FR2939888A1

FR2939888A1 - Dispositif de spectrometrie compact et procede de fabrication

Info

Publication number: FR2939888A1
Application number: FR0807075A
Authority: FR
Inventors: Sebastien Laux; Vincent Sincholle
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-06-18
Anticipated expiration: 2028-12-16
Also published as: FR2939888B1; WO2010069836A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif compact de spectrométrie comportant des premiers moyens (10) pour capturer un faisceau lumineux émis depuis une source lumineuse multi-spectrale, des seconds moyens (20) pour séparer les différentes composantes spectrales dudit faisceau et des troisièmes moyens (30) pour acquérir lesdites composantes caractérisé en ce que les premiers moyens, les seconds moyens et les troisièmes sont intégrés dans un même composant monolithique comportant un axe longitudinal, les seconds moyens comportant en outre une structure de réseau présentant un pas variable selon ledit axe longitudinal de manière à réaliser une fonction de focalisation des différentes composantes spectrales sur lesdits troisièmes moyens d'acquisition.

Description

Dispositif de spectrométrie compact et procédé de fabrication

Le domaine de I"invention est celui des dispositifs pour faire de la spectrométrie, et de manière plus spécifique celui des spectromètres compacts et transportables.

De manière générale, un spectromètre est un objet qui permet de mettre en évidence la composition spectrale d'une source de lumière entrant dans un tel dispositif, c'est à dire de décomposer la lumière et d'obtenir les longueurs d'onde spécifiques ou une partie des longueurs d'onde constituant le faisceau lumineux. Pour séparer les différentes longueurs d'onde d'un faisceau lumineux, on peut utiliser soit le phénomène de dispersion de la lumière (via un prisme par exemple), soit le phénomène de diffraction (via un réseau par exemple). De tels phénomènes de dispersion ou de diffraction ne sont utilisables que si la lumière est collimatée, c'est-à-dire si tous les rayons 15 lumineux sont parallèles. Dans le domaine de l'optique, le terme spectromètre désigne en pratique une grande famille d'instruments permettant de balayer un large éventail de longueurs d'onde. De ce fait, il existe une variété de techniques employées pour mesurer chaque bande du spectre électromagnétique. 20 De nombreux spectromètres sont proposés dans les domaines visible ou proche visible (Ultraviolet et Infrarouge). Une configuration traditionnelle pour réaliser un spectromètre consiste, par exemple, à utiliser un dispositif de Czerny-Turner, illustré en figure 1. Un faisceau lumineux polychromatique issu de la source A traverse 25 une fente d'entrée B. La fente est située au point focal d'un miroir incurvé (le collimateur C, généralement un miroir sphérique), si bien que tous les rayons réfléchis par le miroir sont parallèles. La quantité d'énergie lumineuse disponible pour l'utilisation dépend d'une part de l'énergie du faisceau issu de la source lumineuse traversant la fente, et d'autre part de la "largeur" du 30 faisceau divergent qui se réfléchit sur le miroir. Le faisceau parallèle polychromatique est alors dispersé par le prisme ou diffracté par le réseau ou le cristal D, puis est collecté par un autre miroir E qui le focalise sur la fente de sortie F. Dans le cas d'un prisme ou d'un réseau, les différentes longueurs d'onde sont séparées au niveau de la fente de sortie (si le faisceau est dans le visible, les différentes couleurs sont séparées), chacune arrivant à un point différent de la fente. On peut ainsi réaliser un spectromètre utilisant un montage optique composé d'un réseau en réflexion et d'une paire de miroirs concaves sphériques. Dans un tel dispositif, le faisceau entrant (souvent par une fente) est collimaté par le premier miroir, si bien que tous les rayons réfléchis sont parallèles, sur le réseau de diffraction qui disperse la lumière de manière chromatique et sépare ainsi angulairement les différentes longueurs d'ondes composant le faisceau. Le réseau renvoie les rayons vers un second miroir qui focalise les longueurs d'ondes séparées sur le dispositif de sortie (barrette CCD par exemple). Dans ce type de configuration, la largeur de la gamme de longueurs d'onde du faisceau dépend des propriétés du système permettant la dispersion de la lumière (pas du réseau) mais aussi de la distance focale du collimateur utilisé : plus la distance focale est grande, plus la gamme de longueurs d'onde est étroite. La réalisation d'un spectromètre de faible largeur de gamme (type monochromateur) de très haute résolution peut de ce fait avoir des collimateurs de distance focale voisine de 2 mètres. La fabrication de tels monochromateurs nécessite donc d'apporter une attention toute particulière à la stabilité thermique et à la stabilité mécanique, ce qui se traduit par des coûts de réalisation élevés. Afin de diminuer cette distance focale importante, mais aussi d'augmenter la largeur spectrale et/ou la résolution, différentes solutions ont été proposées. Il est notamment connu de remplacer le réseau par des réseaux holographiques avec des réseaux de détecteurs à deux dimensions par exemple (demande de brevet WO9424527A1). Dans ce cas, le dispositif utilisé consiste à collimater (via une lentille ou un assemblage de lentilles) le faisceau d'entrée (dans le cas présent par une fibre optique) sur une structure composée de plusieurs réseaux holographiques qui réalisent la séparation en longueurs d'onde. Les rayons sont ensuite envoyés sur un dispositif (une lentille ou un assemblage de lentilles) qui les focalise sur un détecteur. Toutefois si les solutions existantes ont permis de restreindre la 35 taille des spectromètres il n'en reste pas moins que ces dernières utilisent encore la configuration classique, avec les fonctions de collimation et de séparation des longueurs d'onde. De plus, les composants utilisés restent toujours onéreux. L'invention vise à pallier les problèmes cités précédemment en proposant un dispositif encore plus compact et à moindre coût, et ce en proposant un dispositif monolithique qui permet de s'affranchir des fonctions de collimation des faisceaux. Plus précisément la présente invention a pour objet un dispositif compact de spectrométrie comportant des premiers moyens pour capturer un faisceau lumineux émis depuis une source lumineuse multi-spectrale, des seconds moyens pour séparer les différentes composantes spectrales dudit faisceau et des troisièmes moyens pour acquérir lesdites composantes spectrales caractérisé en ce que les premiers moyens, les seconds moyens et les troisièmes sont intégrés dans un même composant monolithique comportant un axe principal , les seconds moyens comportant en outre une structure de réseau présentant un pas variable selon ledit axe principal de manière à réaliser une fonction de focalisation des différentes composantes spectrales sur lesdits troisièmes moyens d'acquisition. Selon une variante de l'invention, les premiers moyens pour 20 capturer le faisceau lumineux comportent un guide optique. Selon une variante de l'invention, les premiers moyens pour capturer le faisceau lumineux comportent une fibre optique. Selon une variante de l'invention, le composant monolithique comporte deux lames insérant au moins une partie du guide optique et un 25 matériau photosensible pour séparer les composantes spectrales. Selon une variante de l'invention, les seconds moyens pour séparer les composantes spectrales comprennent un film de matériau photosensible. Selon une variante de l'invention, le matériau photosensible 30 comporte un polymère. Selon une variante de l'invention, les seconds moyens pour séparer les composantes spectrales comportent un réseau de strates d'indice optique faisant un angle de l'ordre de 45° avec l'axe longitudinal du composant monolithique.

Selon une variante de l'invention, la structure réseau présente un .moyen pas moyen de l'ordre de Am°yen = . g avec : 2n x sin 4) À moyen : une longueur d'onde moyenne définie dans le domaine des longueurs d'onde d'émission de la source multi-spectrale ; n l'indice optique du matériau photosensible.

Selon une variante de l'invention, les troisièmes moyens d'acquisition desdites composantes spectrales sont distribués en contact 10 avec lesdits seconds moyens, le long de l'axe longitudinal du composant monolithique. Selon une variante de l'invention, les troisièmes moyens d'acquisition sont de type capteur CCD. L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un 15 dispositif compact de spectrométrie selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend : - la réalisation d'une couche de matériau photosensible ; - l'enregistrement holographique d'un réseau à pas variable dans ladite couche de matériau photosensible par interférences de deux faisceaux 20 optiques d'écriture ; - le couplage avec les premiers moyens de capture du faisceau de lumière ; - le couplage avec lesdits troisièmes moyens d'acquisition. Selon une variante de l'invention, l'enregistrement holographique 25 est réalisé par interférences d'un premier faisceau convergent et d'un second faisceau divergent de manière à réaliser le réseau de pas variable. Selon une variante de l'invention, les moyens d'acquisition sont couplés aux seconds moyens par collage. Selon une variante de l'invention, les moyens d'acquisition sont 30 couplés aux seconds moyens par report mécanique et serrage.5 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : la figure 1 illustre un exemple de spectromètre selon l'art connu ; la figure 2 schématise un spectromètre compact selon l'invention ; la figure 3 illustre un exemple de spectromètre selon l'invention ; la figure 4 illustre des moyens d'enregistrement d'un réseau chirpé utilisé dans un spectromètre selon l'invention.

Le spectromètre selon l'invention comporte comme schématisé en figure 2, des premiers moyens 1 pour capturer et illuminer le spectromètre. 15 Typiquement ces premiers moyens peuvent être de type fibre optique. Cette fibre optique est couplée aux seconds moyens 2 destinés à séparer les composantes spectrales et qui comportent le réseau holographique à pas variable. Des moyens 3 de capture des différentes composantes spectrales sont couplés aux moyens 2 et peuvent typiquement 20 être de type barrette ou matrice CCD. Selon l'invention, le réseau holographique intègre les fonctions de collimation en direction des moyens de capture permettant de s'affranchir de moyens supplémentaires de collimation. Pour ce faire il est proposé d'utiliser un réseau holographique dit 25 chirpé . La technique permettant de réaliser ce type de composant est basée sur une méthode holographique impliquant l'interférence de deux faisceaux gaussiens cohérents sur un substrat recouvert d'une couche de résine photosensible comme décrit dans les articles suivants : C. Budzinski, R. 30 Grunwald, I. Pinz, D. Schàfer and H. Schônnagel, " Apodized outcouplers for unstable resonators", SPIE, Vol. 1500, 264-274 (1991). J.-F. Lepage, R. Massudi, G. Anctil, S. Gilbert, M. Piché, N. McCarthy, "Apodizing holographic gratings for the modal control of diode lasers", Appl. Opt. 36, 4993-4998 (1997). 10 Le "chirp" (ou la variation spatiale du pas) est induit en imposant une courbure supplémentaire au front d'onde d'un des deux faisceaux d'écriture. Ainsi il est proposé dans la présente invention de remplacer des lentilles optiques positionnées classiquement entre le réseau holographique et le détecteur CCD par un réseau holographique dit chirpé incorporant la fonction lentille de sortie et ce de manière à pouvoir réaliser une intégration totale de l'ensemble au sein d'un unique dispositif monolithique. Pour ce faire, le bloc optique est une fine couche déposée sur le détecteur et comportant un réseau holographique chirpé dans lequel on a pu enregistrer les fonctions optiques de collimation des lentilles disposées avant et après le réseau. Le fait que le réseau holographique soit chirpé permet ainsi de s'affranchir des composants optiques de collimation traditionnelles (lentilles) qui permettent de focaliser le faisceau sortant de la fibre optique sur le bloc optique et de focaliser les longueurs d'onde de sortie du bloc optique sur le détecteur. En pratique, on utilise les lentilles cylindriques à l'enregistrement du réseau pour pouvoir s'affranchir de ses fonctions, les fonctions collimation sont ainsi directement enregistrées dans le réseau.

Exemple de réalisation d'un spectromètre compact selon l'invention : La figure 3 illustre un premier mode de réalisation de l'invention d'un spectromètre compact. Ce dispositif est essentiellement constitué par : une fibre optique 10 destinée à collecter et guider la lumière ; un bloc optique 20 dans lequel est inscrit holographiquement un réseau en volume ; un détecteur 30 des différentes longueurs d'onde de sortie. Le bloc optique est un bloc de matériau photosensible qui a pour fonction de séparer et guider les différentes longueurs d'onde du faisceau entrant. Un des moyens de réalisation de ce bloc peut être, par exemple, l'utilisation de deux lames 21 et 22 de verre espacées d'une épaisseur au moins égale au diamètre de coeur de la fibre optique comme illustré en figure 3. La fibre optique étant glissée entre ces deux lames, un matériau photosensible 23 peut être coulé entre les lames et l'ensemble, ou le réseau seul, peut être ensuite enregistré holographiquement.35 Nous allons décrire ci-après un exemple de technique d'enregistrement permettant de réaliser au sein de la couche photosensible un réseau chirpé . Dans le cas d'un spectromètre fonctionnant dans le domaine visible 5 dans la bande de longueurs d'onde : 400nm - 600nm, on est amené à définir un pas moyen de réseau d'enregistrement : Pour que les longueurs d'onde sortent perpendiculairement au sens de propagation du faisceau dans le bloc optique, la période que l'on enregistre est donc égale à l'expression suivante : 2 min n pour la longueur d'onde minimale ; 2n x sin ù 42 _\ 10 Amin = A max = 'r 2n x sin \ 42 i pour la longueur d'onde maximale ; 2 max 2moyen Amoyen = pour la longueur d'onde moyenne. 2n x sin \ 4, Les angles d'enregistrement du pas moyen du réseau es et eR sont définis tels que : 15 sin (9s+ORv ( 2i

2 , 2n x Amoyen ~ OS= 9R û 2

Où Ài est la longueur d'onde d'inscription et n est l'indice moyen du matériau.

20 es et eR sont les angles d'incidence respectifs des ondes sphériques R et S. Les angles min et max des ondes sphériques R et S sont définis par : /, min OR min = arcisn + ù 2nA min ) 4 OS min = ORmin+ùIr 4 2 ~r OR max =arcisn max + ù \ 2nA max, 4 OS max = OR max+ ù 4 Les deux ondes sphériques R et S respectivement convergentes et divergentes comme schématisées en figure 4 permettent de réaliser l'enregistrement. Ces ondes R et S se propagent dans le bloc 20 de matériau photosensible de façon à former un angle de 45° entre l'axe Ox et l'axe Oy. 10 Les plans des strates sont à 45° par rapport à l'axe Ox. Les points R et S sont dans le plan focal de lentilles cylindriques. Le matériau photosensible en volume reçoit une onde sphérique S avec un angle d'incidence moyen e et une onde sphérique R avec un angle d'incidence moyen eR comme définit précédemment. 15 Le réseau enregistré dans le bloc optique 20 est ensuite couplé sur le détecteur 30 de telle manière que les points A et B correspondant aux longueurs d'onde minimale et maximale soient fixés aux deux extrémités du détecteur. Un des moyens de coupler le détecteur peut être d'utiliser un collage 20 ou encore de rapporter la pièce par différentes techniques de mécanique (vissage, contrainte par serrage, indexation, etc.). Avantageusement, la séparation spatiale du spectre de la lumière capturée, réalisée par le bloc optique, est linéaire. 8 5

Avantageusement, le réseau holographique dit chirpé enregistré comprend des strates successives qui peuvent être à faces parallèles entre elles et étant inclinées par rapport à l'axe longitudinal du bloc pour renvoyer les rayons vers le détecteur.

Avantageusement, le capteur CCD couplé au réseau holographique de diffraction peut être de type linéaire ou matriciel. Dans le cas d'utilisation d'un réseau matriciel, il est possible d'enregistrer des réseaux avec des chemins optiques particuliers pour augmenter le couplage avec le capteur matriciel, ce qui permet d'obtenir une meilleure résolution par augmentation du chemin optique parcouru. L'invention présente notamment un intérêt dans le cadre d'architecture secondaire comprenant un dispositif d'éclairage de l'objet, typiquement par exemple une diode électroluminescente LED à une longueur d'onde spécifique par rapport à l'objet désiré, dont on souhaite capturer le spectre lumineux.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif compact de spectrométrie comportant des premiers moyens (10) pour capturer un faisceau lumineux émis depuis une source lumineuse mufti-spectrale, des seconds moyens (20) pour séparer les différentes composantes spectrales dudit faisceau et des troisièmes moyens (30) pour acquérir lesdites composantes caractérisé en ce que les premiers moyens, les seconds moyens et les troisièmes sont intégrés dans un même composant monolithique comportant un axe longitudinal, les seconds moyens comportant en outre une structure de réseau présentant un pas variable selon ledit axe longitudinal de manière à réaliser une fonction de focalisation des différentes composantes spectrales sur lesdits troisièmes moyens d'acquisition.
2. Dispositif compact de spectrométrie selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premiers moyens pour capturer le faisceau lumineux comportent un guide optique.
3. Dispositif compact de spectrométrie selon la revendication 2, 20 caractérisé en ce que les premiers moyens pour capturer le faisceau lumineux comportent une fibre optique.
4. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le composant monolithique 25 comporte deux lames (21,22) insérant au moins une partie du guide optique (10) et un matériau photosensible (23) pour séparer les composantes spectrales.
5. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des 30 revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les seconds moyens pour séparer les composantes spectrales comprennent un film de matériau photosensible.
6. Dispositif compact de spectrométrie selon la revendication 5, 35 caractérisé en ce que le matériau photosensible comporte un polymère.
7. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les seconds moyens pour séparer les composantes spectrales comportent un réseau de strates 5 d'indice optique faisant un angle de l'ordre de 45° avec l'axe longitudinal du composant monolithique.
8. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la structure réseau présente un 2moyen 10 pas moyen de l'ordre de Amoyen = avec : 2n x sinù4) À moyen : une longueur d'onde moyenne définie dans le domaine des longueurs d'onde d'émission de la source multi-spectrale ; n l'indice optique du matériau. 15
9. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les troisièmes moyens d'acquisition desdites composantes spectrales sont distribués en contact avec lesdits seconds moyens, le long de l'axe longitudinal du composant 20 monolithique.
10. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les troisièmes moyens d'acquisition sont de type capteur CCD. 25
11. Procédé de fabrication d'un dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend : - la réalisation d'une couche de matériau photosensible ; 30 - l'enregistrement holographique d'un réseau à pas variable dans ladite couche de matériau photosensible par interférences de deux faisceaux optiques d'écriture ;- le couplage avec les premiers moyens de capture du faisceau de lumière ; - le couplage avec lesdits troisièmes moyens d'acquisition.
12. Procédé de fabrication d'un dispositif compact de spectrométrie selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'enregistrement holographique est réalisé par interférences d'un premier faisceau convergent et d'un second faisceau divergent de manière à réaliser le réseau de pas variable.
13. Procédé de fabrication d'un dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que les moyens d'acquisition sont couplés aux seconds moyens par collage.
14. Procédé de fabrication d'un dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que les moyens d'acquisition sont couplés aux seconds moyens par report mécanique et serrage.