FR2876793A1 - Spectrometre statique par transformee de fourier du type coin d'air - Google Patents

Abstract

Le spectromètre statique comprend outre une détecteur matriciel (D) de nombreux éléments photosensibles (EP), un interféromètre (IF) du type Michelson composé de plusieurs interféromètres élémentaires (m1-m2) empilés les uns sur les autres afin de produire un grand nombre d'échantillons spectraux avec une résolution fine. Un séparateur de faisceau semi-réfléchissant plan (SP) incliné par rapport à des plans bissecteurs (bi) parallèles et distincts des interféromètres élémentaires. Des premiers miroirs élémentaires (m1) des interféromètres élémentaires forment un premier miroir (M1) qui est perpendiculaire à des contremarches (CM2) d'un profil en escalier d'un deuxième miroir (M2) dont les marches sont constituées par des deuxièmes miroirs élémentaires (m2) des interféromètres élémentaires. Le deuxième miroir peut être plan ou avec un profil en escalier identique à celui du deuxième miroir et des contremarches respectivement coplanaires aux contremarches du deuxième miroir.

Description

Spectromètre statique

par transformée de Fourier du type coin d'air.

La présente invention concerne la détection et l'analyse quantitative du contenu spectral d'un faisceau lumineux. Plt;.s particulièrement, elle a trait à un spectromètre statique par transformée de Fourier incluant un détecteur à éléments photosensibles à un rayonnement incident et un Io interféromètre statique à deux faisceaux comprenant un séparateur de faisceau semi-réfléchissant.

Le spectromètre statique par transformée de Fourier est destiné à la détection et l'analyse quantitative du contenu spectral d'un faisceau lumineux. Il génère un interférogramme bidimensionnel dont la géométrie est particulièrement bien adaptée à des détecteurs à matrice d'éléments photosensibles connus.

De manière classique, l'interféromètre dans un spectromètre par transformée de Fourier est du type interféromètre de Michelson et comprend deux miroirs plans associés à un séparateur de faisceau plan semiréfléchissant à travers lequel un faisceau lumineux incident produit un couple de faisceaux secondaires parallèles qui présentent entre eux une différence de marche 8 qui peut varier en déplaçant l'un des miroirs. Lorsque l'interféromètre de Michelson produit un couple de faisceaux secondaires parallèles, on dira que l'interféromètre est réglé en teinte plate . L'interférogramme représente la variation de l'intensité lumineuse détectée, résultant de l'interférence entre les deux faisceaux secondaires en fonction du déphasage. Cet interférogramme, échantillonné au cours du temps, est ensuite traité par transformée de Fourier pour obtenir le spectre du faisceau lumineux à analyser.

La résolution spectrale Res du spectromètre pour l'analyse d'une onde lumineuse de longueur d'onde X est reliée à la différence de marche maximale 8max créée par l'interféromètre entre les deux ondes par la formule suivante: ReS = l/ (2x8max) É Le pouvoir de résolution R est relié à Smax par la formule suivante: R = 2x8max/X.

io Afin d'éviter l'utilisation de parties mobiles dans l'interféromètre et: de pouvoir obtenir à chaque instant tout l'interférogramme, des travaux antérieurs ont porté sur des spectromètres statiques. On distingue nettement deux approches dans la technique antérieure.

La première approche est basée sur l'utilisation d'un interféromètre du type multivoies de Michelson tel que divulgué dans le brevet français 2787186. Il comprend deux miroirs en marches d'escalier et un séparateur de faisceau semi-réfléchissant. Chacun des deux miroirs de l'interféromètre présente des portions réfléchissantes rectangulaires planes et parallèles formant des marches d'escalier qui sont perpendiculaires à la fois aux marches d'escalier de l'autre miroir et aux images symétriques des marches d'escalier de l'autre miroir par rapport au séparateur de faisceau. Le séparateur de faisceau produit à partir d'un faisceau lumineux incident, des couples de faisceaux secondaires parallèles présentant des différences de marche constantes et différentes résultant de réflexions sur des portions rectangulaires des marches respectives des miroirs. A chaque couple de faisceaux secondaires est alors associé une matrice rectangulaire élémentaire d'éléments photosensibles dans la matrice du détecteur. En disposant de NxM couples de faisceaux secondaires suivant un maillage cartésien, l'interférogramme est acquis entièrement au moyen d'une mosaïque de NxM ensembles d'éléments photosensibles.

Cette approche a le mérite de s'adapter à la géométrie des détecteurs matriciels connus. De plus, chaque élément photosensible voit une répartition io d'éclairement uniforme de teinte uniforme, ce qui n'apporte pas de dégradation de l'interférogramme par filtrage spatial. En revanche, toute la difficulté d'intégration spatiale des échantillons est reportée sur l'interféromètre. Ainsi dans une application nécessitant l'acquisiion d'un grand nombre d'échantillons, l'interféromètre doit intégrer un grand nombre de voies, c'est-à-dire réaliser un grand nombre de micro-interfé:omètres élémentaires de type Michelson réglés en te:Lnte plate et comportant des miroirs de petites dimensions. Pour un grand nombre d'échantillons et pour une surface de détection donnée, cette approche se heurte aux limites physiques de la diffraction. En effet, lorsque la taille des miroirs est proche d'une certaine taille critique lmin, l'onde plane réfléchie par le miroir est déformée, et après une certaine distance de propagation (appelée distance de Rayleigh), devient majoritairement divergente. Dans ce cas, le micro-Michelson n'est plus réglé en teinte plate. La taille critique lmin est liée à la différence de marche maximale 8max par la formule suivante: ]-min= (bmaxx2^12) 1n= (X/2) x 1R. Ainsi, pour un pouvoir de résolution de 104 autour d'une longueur d'onde X, la taille minimum des miroirs sera de 50X.

En pratique, cette première approche est limitée par un nombre relativement restreint d'échantillons de 100 à 1000 et à un domaine d'application restreint à l'analyse à haute résolution de spectres étroits.

La deuxième approche est basée sur un interféromètre à deux ondes "réglé en coin d'air", qui génère à partir d'un faisceau incident deux io faisceaux secondaires non parallèles, de sorte que le déphasage entre ces deux ondes varie linéairement suivant une direction d'observation. Un tel interféromètre est décrit par exemple dans l'article "Performance limits of stationary Fourier spectrometers", M.L Juntilla et al, Journal of Optical Society of America, Vol.8, N 9, septembre 1991, pages 1457-1462. :?our la suite, nous rappelons que ce type d'interféromètre à deux ondes réglé en coin d'air génère dans un plan privilégié appelé plan de localisation un interférogramme dont le contraste est sensiblement indépendant de la taille angulaire de la source lumineuse à analyser. C'est ce plan privilégié qui doit être confondu, ou conjugué par une optique de reprise, avec le plan de détection. Dans le cas d'un interféromètre de Michelson réglé en coin d'air, ce plan de localisation correspond au plan bissecteur entre un des miroirs plans de l'interféromètre et l'image de l'autre miroir plan, ncn parallèle avec le premier, par le séparateur.

Dans la d'échantillons photosensibles dans une rangée du détecteur matriciel, typiquement de 100 à 1000 environ. La deuxième dimension du détecteur matriciel parallèle à deuxième est limité approche, le nombre par le nombre d'éléments l'arête du coin d'air est utilisée pour moyenner le signal ou, dans un mode préférable, pour sur-échantillonner l'interférogramme de manière à exploiter toute la bande passante (en fréquence spatiales) liée à l'intégration spatiale des éléments photosensibles.

Dans cette deuxième approche, l'interféromètre est simple et souple d'utilisation grâce au réglage du basculement de l'un des miroirs, au lieu d'une gravure par marches d'escalier. Les effets de filtrage de chaque élément photosensible représentatif d'un pixel étant ici présents par rapport à la première approche et interdisant l'utilisation en mode "sous-échantillonné" (analyse spectrale de spectres étroits), cette approche est surtout reconnue pour l'analyse spectrale de résolution moyenne sur de larges bandes spectrales.

Il existe donc un besoin de disposer d'un spectromètre statique par transformée de Fourier qui puisse exploiter le grand nombre d'éléments photosensibles disponibles sur un détecteur matriciel connu, typiquement de 100 000 à 1 000 000 pixels environ, tout en conservant la simplicité de réalisation et la souplesse de réglage de l'interféromètre de type "coin d'air".

La présente invention vise à fournir un spectromètre statique par transformée de Fourier combinant les avantages des spectromètres des deux approches précédentes, en mettant à profit davantage le grand nombre d'éléments photosensibles d'un détecteur matriciel de manière à produire un grand nombre d'échantillons spectraux, typiquement de l'ordre de 103 à 105.

A cette fin, un spectromètre statique par transformée de Fourier comprenant un plan d'image sur des éléments photosensibles, un interféromètre s élémentaire comprenant un séparateur de faisceau semiréfléchissant élémentaire, un premier miroir élémentaire plan rectangulaire et un deuxième miroir élémentaire plan rectangulaire formant avec une image du premier miroir symétrique par rapport au io séparateur un dièdre ayant un angle prédéterminé, est caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs interféromètres élémentaires empilés les uns sur les autres de sorte que les séparateurs élémentaires forment un séparateur plan incliné de la moitié de l'angle prédéterminé par rapport à des plans bissecteurs parallèles et distincts des interféromètres élémentaires, et les premiers miroirs élémentaires des interféromètres élémentaires forment un premier miroir qui est perpendiculaire à des contremarches d'un profil en escalier d'un deuxième miroir dont les marches sont constituées par les deuxièmes miroirs élémentaires des interféromètres élémentaires.

Le deuxième miroir en marche d'escalier confère une différence de marche progressive entre des faisceaux élémentaires réfléchis respectivement par les interféromètres élémentaires et ainsi une plage de différence de marche linéaire étendue au spectromètre, entre 0 et SmaxÉ Par exemple, le deuxième miroir peut comprendre des lames empilées ayant des tranches réfléchissantes formant les deuxièmes miroirs élémentaires et décalées les unes par rapport aux autres des contremarches.

Selon une première réalisation, les premiers miroirs élémentaires sont coplanaires afin que le premier miroir soit plan.

Selon une deuxième réalisation, les premiers miroirs élémentaires constituent des marches d'un profil en escalier qui est identique au profil en escalier du deuxième miroir et dont les contremarches sont respectivement coplanaires aux contremarches du deuxième miroir. Chaque interféromètre élémentaire io peut être alors const__tué par une lame ayant un dièdre rentrant dont les côtés sont les premier et deuxième miroirs élémentaires de l'interféromètre élémentaire, et les arêtes des dièdres rentrants sont parallèles et situées dans un plan perpendiculaire à des plans bissecteurs des dièdres. L'intérêt de la deuxième réalisation par rapport à la première est que les plans de localisation des interféromètres élémentaires sont confondus en un seul plan, conjugué du plan de détection.

L'angle prédéterminé est en pratique de quelques milliradians et définit la position du premier miroir plan relativement aux marches réfléchissantes constituant les deuxièmes miroirs élémentaires. Un moyen est prévu pour régler cet angle prédéterminé par rotation de l'un des premier et deuxième miroirs autour d'un axe sensiblement perpendiculaire ou parallèle aux contremarches pour ajuster la résolution et la largeur de bande spectrales à analyser d'une source de rayonnement donnée.

La résolution du spectromètre dépend du nombre d'éléments photosensibles qui sont disposés consécutivement par largeur de marche d'escalier via un système optique de grossissement, mais également du nombre d'éléments photosensibles dans une ligne de la matrice parallèle, ou sensiblement parallèle, à la direction longitudinale des marches ramenée à travers le séparateur de faisceau et le système optique de grossissement. Suivant cette direction longitudinale des marches, l'échantillonnage des interférogrammes est limité par le nombre d'éléments photosensibles dans une ligne de la matrice. Dans ces conditions, la résolution du spectromètre selon l'invention est plus fine que celles des spectromètres connus commentés ci-dessus pour un nombre donné d'éléments photosensibles dans la matrice du détecteur. Plus le nombre de marches dans le deuxième miroir est grand, plus la résolution spectrale du spectromètre est fine. Pour diverses résolutions, le spectromètre peut comporter un moyen pour régler la hauteur des contremarches.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention, à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels: - la figure 1 est une vue de dessus schématique d'un spectromètre statique par transformée de Fourier selon l'invention; - la figure 2 est une vue de face schématique d'un interféromètre inclus dans le spectromètre, prise suivant la ligne II-II; - la figure 3 est une vue de face en perspective 3o schématique à très grande échelle d'un miroir constitué de tranches réfléchissantes de lames rectangulaires empilées en escalier dans :'interféromètre; - la figure 4 est une vue de coté schématique d'un bloc de lames empilées pour former le miroir en escalier; - la figure 5 est une vue de face schématique de quelques éléments photosensibles d'une matrice dans un détecteur du spectromètre pour montrer l'orientation des axes d'un interférogramme selon une variante; les figures 6 et 7 sont respectivement des Io vues de dessus en perspective et de face schématiques d'une autre réalisation des miroirs de l'interféromètre constitués par un empilement de lames à dièdre réfléchissant empilées en escalier; et - la figure 7 est une vue de dessus schématique d'un interféromètre élémentaire à lame à dièdre réfléchissant selon l'autre réalisation d'interféromètre des figures 6 et 7.

En référence aux figures 1 et 2, un spectromètre statique par transformée de Fourier comprend un détecteur D et un interféromètre IF.

Le spectromètre est "statique" à cause des caractéristiques dimensionnelles de l'interféromètre IF et du pas d'échantillonnage dans la matrice d'éléments photosensibles du détecteur D qui sont fixes pour une analyse spectrale, dans un domaine de longueurs d'onde défini, d'un faisceau lumineux incident FI émis par une source de rayonnement donnée S. La source peut être une scène lointaine dont au moins une partie du spectre est à analyser par le spectromètre.

Le détecteur D comprend une matrice plane rectangulaire ou carrée d'éléments semi-conducteurs i0 EP qui sont photosensibles particulièrement à un faisceau incident, par exemple dans l'infrarouge ou dans le domaine visible. Chaque élément EP est relatif à un élément d'image détecté, appelé pixel.

Les éléments photosensibles EP présentent une face sensible qui est orientée vers un système optique de grossissement S02. La face sensible des éléments EP constitue un plan d'image PI sur une zone active photosensible absorbant une partie du faisceau io incident FI. L'autre face des éléments photosensibles est reliée à ou intègre un circuit de lecture CL incluant des électrodes et séparé par une couche isolante de la zone active.

Par exemple, la matrice est composée de NxM = 320x240 ou 1000x1000 éléments photosensibles EP ayant chacun une largeur de 5 gm environ à 30 pm environ.

Le détecteur D est utile à la détection et l'analyse quantitative du contenu spectral du faisceau lumineux incident FI. L'analyse contribue à la définition des propriétés optiques en émission et réflexion de la source de rayonnement S, telle qu'une scène observée, ainsi que du milieu de propagation entre cette source et le détecteur. Cette mesure effectuée à différents instants identifie les phénomènes physiques mis en jeu au cours de l'émission puis de la propagation du rayonnement de la source ainsi que leur évolution au cours du temps.

L'interféromètre IF est du type Michelson et comprend un séparateur de faisceau SP et deux miroirs Ml et M2.

Le séparateur SP est une lame de verre rectangulaire ayant une face semiréfléchissante qui est positionnée dans un plan bissecteur à deux axes optiques sensiblement perpendiculaires et concourants 01 et 02 et qui est centrée sur ces axes optiques. La présence de la lame de verre d'épaisseur non nulle e introduisant un déséquilibre entre les deux voies de l'interféromètre, on positionne une seconde lame appelée lame compensatrice de même épaisseur e parallèle à la lame séparatrice et positionnée à l'opposé de la première par rapport à la face semiréfléchissante.

Le long du premier axe 01 sont disposés ro successivement la source de rayonnement donnée S, un système optique d'entrée SOI pour la collimation du faisceau incident FI émis par la source, le séparateur SP incliné à 45 par rapport à l'axe 01 et le premier miroir M1. Le miroir M1 est rectangulaire plan et incliné d'un anale prédéterminé a de quelques milliradians par rapport: à un plan Pl normal à l'axe optique 01. Dans la figure 1, le miroir M1 et le plan Pl forment un dièdre dont l'arête AR1 est sensiblement perpendiculaire aux axes optiques concourants 01 et 02. Selon d'autres variantes, l'arête du dièdre est sensiblement parallèle au plan des axes 01 et 02.

Le long du deuxième axe 02 sont disposés successivement le deuxième miroir M2 ayant un profil en escalier, le séparateur SP incliné à 45 par rapport à l'axe 02, le système optique de grossissement S02 et le détecteur D. Le système optique S02 comprend deux lentilles et un plan focal intermédiaire pour ajuster sensiblement l'image du plan de localisation sur le plan d'image PI situé sur la zone active photosensible du détecteur. Dans cette configuration, le plan de localisation, réunion des plans de localisation de chaque interféromètre élémentaire ml-m2, est lui-même en marche d'escalier, ce qui rend la conjugaison avec le plan d'image approximative. Le plan d'image PI confondu avec la face sensible des éléments photosensibles EP est orthogonal à l'axe optique 02 et centré sur celui-ci.

Les largeurs et longueurs des miroirs M1 et M2 s sont respectivement du même ordre de grandeur et sont telles que des projections du séparateur SP suivant les axes 01 et 02 soient respectivement contenues dans des surfaces utiles des miroirs M1 et M2.

En variante, les miroirs Ml et M2 ont des Io positions inversées et sont respectivement centrés sur les axes optiques 02 et 01.

Le miroir M2 présente des marches MA2 dont les surfaces sont rectangulaires planes et réfléchissantes et s'étendent suivant la largeur de l'escalier qu'elles constituent, perpendiculairement à l'axe optique 02. L'image IMl symétrique du premier miroir M1 par rapport au séparateur SP est représentée en trait interrompu long sur les figure 1 et 3, et forme avec les marches MA2, des dièdres ou coins d'air d'angle prédéterminé a dont les arêtes sont perpendiculaires aux axes 01 et 02 et aux nez des marches MA2.

Dans la figure 3, on n'a montré schématiquement à une très grande échelle que cinq marches d'escalier MA2 réfléchissantes constituant des deuxièmes miroirs élémentaires plans rectangulaires m2, sans respecter:es proportions entre divers éléments de montage du miroir M2 afin de mieux appréhender la forme d'une réalisation du miroir M2 et la position relative de celui-ci par rapport au premier miroir Ml. La trace de l'image symétrique]:M1 du premier miroir Ml est par exemple sensiblement parallèle à une diagonale des contremarches identiques CM2 du profil en escalier du miroir M2. L'image IMl du premier miroir M1 est perpendiculaire aux contremarches CM2. Pour les autres variantes selon lesquelles l'arête du dièdre [Ml, Pl] est sensiblement parallèle au plan des axes 01 et 02, les marches MA2 forment avec l'image du premier miroir symétrique par rapport au s séparateur SP, des dièdres d'angle prédéterminé a dont les arêtes sont parallèles à l'axe 01 et aux nez des marches.

Selon une autre variante, au lieu de positionner le séparateur SP dans le plan bissecteur des axes ro optiques 01 et 02 et les miroirs M1 et M2 respectivement incliné d'un angle prédéterminé a de quelques milliradians par rapport à l'axe 02 et perpendiculaire à l'axe 02, les miroirs M1 et M2 sont perpendiculaires entre eux et respectivement aux axes optiques 01 et 02, et le séparateur SP est positionné incliné de la moitié a/2 de l'angle prédéterminé par rapport au plan bissecteur entre les axes optiques 01 et 02 et aux plans bissecteurs bi parallèles et distincts entre le miroir plan M1 et les deuxièmes miroirs élémentaires plans m2 constituant les marches d'escalier MA2.

Chaque marche MA2 a une largeur e sensiblement égale au coté d'au moins un élément photosensible EP du détecteur D ou, en variante, de quelques éléments photosensibles consécutifs d'une colonne de matrice s'étendant suivant la direction Y dans la figure 3, soit une largeur de marche e d'au moins 5 m environ à 10 m environ. La longueur utile L des marches MA2 est sensiblement égale à la longueur utile L/(cos a) du miroir Ml. La largeur (pouvant être la hauteur ou l'épaisseur) du miroir M1 est au moins égale à la somme des largeurs e des marches MA2.

Les marches d'escalier peuvent être obtenues par gravures ioniques et masquages successifs d'un substrat sensiblement transparent, puis par dépôt d'une couche de métallisation réfléchissante seulement sur les marches sans recouvrir les contremarches d'escalier CM2.

Cependant selon une réalisation préférée montrée à la figure 3, le miroir M2 est composé par un empilement de lames de verre rectangulaires identiques LM2 parallèles serrées les unes sur les autres. L'une de deux lames adjacentes est décalée par rapport à l'autre d'une contremarche h par exemple sensiblement égale à L(tg a). Les tranches transversales TR2 des lames LM2 orientées vers le séparateur SP parallèlement à l'axe 01 sont couvertes d'une couche réfléchissante pour former les marches MA2.

L'interféromètre avec le miroir incliné M1 et le miroir en escalier M2 fonctionne comme autant d'interféromètres élémentaires du type Michelson empilés les uns sur les autres. Chaque interféromètre élémentaire ml-m2 comprend à un niveau de marche respectif, un séparateur de faisceau semiréfléchissant élémentaire sp délimité par une portion rectangulaire du séparateur SP, un premier miroir élémentaire plan ml délimité par une portion rectangulaire du miroir M1 et un deuxième miroir élémentaire plan m2 délimité par une portion rectangulaire du miroir M1, comme montré aux figures 1 à 3. Le premier miroir élémentaire ml est incliné par rapport à l'axe optique 02 et perpendiculaire aux contremarches CM2 du profil en escalier du deuxième miroir M2 et a une taille de Lxe. Le deuxième miroir élémentaire m2 est perpendiculaire à l'axe optique 02 et constitué par une marche MA2 du miroir M2. Le séparateur élémentaire sp est incliné de la moitié a/2 de l'angle prédéterminé a par rapport au plan bissecteurs bi entre les miroirs élémentaires ml et m2. Les miroirs élémentaires ml et m2 de l'interféromètre élémentaire s'étendent suivant et sensiblement orthogonalement à l'axe X des lignes de la matrice d'éléments photosensibles EP du détecteur D dans le plan d'image PI et peuvent recouvrir chacun via le système optique 02 une ligne d'éléments photosensibles EP ou, en variante, deux, trois ou quatre ou plus lignes d'éléments photosensibles consécutives de la matrice du détecteur D. Chaque interféromètre élémentaire ml-m2 est équivalent, à n/2 près, à un coin d'air d'angle prédéterminé a entre la portion de l'image IM1 du miroir Ml correspondant au miroir élémentaire ml et le miroir élémentaire m2. L'interféromètre élémentaire ml-m2 génère un interférogramme bidimensionnel sur la face sensible PI du détecteur qui résulte de l'interférence entre deux faisceaux élémentaires non parallèles fl et f2 réfléchis et déphasés par les deux miroirs élémentaires ml et m2 et issus de la division d'un faisceau incident élémentaire fi parmi plusieurs superposés dans le faisceau incident FI. Les faisceaux élémentaires fl et f2 présentent un déphasage progressif qui dépend de la différence de marche L (tga) , soit sensiblement de la contremarche h de l'escalier du miroir M2 selon la réalisation illustrée, et qui varie linéairement entre deux phases fonction du rang du deuxième miroir élémentaire m2 dans l'escalier du miroir M2 par rapport à l'image symétrique IM1 du miroir Ml.

L'inclinaison du miroir plan Ml participe à l'augmentation ou la diminution de la largeur de bande spectrale à analyser sur chaque marche. Suivant la direction longitudinale X des marches MA2, l'échantillonnage des interférogrammes est limité par le nombre d'éléments photosensibles EP dans une ligne de la matrice dans le détecteur D. Suivant la direction Y de l'escalier, les éléments photosensibles EP dans une colonne de la matrice pour un interféromètre élémentaire ml-m2 contribue à moyenner l'intensité lumineuse des faisceaux élémentaires fl et f2 interférant et ainsi le nombre de marches doit être d'autant plus grand que la résolution du spectromètre doit être fine.

Soit N le nombre d'éléments photosensibles EP lo;pixels) par ligne de la matrice, M le nombre d'éléments photosensibles EP (pixels) par colonne de] .a matrice, et Ma le nombre de marches MA2 et donc le nombre d'interféromètres élémentaires mi-m2. Le nombre d'échantillons spectraux pour toute la matrice du détecteur D est Ech = NxMa et la résolution spectrale du spectromètre est Res = 1/ (4minxEch) , où 4,in dénote la longueur d'onde minimale du spectre de la source de rayonnement S à analyser. Comparativement à la première approche de la technique antérieure où la résolution est Res = 1/ (1minxMa) et Ma désigne le nombre de marches pour chacun des deux miroirs en escalier, et comparativement à la deuxième approche de la technique antérieure où la résolution est Res = 1/ (X_nxN) , la résolution du spectromètre selon l'invention est nettement plus fine.

Selon un premier exemple, la bande spectrale de la source S à analyser, exprimée en longueur d'onde, est comprise entre 2m1n = 2,5 m et Xmax = 10 m et donc dans l'infrarouge. En utilisant un détecteur matriciel rectangulaire de NxM = 320x240 éléments photosensibles et Ma = 4 marches d'escalier, on obtient une résolution Reg = 104/(2,5x320x4) = :04/(2, 5x1280) = 3,125 cm-1. Pour la même résolution, l'invention réduit le nombre de marches et donc le nombre d'interféromètres élémentaires, d'un facteur de 320 par rapport à la première approche de la technique antérieure, alors que la résolution de la deuxième approche de la technique antérieure ne peut être qu'au minimum de 104/(2,5x320) = 12,5 cm-1 et ne peut donc pas atteindre la résolution recherchée de 3,125 cm-1. En variante, la résolution peut être encore diminuée par exemple à 0,2 cm-1 avec un miroir M2 ayant 60 marches.

Selon un deuxième exemple, la bande spectrale de io la source S à analyser est comprise entre Xmin = 0,2 m et Xmax = 1 m et ainsi dans le domaine visible. En utilisant un détecteur matriciel carré de NxM = 1000x1000 éléments photosensibles et Ma = 50 marches d'escalier, on obtient une résolution Res = 104/ (0, 2x1000x50) = 1 cm-1. Pour ce deuxième exemple à large bande spectrale et fine résolution, le spectromètre de l'invention est le seul à satisfaire la résolution recherchée avec un nombre Ma = 50 de marches raisonnable, puisque les première et deuxième approches de la technique antérieure offrent des résolutions bien moins fines de 104/(0,2x1000) = 50 cm-1 et 104/ (2, 5xl000) = 50 cm-1 avec le même détecteur matriciel carré.

En variante, la résolution du spectromètre est encore divisée par 2 lorsque les axes x et y suivant les lignes et les colonnes de la matricene sont pas parallèles aux axes de l'interférogramme, c'est-à-dire sont inclinés par rapport à des projections des axes X et Y du miroir M2 suivant l'axe optique 02 sur le plan d'image PI, comme montré à la figure 5. Si la bande spectrale de la source S à analyser est comprise dans le domaine visible entre Xmin = 0,25 m et 2max = 1 m, la résolution Res est de x_04/ (0,25x500x20x2) = 2 cm-1 pour un détecteur matriciel carré de NxM = 500x500 éléments photosensibles et Ma = 20 marches d'escalier. Pour une taille de lpxlp = 10x10 m2 par élément photosensible (pixel), la taille du détecteur matriciel carré est de Lxl = (10x500) 2 m2 = 5x5 mm2. Si le miroir M2 a une taille de 20x20 mm2, le système optique SO2 présente un grossissement de 4. L'angle 2a entre les deux faisceaux élémentaires fl et f2 qui sont réfléchis par les deux miroirs élémentaires ml Io et m2 dans un interféromètre élémentaire et qui doivent interférer dans le plan d'image PI du détecteur D est déduit de: sin a/2 = Xmin / (2x1p) = 0, 0125, L'angle d'inclinaison du miroir M1 est alors: a = 3,125 mrad, et la contremarche du profil en escalier du miroir M2 peu être sensiblement: h = L sin a = 20x103 tg (0, 003125) = 62,5 m.

Le miroir M2 a ainsi une surface utile de Lxl = 20x20 mm2 et comporte Ma = 20 marches de largeur de 1/20 = 1 mm.

Les marches MA2 sont réalisées en empilant Ma lames de verre LM2 d'épaisseur e = 1 mm, comme montré à la figure 4, et en polissant puis recouvrant d'une couche réfléchissante les tranches TR2 maintenues coplanaires. Les tranches TRO des lames opposées aux tranches réfléchissantes TR2 et initialement appliquées sur un support plan SU2 sont ensuite décalées les unes des autres d'une contremarche h des 30:ames par rotation du support SU2 autour d'un axe de rotation AR2 parallèle aux tranches TR2, d'un angle 0 tel que tg 0 = h/e = 0,0625/1, soit 0 = 3,58 , comme montré à la figure 3.

En variante, les lames ou des groupes de lames ont des épaisseurs différentes et par suite des contremarches CM2 au lieu d'être identiques ont des hauteurs h différentes de manière à analyser le spectre avec des résolutions différentes en fonction de divers détecteurs ou de diverses sources.

Dans le spectromètre statique par transformée de Fourier selon l'invention, les miroirs M1 et M2 ont des positions relatives et des caractéristiques dimensionnelles définies pour une mesure d'un intervalle spectral à analyser [Xmini 2max] du spectre de la source de rayonnement avec une résolution souhaitée Res. En particulier, des caractéristiques dimensionnelles telles que l'inclinaison a du miroir M1 et la contremarche h entre les marches MA2 du miroir M2 sont figées respectivement en dépendance de largeur de l'intervalle spectral à analyser et de la résolution souhaitée.

Selon une réalisation adaptable à diverses mesures plus ou moins étendues en largeur de spectre à analyser [Amin, max] via le détecteur D, le spectromètre comprend un moyen pour régler l'angle d'inclinaison a du premier miroir M1 et donc de l'image IM1 de celui-c__ symétrique par rapport aux marches MA2 du miroir M2. Le moyen pour régler l'angle d'inclinaison comprend par exemple une monture du premier miroir M1 qui comporte un axe de rotation qui est perpendiculaire aux contremarches CM2 et qui est parallèle à ou confondu avec un chant du miroir Ml ou l'arête de dièdre AR1 perpendiculaire aux axes optiques 01 et 02 et autour duquel le miroir Ml est monté à rotation. La monture comporte une vis micrométrique à graduation angulaire précise en milliradian lisible par grossissement pour sélectionner l'angle d'inclinaison a à la valeur souhaitée.

Selon une autre réalisation adaptable à diverses mesures en résolution Rss plus ou moins étendues, le spectromètre comprend un moyen pour régler la hauteur h des contremarches CM2 du deuxième miroir M2.

Le moyen pour régler la hauteur des contremarches comprend par exemple un berceau io déformable pour maintenir les lames de verre LM2 ensemble et en contact glissant les unes sur les autres et un moyen pour tourner le côté de l'ensemble des lames opposé aux tranches réfléchissantes des lames autour d'un axe parallèle aux nez des marches MA2. Le berceau comporte un étau dont les deux mâchoires ME enserrent les lames LM2 les unes sur les autres et coulissent sur deux colonnes CO maintenant latéralement l'empilement des lames. Un bouton BO d'un dispositif de serrage de l'étau est vissé de manière à appliquer les lames les unes contre les autres tout en permettant un sensible contact glissant entre deux lames superposées LM2. L'une des mâchoires est similaire à un dièdre droit. Sur le côté de cette dernière mâchoire est monté un axe de rotation AR2 parallèle aux tranches des lames et plus précisément aux nez des marches MA2. Un support plan SU2 est monté tournant autour de l'axe de rotation AR2. Des arêtes des tranches transversales TRO des lames LM2 opposé aux tranches réfléchissantes TR2 des lames sont constamment rappelées par des moyens de rappel appropriés contre le support SU2. Par exemple les moyens de rappel sont essentiellement la pesanteur lorsque les tranches réfléchissantes TR2 sont horizontales et les lames LM2 sont disposées verticalement. Au moyen d'une vis de réglage micrométrique VS à graduation angulaire précise en dixième de milliradian, l'angle d'inclinaison 0 du support SU2 par rapport à la mâchoire en dièdre droit MA2 est ajusté précisément pour faire glisser les lames les unes sur les autres et sélectionner la contremarche h à la valeur souhaitée. L'ensemble des lames LM2 avec le support SU2 se comporte comme un parallélogramme déformable à base et hauteur constantes. i0

Selon une autre réalisation de spectromètre, les premiers miroirs élémentaires ml constituent également des marches d'un profil en escalier qui est identique au profil en escalier du deuxième miroir M2 et dont les contremarches sont respectivement coplanaires aux contremarches du deuxième miroir M2. Les axes longitudinaux des marches des deux escaliers sont deux à deux coplanaires et forment deux à deux un angle sensiblement proche de 90 . Les images iml des miroirs élémentaires ml ont leurs traces qui sont montrées sur les contremarches CM2 en traits interrompus courts à la figure 3 et forment des coins d'air respectivement avec les marches MA2, c'est-à-dire des interféromètres élémentaires ml-m2.

Par exemple, chaque interféromètre élémentaire est constitué par une lame LMD dans laquelle a été ménagé un dièdre rentrant dont les côtés rectangulaires sont les premier et deuxième miroirs élémentaires mlD et m2D de l'interféromètre élémentaire, comme illustré aux figures 6 et 7. Dans ces figures, il est supposé que l'interféromètre du spectromètre ne comprend que trois interféromètres élémentaires superposés incluant des lames de verre dont les côtés des dièdres rentrants sont parallèles et couverts d'une couche de métallisation réfléchissante. Les arêtes AD des dièdres rentrants sont parallèles et situées dans un plan perpendiculaire à des plans bissecteurs parallèles et distincts biD des dièdres de sorte que chaque contremarche dans le miroir MID surplombe la contremarche en dessous et chaque contremarche CM2D dans le miroir M2D est en retrait de la contremarche en dessous.

Les lames empilées LMD sont maintenues ensemble io et en contact glissant les unes sur les autres par un moyen analogue aux éléments d'étau ME, CO et BO montrés à la figure 3. Un côté TRD de l'ensemble des lames adjacent à un coté des dièdres est appliqué contre un support SUD, comme le support SU2, qui est monté à rotation autour d'un axe de rotation ARD afin de régler la hauteur h des contremarches CM2D à la fois dans les profils en escalier du premier miroir M1D comportant les premiers miroirs élémentaires mlD et du deuxième miroir M2D comportant les deuxièmes miroirs élémentaires m2D.

Le dièdre rentrant dans chaque l'interféromètre élémentaire mlD-m2D peut: être droit. Dans ce cas, le séparateur SPD est légèrement incliné d'un angle prédéterminé a/2 par rapport aux plans bissecteurs parallèles biD des dièdres rentrants des lames LMD, comme représenté à la figure 8.

Selon une autre variante et d'une manière analogue aux figures 2 et 3, le séparateur SPD est parallèle aux plans bissecteurs biD des dièdres rentrants des lames LMD dont l'angle diffère sensiblement de 270 , soit un angle de 270 a.

Dans cette réalisation, le plan de localisation des franges d'interférence produites par la réflexion des deux faisceaux élémentaires fl et f2 sur les premier et deuxième miroirs élémentaires mlD et m2D de chaque interféromètre élémentaire en coin d'air est parfaitement situé sur le plan d'image PI du détecteur D grâce aux agencements relatifs des lames LMD à deux miroirs élémentaires en dièdre mlD et m2D.

L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites ci-dessus et à leurs variantes. Elle concerne également tout autre spectromètre statique par transformée de Fourier qui comprend au moins deux miroirs qui reçoivent des faisceaux issus d'une division d'un faisceau incident par un séparateur plan semi-réfléchissant. L'un des miroirs est plan ou a un profil en escalier et a ses miroirs élémentaires plans rectangulaires qui, avec des miroirs élémentaires plans rectangulaires de l'autre miroir, forment des interféromètres élémentaires empilés les uns sur les autres dont les plans bissecteurs sont parallèles et inclinés d'un angle prédéterminé par rapport au séparateur de faisceau.

Par exemple, les deux miroirs sont ceux d'un interféromètre de Mach-Zehnder à deux lames semi- réfléchissantes et deux miroirs, ou d'un interféromètre de Mach--Zehnder modifié à une lame semi-réfléchissante et trois miroirs.

Claims (1)

1. 24 REVENDICATIONS

   1 - Spectromètre statique par transformée de Fourier comprenant un plan d'image (PI) sur des éléments photosensibles (EP), un interféromètre élémentaire comprenant un séparateur de faisceau semi-réfléchissant élémentaire (sp), un premier miroir élémentaire plan rectangulaire (ml) et un deuxième miroir élémentaire plan rectangulaire (m2) formant avec une image (iml) du premier miroir symétrique par rapport au séparateur un dièdre ayant un angle prédéterminé (a), caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs interféromètres élémentaires (ml-m2) empilés les uns sur les autres de sorte que les séparateurs élémentaires (sp) forment un séparateur plan (SP) incliné de la moitié (a/2) de l'angle prédéterminé par rapport à des plans bissecteurs (bi) parallèles et distincts des interféromètres élémentaires, et les premiers miroirs élémentaires 20;ml) des interféromètres élémentaires forment un premier miroir (Ml) qui est perpendiculaire à des contremarches (CM2) d'un profil en escalier d'un deuxième miroir (M2) dont les marches sont constituées par les deuxièmes miroirs élémentaires m2) des interféromètres élémentaires.

   2 - Spectromètre conforme à la revendications 1, caractérisé en ce que le deuxième miroir (M2) comprend des lames empilées (LM2) ayant des tranches réfléchissantes formant les deuxièmes miroirs élémentaires (m2) et décalées les unes par rapport aux autres des contremarches (CM2).

   3 - Spectromètre conforme à la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les premiers miroirs élémentaires (ml) sont coplanaires afin que le premier miroir (Ml) soit plan.

   4 - Spectromètre conforme à la revendication 1 s ou 2, caractérisé en ce que les premiers miroirs élémentaires (mlD) constituent des marches d'un profil en escalier qui est identique au profil en escalier du deuxième miroir (M2D) et dont les contremarches (CM1D) sont respectivement coplanaires Io aux contremarches (CM2D) du deuxième miroir (M2D).

   - Spectromètre conforme à la revendication 4, caractérisé en ce que chaque interféromètre élémentaire est constitué par une lame (LMD) ayant un dièdre rentrant dont les côtés sont les premier et deuxième miroirs élémentaires (mlD, m2D) de l'interféromètre élémentaire, et les arêtes (AD) des dièdres rentrants sont parallèles et situées dans un plan perpendiculaire à des plans bissecteurs (bi) des dièdres.

   6 - Spectromètre conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour régler la hauteur (h) des contremarches (CM2, CMD).

   7 - Spectromètre conforme à la revendication 2 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (ME, CO, BO) pour maintenir ensemble les lames empilées en contact glissant les unes sur les autres, et un moyen (VS, AR2, ARD) pour tourner un support (SU2, SUD) contre lequel un côté (TRO) de l'ensemble des lames est appliqué, afin de régler la hauteur (h) des contremarches (CM2, CMD).

   8 - Spectromètre conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les miroirs élémentaires (ml, m2; mlD, m2D) ont une largeur de marche (e) sensiblement égale au coté d'au moins un élément photosensible (EP) du détecteur (D).

   9 - Spectromètre conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que des contremarches (CM2, CMD) sont différentes. i0

   - Spectromètre conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen pour régler l'angle prédéterminé (a) par rotation de l'un (Ml) des premier et deuxième miroirs autour d'un axe (AR1) sensiblement perpendiculaire aux contremarches (CM2).

   11 - Spectromètre conforme à l'une quelconque des revendications 1 à :LO, caractérisé en ce que les axes (x, y) suivant des lignes et colonnes d'une matrice des éléments photosensibles (EP) ne sont pas parallèles aux projections des axes (X, Y) (d'un interférogramme) des miroirs élémentaires (m2; m2D) de l'un des premier et deuxième miroirs (Ml, M2; MID, M2D), sur le plan d'image (PI).