accolée contre l'ensemble d'extraction. The light distribution device 600 and the detection module 10 are not in direct physical contact with one another, but separated from each other by a low index interlayer 13, in particular a layer of air. The low index interlayer 13 has an optical index strictly lower than that of the support substrate 660, making it possible to favor the extraction in the direction of the scene to be lit rather than in the opposite direction. As detailed above, an absorbent or reflective structured layer, as described above, can also be placed against the extraction assembly.
Malgré cela, les détecteurs infrarouge 11 situés directement au regard d'un réseau de diffraction de l'ensemble d'extraction peuvent être éblouis par la lumière extraite directement en direction du module de détection, et être par conséquent aveuglés et inopérants. Il est donc avantageux de maximiser la divergence des faisceaux lumineux renvoyés par chacun des réseaux de diffraction, pour maximiser un espacement entre les réseaux de diffraction, et donc minimiser un nombre de détecteurs infrarouge aveuglés. Comme détaillé ci-avant, cette divergence peut être augmentée à l'aide d'un pas de réseau variable au sein d'un même réseau de diffraction, et/ou à l'aide d'une cavité telle que décrite en référence à la figure 4. Le demi-angle de divergence doit néanmoins rester inférieur ou égal à un seuil critique tel que mentionné ci-avant. En outre, la répartition des réseaux de diffraction selon les deux dimensions du plan (xOy) est plus avantageuse que la répartition selon des bandes parallèles, car elle permet de masquer moins de détecteurs infrarouge.
De préférence, un taux de superposition entre les détecteurs infrarouge 11 du module de détection et les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction 650 est inférieur ou égal à 50%. Plus préférentiellement, la moitié au moins des détecteurs infrarouge 11 n'est pas recouvert, même partiellement, par une partie au moins d'un réseau de diffraction de l'ensemble d'extraction. Lorsque les réseaux de diffraction sont répartis selon les deux dimensions du plan (xOy), on a de préférence au moins deux fois plus de détecteurs infrarouge que de réseaux de diffraction. Despite this, the infrared detectors 11 located directly opposite a diffraction grating of the extraction assembly can be dazzled by the light extracted directly towards the detection module, and consequently be blinded and inoperative. It is therefore advantageous to maximize the divergence of the light beams returned by each of the diffraction gratings, to maximize a spacing between the diffraction gratings, and therefore to minimize a number of blinded infrared detectors. As detailed above, this divergence can be increased using a variable grating pitch within the same diffraction grating, and / or using a cavity as described with reference to figure 4. The half-angle of divergence must nevertheless remain less than or equal to a critical threshold as mentioned above. In addition, the distribution of the diffraction gratings according to the two dimensions of the plane (xOy) is more advantageous than the distribution according to parallel bands, because it makes it possible to mask fewer infrared detectors. Preferably, a degree of superposition between the infrared detectors 11 of the detection module and the diffraction gratings of the extraction assembly 650 is less than or equal to 50%. More preferably, at least half of the infrared detectors 11 is not covered, even partially, by at least part of a diffraction grating of the extraction assembly. When the diffraction gratings are distributed along the two dimensions of the plane (xOy), there are preferably at least twice as many infrared detectors as there are diffraction gratings.
La figure 7A illustre un deuxième mode de réalisation d'un système d'imagerie infrarouge 2000 selon l'invention. Ce système ne diffère de celui de la figure 6 qu'en ce qu'il comporte en outre une source lumineuse infrarouge 14, ainsi qu'une optique réfractive 15. FIG. 7A illustrates a second embodiment of an infrared imaging system 2000 according to the invention. This system differs from that of FIG. 6 only in that it further comprises an infrared light source 14, as well as a refractive optic 15.
La source lumineuse infrarouge 14 est configurée pour émettre au moins un faisceau lumineux à une longueur d'onde infrarouge. La lumière émise par la source lumineuse infrarouge 14 présente un spectre en longueur d'onde qui s'étend sur la plage de longueurs d'onde d'utilisation telle que mentionnée ci-avant. La source lumineuse 14 peut comprendre une ou plusieurs sources élémentaires, parmi au moins une source laser (telle qu'un laser à cascade quantique (Q.CL), un laser à cascade interbande (ICL), un laser à cavité externe ou interne), au moins une LED, au moins une source à corps noir, etc. La source lumineuse infrarouge 14 peut comporter un élément d'élargissement tel qu'un guide d'onde planaire annexe, pour transformer un faisceau lumineux étroit en un faisceau lumineux de même largeur que le dispositif de répartition de lumière. The infrared light source 14 is configured to emit at least one light beam at an infrared wavelength. The light emitted by the infrared light source 14 exhibits a wavelength spectrum which extends over the range of wavelengths of use as mentioned above. The light source 14 can comprise one or more elementary sources, among at least one laser source (such as a quantum cascade laser (Q.CL), an interband cascade laser (ICL), an external or internal cavity laser) , at least one LED, at least one blackbody source, etc. The infrared light source 14 may include a widening element such as an annex planar waveguide, to transform a narrow light beam into a light beam of the same width as the light distribution device.
L'optique réfractive 15 est intercalée entre la source lumineuse 14 et la face d'entrée 713 du dispositif 700 de répartition de lumière. Elle est configurée pour recevoir en entrée un faisceau lumineux en provenance de la source lumineuse 14, et pour fournir en sortie un faisceau lumineux collimaté qui se propage ensuite jusqu'à la face d'entrée 713 du dispositif 700, à hauteur de la couche de cœur. L'onde lumineuse se propageant dans le guide d'onde planaire du dispositif 700 présente donc un front d'onde plan. Les réseaux de diffraction 751 formant l'ensemble d'extraction sont constitués chacun d'une pluralité de motifs, qui s'étendent le long de lignes parallèles au front d'onde, ici des lignes parallèles à l'axe (Oy) (voir figure 7B).
La figure 8A illustre un troisième mode de réalisation d'un système d'imagerie infrarouge 3000 selon l'invention. Ce système ne diffère de celui de la figure 7A qu'en ce que la source lumineuse infrarouge 14 est disposée directement en entrée du dispositif 800 de répartition de lumière, sans optique réfractive entre les deux. Le faisceau lumineux se propageant dans le guide d'onde planaire du dispositif 800 est donc un faisceau divergent, avec un front d'onde courbé de forme convexe. Chaque réseau de diffraction 851 est constitué alors d'une pluralité de motifs qui s'étendent alors le long de lignes parallèles au front d'onde arrivant sur ledit réseau. Ces lignes sont des lignes convexes, qui s'étendent chacune d'un bord au bord opposé de l'ensemble d'extraction (voir figure 8B). The refractive optic 15 is interposed between the light source 14 and the input face 713 of the light distribution device 700. It is configured to receive at input a light beam coming from the light source 14, and to provide at the output a collimated light beam which then propagates to the input face 713 of the device 700, at the height of the layer of heart. The light wave propagating in the planar waveguide of device 700 therefore has a planar wavefront. The diffraction gratings 751 forming the extraction assembly each consist of a plurality of patterns, which extend along lines parallel to the wavefront, here lines parallel to the (Oy) axis (see figure 7B). FIG. 8A illustrates a third embodiment of an infrared imaging system 3000 according to the invention. This system differs from that of FIG. 7A only in that the infrared light source 14 is placed directly at the input of the light distribution device 800, without refractive optics between the two. The light beam propagating in the planar waveguide of the device 800 is therefore a divergent beam, with a curved wavefront of convex shape. Each diffraction grating 851 then consists of a plurality of patterns which then extend along lines parallel to the wave front arriving on said grating. These lines are convex lines, each extending from one edge to the opposite edge of the extraction assembly (see Figure 8B).
En tout état de cause, dans chaque réseau de diffraction, les motifs du réseau s'étendent de préférence selon des lignes qui sont perpendiculaires en tout point à un rayon lumineux se propageant dans le guide d'onde planaire au niveau d'une zone centrale dudit réseau. In any event, in each diffraction grating, the patterns of the grating preferably extend along lines which are perpendicular at all points to a light ray propagating in the planar waveguide at a central zone. of said network.
La figure 9 illustre, de façon schématique, un système d'imagerie infrarouge 4000 selon l'invention, en utilisation. Le système d'imagerie infrarouge 4000 est du type de celui de la figure 7A, avec un dispositif de répartition de lumière 900 selon l'invention, recevant la lumière d'une source lumineuse infrarouge 14 avec une optique réfractive 15 entre les deux. La lumière est répartie sur une scène à éclairer appartenant ici à un échantillon 96. Figure 9 illustrates, schematically, an infrared imaging system 4000 according to the invention, in use. The infrared imaging system 4000 is of the type of that of FIG. 7A, with a light distribution device 900 according to the invention, receiving light from an infrared light source 14 with a refractive optic 15 in between. The light is distributed over a scene to be lit belonging here to a sample 96.
Sur la figure 9, on a représenté expressément le détecteur infrarouge matriciel 10A et le circuit de lecture 10B formant ensemble le module de détection 10. In FIG. 9, there is expressly shown the infrared matrix detector 10A and the reading circuit 10B together forming the detection module 10.
Le système d'imagerie infrarouge 4000 comporte ici un élément d'espacement 95, ou entretoise, monté solidaire du module de détection 10 du côté du détecteur infrarouge matriciel 10A. The infrared imaging system 4000 here comprises a spacer element 95, or spacer, mounted integral with the detection module 10 on the side of the matrix infrared detector 10A.
L'élément d'espacement 95 comporte une surface d'appui 97, du côté opposé au module de détection 10. La surface d'appui 97 s'étend ici dans un plan parallèle au plan (xOy), parallèle au plan du détecteur infrarouge matriciel 10A. L'élément d'espacement 95 présente une épaisseur W, mesurée selon l'axe (Oz). En fonctionnement, la surface d'appui 97 est appuyée contre l'échantillon 96. Une région de l'échantillon 96 située au regard du détecteur infrarouge matriciel 10A forme la scène à éclairer. L'élément d'espacement 95 garantit une distance fixe prédéterminée entre la scène à éclairer et le détecteur infrarouge
matriciel 10A, nommée distance de travail. La distance de travail est comprise de préférence entre 100 pm et 1,5 mm. La source lumineuse infrarouge 14 se trouve ici sur l'élément d'espacement 95, du côté opposé à la surface d'appui 97. Le dispositif de répartition de lumière 900 est confondu ici avec l'élément d'espacement 95. The spacer element 95 comprises a bearing surface 97, on the side opposite to the detection module 10. The bearing surface 97 here extends in a plane parallel to the plane (xOy), parallel to the plane of the infrared detector. matrix 10A. The spacer element 95 has a thickness W, measured along the axis (Oz). In operation, the bearing surface 97 is pressed against the sample 96. A region of the sample 96 situated opposite the matrix infrared detector 10A forms the scene to be illuminated. The spacer 95 guarantees a predetermined fixed distance between the scene to be illuminated and the infrared detector matrix 10A, called the working distance. The working distance is preferably between 100 µm and 1.5 mm. The infrared light source 14 is located here on the spacer element 95, on the side opposite to the bearing surface 97. The light distribution device 900 is merged here with the spacer element 95.
Dans des variantes non représentées, le dispositif de répartition de lumière 900 ne forme qu'une partie seulement de l'élément d'espacement 95. Par exemple, l'élément d'espacement 95 peut être formé par la superposition du dispositif de répartition de lumière 900 et d'une cale supplémentaire. En tout état de cause, la faible épaisseur du dispositif de répartition de lumière selon l'invention, comprise avantageusement entre 100 pm et 1,5 mm, lui permet de former tout ou partie de l'élément d'espacement 95. In variants not shown, the light distribution device 900 forms only a part of the spacer element 95. For example, the spacer element 95 can be formed by the superposition of the light distribution device. light 900 and an additional wedge. In any event, the small thickness of the light distribution device according to the invention, advantageously between 100 μm and 1.5 mm, allows it to form all or part of the spacer element 95.
On peut considérer que le module de détection 10 et le dispositif de répartition de lumière 900 forment ensemble un système d'imagerie sans lentille, apte à acquérir une image de la scène à éclairer, sans optique réfractive de formation d'image (hormis éventuellement une matrice de microlentilles en amont du détecteur infrarouge matriciel 10A). Les images obtenues sont des images large champ, en réflexion. It can be considered that the detection module 10 and the light distribution device 900 together form a lensless imaging system, capable of acquiring an image of the scene to be illuminated, without refractive image formation optics (except possibly a array of microlenses upstream of the infrared matrix detector 10A). The images obtained are wide field images, in reflection.
Le système d'imagerie infrarouge 4000 est avantageusement formé dans une puce photonique. On a par exemple réalisé un système d'imagerie infrarouge selon l'invention, avec les caractéristiques suivantes : The infrared imaging system 4000 is advantageously formed in a photonic chip. For example, an infrared imaging system according to the invention has been produced, with the following characteristics:
- gamme de longueurs d'onde de la lumière à répartir sur la scène à éclairer : de 5,9 pm à 8,1 pm ; - range of wavelengths of light to be distributed over the scene to be illuminated: from 5.9 pm to 8.1 pm;
- couche de cœur en Ge, d'épaisseur adaptée pour que le guide d'onde planaire soit monomode selon l'axe (Oz) sur toute la gamme de longueurs d'onde considérée, soit une épaisseur de 1,6 pm ; - Ge core layer, of thickness suitable so that the planar waveguide is single-mode along the (Oz) axis over the entire range of wavelengths considered, ie a thickness of 1.6 μm;
- ensemble d'extraction qui s'étend selon une surface de 2,72 mm*2,72 mm ;- extraction assembly which extends over an area of 2.72 mm * 2.72 mm;
- couches de gaine en SiGe, d'épaisseur 3 pm ; - SiGe sheath layers, 3 μm thick;
- détecteur infrarouge matriciel formé d'une matrice de bolomètres avec 80*80 micro-capteurs, chacun de forme carrée de 25 pm de côté, et répartis selon un pas de répartition de 34 pm, soit une zone active de 3,28 mm*3,28 mm (légèrement plus étendue que l'ensemble d'extraction) ; - matrix infrared detector formed by a matrix of bolometers with 80 * 80 micro-sensors, each of square shape with a side of 25 μm, and distributed according to a distribution step of 34 μm, i.e. an active area of 3.28 mm * 3.28 mm (slightly larger than the extraction assembly);
- les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction présentent une longueur de
34 mih, s'étendent selon des bandes parallèles comme à la figure IB, et sont alignés avec certains des détecteurs infrarouge du détecteur infrarouge matriciel; - the diffraction gratings of the extraction assembly have a length of 34 mih, extend in parallel bands as in Figure 1B, and are aligned with some of the infrared detectors of the matrix infrared detector;
- le pas des réseaux de diffraction est adapté pour obtenir un angle d'extraction nul à la valeur médiane de la gamme de longueurd'onde considérée (7 pm), égal ici à 1.81 pm ; the pitch of the diffraction gratings is adapted to obtain an extraction angle of zero at the median value of the wavelength range considered (7 pm), here equal to 1.81 pm;
- la profondeur des réseaux est de 2,5 pm. - the depth of the networks is 2.5 μm.
On peut montrer alors qu'un substrat de support d'épaisseur 300 pm et une cavité ouverte de profondeur 250 pm offrent un bon compromis entre nombre de micro-capteurs aveuglés et compacité. It can then be shown that a support substrate with a thickness of 300 μm and an open cavity with a depth of 250 μm offer a good compromise between the number of blinded micro-sensors and compactness.
Dans une seconde configuration qui ne diffère qu'en ce que les réseaux de diffraction sont répartis selon les axes (Ox) et (Oy), seulement l/8ème des micro-capteurs sont aveuglés. In a second configuration which differs only in that the diffraction gratings are distributed along the axes (Ox) and (Oy), only 1/8 of the micro-sensors are blinded.
Le dispositif de répartition de lumière selon l'invention est avantageusement réalisé à partir d'un substrat en silicium cristallin, qui peut être aminci pour obtenir la distance de travail souhaitée. Le guide d'onde planaire est obtenu par épitaxies successives, pour former successivement la première couche de gaine, la couche de cœur et la seconde couche de gaine. L'ensemble est poli, du côté opposé au substrat en silicium, puis les réseaux de diffraction sont gravés dans la seconde couche de gaine par gravure partielle anisotrope. L'ensemble obtenu peut être retourné et gravé partiellement de manière anisotrope en face arrière, pour réaliser une cavité dans le substrat en silicium. The light distribution device according to the invention is advantageously produced from a crystalline silicon substrate, which can be thinned to obtain the desired working distance. The planar waveguide is obtained by successive epitaxies, to successively form the first cladding layer, the core layer and the second cladding layer. The assembly is polished, on the side opposite the silicon substrate, then the diffraction gratings are etched in the second cladding layer by partial anisotropic etching. The assembly obtained can be turned over and partially anisotropically etched on the rear face, to produce a cavity in the silicon substrate.
L'invention se rapporte donc à un dispositif formant une structure d'extraction passive, avantageusement couplée à un ou plusieurs lasers à cascade quantique, et pour une utilisation à très courte distance de travail. Le dispositif selon l'invention présente de préférence une pupille d'entrée plus petite que la pupille de sortie. L'invention permet de répartir la lumière d'un faisceau lumineux infrarouge, appartenant de préférence à la gamme spectrale allant de 2 pm à 12 pm. Elle trouve une application notamment dans le domaine de l'imagerie active multispectrale et de l'imagerie active hyperspectrale, pour obtenir des informations biochimiques facilement et rapidement. On peut notamment déterminer la composition chimique d'un échantillon à partir de sa signature d'absorption lumineuse dans l'infrarouge.
L'invention n'est pas limitée aux exemples détaillés ci-avant, et de nombreux autres exemples peuvent être mis en œuvre sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, l'ensemble d'extraction peut être situé dans la première couche de gaine, du côté de la scène à éclairer, ou dans la couche de cœur du guide d'onde planaire. Les réseaux de l'ensemble d'extraction peuvent s'étendre selon toute ou partie de l'épaisseur de la couche de cœur, respectivement la première couche de gaine. S'ils sont formés dans la couche de cœur, ils sont avantageusement constitués de portions en matériau de la couche de cœur et de portions en matériau de la première respectivement seconde couche de gaine. L'invention n'est pas non plus limitée à des réseaux de diffraction à une dimension, et couvre également des dispositifs dans lesquels l'ensemble d'extraction comprend ou est constitué de réseau(x) de diffraction à deux dimensions. Un réseau de diffraction à deux dimensions se présente de préférence sous la forme d'une matrice de plots. De même, l'invention n'est pas limitée aux exemples de matériaux cités. Par exemple, le substrat de support peut être constitué de tout matériau présentant au moins une fenêtre de transparence dans l'infrarouge et un indice optique inférieur à celui des couches de gaine. De même, les exemples de systèmes détaillés ci-dessus peuvent être combinés avec chacun des modes de réalisation et variantes de dispositif de répartition de lumière selon l'invention. Selon d'autres variantes, le guide d'onde planaire peut comporter une région d'étalement spatial, en amont d'une région d'extraction, avec la région d'étalement spatial destinée à réaliser un étalement spatial de la lumière et avec la région d'extraction qui reçoit l'ensemble d'extraction. Un diaphragme à niveaux de gris peut être disposé en amont du dispositif de répartition de lumière selon l'invention, pour homogénéiser l'éclairement sur la scène à éclairer.
The invention therefore relates to a device forming a passive extraction structure, advantageously coupled to one or more quantum cascade lasers, and for use at very short working distance. The device according to the invention preferably has an entrance pupil that is smaller than the exit pupil. The invention makes it possible to distribute the light of an infrared light beam, preferably belonging to the spectral range going from 2 μm to 12 μm. It finds application in particular in the field of active multispectral imaging and active hyperspectral imaging, to obtain biochemical information easily and quickly. The chemical composition of a sample can in particular be determined from its infrared light absorption signature. The invention is not limited to the examples detailed above, and many other examples can be implemented without departing from the scope of the invention. For example, the extraction assembly can be located in the first cladding layer, on the side of the scene to be illuminated, or in the core layer of the planar waveguide. The networks of the extraction assembly can extend along all or part of the thickness of the core layer, respectively the first cladding layer. If they are formed in the core layer, they advantageously consist of material portions of the core layer and of material portions of the first respectively second cladding layer. The invention is also not limited to one-dimensional diffraction gratings, and also covers devices in which the extraction assembly comprises or consists of two-dimensional diffraction grating (s). A two-dimensional diffraction grating is preferably in the form of a matrix of pads. Likewise, the invention is not limited to the examples of materials cited. For example, the support substrate can be made of any material having at least one window of transparency in the infrared and an optical index lower than that of the cladding layers. Likewise, the examples of systems detailed above can be combined with each of the embodiments and variants of the light distribution device according to the invention. According to other variants, the planar waveguide may include a spatial spreading region, upstream of an extraction region, with the spatial spreading region intended to achieve spatial spreading of the light and with the extraction region which receives the extraction assembly. A gray-level diaphragm can be placed upstream of the light distribution device according to the invention, in order to homogenize the illumination on the scene to be lit.
Claims
1. Dispositif de répartition de lumière (100 ; 300 ; 400 ; 600 ; 700 ; 800 ; 900) configuré pour, en utilisation, répartir sur une scène à éclairer (S) des rayons lumineux provenant d'une source lumineuse annexe (14), caractérisé en ce qu'il comporte : 1. Light distribution device (100; 300; 400; 600; 700; 800; 900) configured to, in use, distribute on a scene to be illuminated (S) light rays coming from an auxiliary light source (14) , characterized in that it comprises:
- un guide d'onde planaire (110 ; 310 ; 410) qui comporte deux couches de gaine (130i, 1302) et une couche de cœur (120), avec deux faces de plus grande étendue (121, 122) de la couche de cœur qui s'étendent parallèles à un plan nommé plan du guide d'onde planaire, et avec les deux couches de gaine (130i, I3O2) et la couche de cœur (120) qui sont superposées ensemble le long d'un axe orthogonal au plan du guide d'onde planaire avec la couche de cœur disposée entre les deux couches de gaine ; et - a planar waveguide (110; 310; 410) which comprises two cladding layers (130i, 130 2 ) and a core layer (120), with two faces of greater extent (121, 122) of the layer core that run parallel to a plane called the planar waveguide plane, and with the two cladding layers (130i, I3O2) and the core layer (120) superimposed together along an orthogonal axis in the plane of the planar waveguide with the core layer disposed between the two cladding layers; and
- un ensemble d'extraction (150 ; 350 ; 450 ; 550 ; 650), situé dans le guide d'onde planaire, et constitué d'une pluralité de réseaux de diffraction (151 ; 15 ; 151" ; 751 ; 851) répartis selon les deux dimensions d'un plan parallèle au plan du guide d'onde planaire, et- an extraction assembly (150; 350; 450; 550; 650), located in the planar waveguide, and consisting of a plurality of diffraction gratings (151; 15; 151 "; 751; 851) distributed according to the two dimensions of a plane parallel to the plane of the planar waveguide, and
- en ce qu'une valeur moyenne d'un facteur de remplissage varie de manière monotone, d'un réseau de diffraction à l'autre de l'ensemble d'extraction (550), et le long d'un axe parallèle au plan du guide d'onde planaire. - in that an average value of a fill factor varies monotonically, from one diffraction grating to another of the extraction assembly (550), and along an axis parallel to the plane of the planar waveguide.
2. Dispositif (300 ; 400 ; 600 ; 700 ; 800) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un substrat de support (360 ; 460 ; 660), transparent sur une plage de longueurs d'onde d'utilisation du guide d'onde planaire, et superposé au guide d'onde planaire (310 ; 410) le long d'un axe orthogonal au plan du guide d'onde planaire. 2. Device (300; 400; 600; 700; 800) according to claim 1, characterized in that it further comprises a support substrate (360; 460; 660), transparent over a range of wavelengths d. using the planar waveguide, and superimposed on the planar waveguide (310; 410) along an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide.
3. Dispositif (400 ; 600 ; 700 ; 800) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat de support (460 ; 660) comporte une cavité (462 ; 662), située du côté opposé au guide d'onde planaire (410), et dont une étendue dans un plan parallèle au plan du guide d'onde planaire est supérieure ou égale à une étendue de l'ensemble d'extraction (450 ; 650) dans un plan parallèle au plan du guide d'onde planaire.
3. Device (400; 600; 700; 800) according to claim 2, characterized in that the support substrate (460; 660) comprises a cavity (462; 662), located on the side opposite to the planar waveguide ( 410), and an extent of which in a plane parallel to the plane of the planar waveguide is greater than or equal to an extent of the extraction assembly (450; 650) in a plane parallel to the plane of the planar waveguide .
4. Dispositif (100 ; 300 ; 400 ; 600 ; 700 ; 800 ; 900) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les réseaux de diffraction (151) de l'ensemble d'extraction s'étendent selon une série de bandes parallèles entre elles, qui s'étendent chacune d'un bord à l'autre de l'ensemble d'extraction. 4. Device (100; 300; 400; 600; 700; 800; 900) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the diffraction gratings (151) of the extraction assembly extend according to a series of strips parallel to each other, which each extend from one edge to the other of the extraction assembly.
5. Dispositif (100 ; 300 ; 400 ; 600 ; 700 ; 800 ; 900) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les réseaux de diffraction (151' ; 15 ' ; 751 ; 851) de l'ensemble d'extraction sont répartis selon les deux dimensions d'un plan parallèle au plan du guide d'onde planaire. 5. Device (100; 300; 400; 600; 700; 800; 900) according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the diffraction gratings (151 '; 15'; 751; 851) of the 'extraction assembly are distributed in two dimensions of a plane parallel to the plane of the planar waveguide.
6. Dispositif (100 ; 300 ; 400 ; 600 ; 700 ; 800 ; 900) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est configuré pour, en utilisation, répartir sur la scène à éclairer (S) des rayons lumineux dont un spectre en longueur d'onde est centré sur une longueur d'onde nommée longueur d'onde centrale, et en ce que les réseaux de diffraction (151 ; 151' ; 151'' ; 751 ; 851) de l'ensemble d'extraction (150 ; 350 ; 450 ; 550 ; 650) présentent tous une même valeur moyenne d'un pas, avec ladite valeur moyenne du pas adaptée pour extraire hors du guide d'onde planaire, et selon un axe orthogonal au plan du guide d'onde planaire, un faisceau lumineux à la longueur d'onde centrale se propageant dans le guide d'onde planaire (110 ; 310 ; 410). 6. Device (100; 300; 400; 600; 700; 800; 900) according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it is configured to, in use, distribute over the scene to be lit (S ) light rays whose wavelength spectrum is centered on a wavelength called the central wavelength, and in that the diffraction gratings (151; 151 '; 151' '; 751; 851) of the extraction assembly (150; 350; 450; 550; 650) all have the same average value of one step, with said average value of the step adapted to extract outside the planar waveguide, and along an orthogonal axis at the plane of the planar waveguide, a light beam at the center wavelength propagating in the planar waveguide (110; 310; 410).
7. Dispositif (100 ; 300 ; 400 ; 600 ; 700 ; 800 ; 900) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'ensemble d'extraction (150 ; 350 ; 450 ; 550 ; 650) est situé dans l'une parmi les deux couches de gaine (130i, 1302), et en ce que les motifs des réseaux de diffraction (151 ; 15 ; 151" ; 751 ; 851) de l'ensemble d'extraction (150 ; 350 ; 450 ; 550 ; 650) sont constitués chacun d'au moins une zone pleine et au moins une zone creuse, où l'au moins une zone pleine est constituée du matériau de la couche de gaine (I3O2) recevant l'ensemble d'extraction, et où l'au moins une zone creuse est apte à être occupée par un milieu environnant.
7. Device (100; 300; 400; 600; 700; 800; 900) according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the extraction assembly (150; 350; 450; 550; 650) is located in one of the two cladding layers (130i, 130 2 ), and in that the patterns of the diffraction gratings (151; 15; 151 ";751; 851) of the extraction assembly (150 ; 350; 450; 550; 650) each consist of at least one solid zone and at least one hollow zone, where the at least one solid zone consists of the material of the cladding layer (I3O2) receiving the assembly extraction, and where the at least one hollow zone is suitable for being occupied by a surrounding medium.
8. Dispositif (100 ; 300 ; 400 ; 600 ; 700 ; 900) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les réseaux de diffraction (151 ; 15 ; 151" ; 751 ; 851) de l'ensemble d'extraction sont constitués chacun d'une pluralité de motifs (1510), et en ce que les motifs desdits réseaux de diffraction s'étendent le long de lignes droites parallèles entre elles. 8. Device (100; 300; 400; 600; 700; 900) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the diffraction gratings (151; 15; 151 "; 751; 851) of the extraction assemblies each consist of a plurality of patterns (1510), and in that the patterns of said diffraction gratings extend along straight lines parallel to each other.
9. Dispositif (800) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les réseaux de diffraction (851) de l'ensemble d'extraction sont constitués chacun d'une pluralité de motifs, et en ce que les motifs desdits réseaux de diffraction s'étendent le long de lignes courbes convexes qui s'étendent chacune d'un bord au bord opposé du guide d'onde planaire. 9. Device (800) according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the diffraction gratings (851) of the extraction assembly each consist of a plurality of patterns, and in that the Patterns of said diffraction gratings extend along convex curved lines which each extend from one edge to the opposite edge of the planar waveguide.
10. Dispositif (100 ; 300 ; 400 ; 600 ; 700 ; 800 ; 900) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est configuré pour, en utilisation, répartir sur la scène à éclairer (S) des rayons lumineux dont un spectre en longueur d'onde s'étend depuis une longueur d'onde minimale jusqu'à une longueur d'onde maximale, et en ce que le guide d'onde planaire (110 ; 310 ; 410) est monomode selon un axe orthogonal au plan du guide d'onde planaire et à ladite longueur d'onde minimale. 10. Device (100; 300; 400; 600; 700; 800; 900) according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it is configured to, in use, distribute over the scene to be lit (S ) light rays having a wavelength spectrum extending from a minimum wavelength to a maximum wavelength, and in that the planar waveguide (110; 310; 410) is single-mode along an axis orthogonal to the plane of the planar waveguide and to said minimum wavelength.
11. Système d'imagerie infrarouge (1000 ; 2000 ; 3000 ; 4000) qui comporte : 11. Infrared imaging system (1000; 2000; 3000; 4000) which includes:
- un dispositif de répartition de lumière (600 ; 700 ; 800 ; 900) selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, configuré pour, en utilisation, répartir sur une scène à éclairer des rayons lumineux provenant d'une source lumineuse annexe ; et - a light distribution device (600; 700; 800; 900) according to any one of claims 1 to 10, configured to, in use, distribute on a scene to be illuminated light rays coming from an auxiliary light source; and
- un module de détection (10), comportant un détecteur infrarouge matriciel (10A) configuré pour recevoir des rayons lumineux renvoyés par la scène à éclairer ; avec le détecteur infrarouge matriciel (10A) situé au regard de l'ensemble d'extraction (650), et du côté du guide d'onde planaire recevant l'ensemble d'extraction, et avec un taux de superposition entre les détecteurs infrarouge (11) du détecteur infrarouge matriciel (10A), et les réseaux de diffraction de l'ensemble d'extraction, qui est inférieur ou égal à 50%.
- a detection module (10), comprising an infrared matrix detector (10A) configured to receive light rays returned by the scene to be illuminated; with the matrix infrared detector (10A) located opposite the extraction assembly (650), and on the side of the planar waveguide receiving the extraction assembly, and with a superposition rate between the infrared detectors ( 11) of the infrared matrix detector (10A), and the diffraction gratings of the extraction assembly, which is less than or equal to 50%.
12. Système (2000 ; 3000 ; 4000) selon la revendication 11, qui comporte en outre une source lumineuse infrarouge (14) formant la source lumineuse annexe, et dans lequel le dispositif de répartition de lumière (700 ; 800 ; 900) est configuré pour, en utilisation, recevoir en entrée des rayons lumineux provenant de ladite source lumineuse infrarouge et répartir ces rayons sur la scène à éclairer, avec l'entrée du dispositif de répartition de lumière formée par une face transverse (713) du guide d'onde planaire. 12. System (2000; 3000; 4000) according to claim 11, which further comprises an infrared light source (14) forming the auxiliary light source, and in which the light distribution device (700; 800; 900) is configured. for, in use, receiving as input light rays coming from said infrared light source and distributing these rays on the scene to be illuminated, with the input of the light distribution device formed by a transverse face (713) of the waveguide planar.
13. Système (700 ; 900) selon la revendication 11 ou 12, qui comporte en outre un ensemble d'imagerie (15) comprenant au moins une lentille réfractive, disposé entre l'entrée (713) du dispositif de répartition de lumière et la source lumineuse infrarouge (14), et configuré pour recevoiren entrée la lumière émise par la source lumineuse infrarouge et pourfournir en sortie un faisceau de rayons lumineux parallèles entre eux. 13. System (700; 900) according to claim 11 or 12, which further comprises an imaging assembly (15) comprising at least one refractive lens, disposed between the inlet (713) of the light distribution device and the. infrared light source (14), and configured to receive as input the light emitted by the infrared light source and to output a beam of light rays parallel to each other.
14. Système (4000) selon l'une quelconque des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte un élément d'espacement (95), monté solidaire du module de détection (10) et pourvu d'une surface d'appui (97) destinée à venir au contact d'un échantillon à analyser (96) et située d'un côté de l'élément d'espacement (95) opposé au module de détection (10), et en ce que le dispositif de répartition de lumière (900) forme tout ou partie de l'élément d'espacement.
14. System (4000) according to any one of claims 11 to 13, characterized in that it comprises a spacer element (95) mounted integral with the detection module (10) and provided with a surface of support (97) intended to come into contact with a sample to be analyzed (96) and located on one side of the spacer element (95) opposite to the detection module (10), and in that the device for light distribution (900) forms all or part of the spacer element.
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