FR3064355A1

FR3064355A1 - Spectrometre a transformee de fourier et son procede de gestion

Info

Publication number: FR3064355A1
Application number: FR1852422A
Authority: FR
Inventors: Benedikt STEIN; Christian Huber; Martin Husnik
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2038-03-21
Also published as: CN108627247A; FR3064355B1; DE102017204888A1; DE102017204888B4; CN108627247B

Abstract

Spectromètre (400) comportant une unité de polariseur (402) générant un premier faisceau de rayons lumineux (404) d'une première polarité, une unité de détecteurs (426) pour les rayons lumineux (416, 418, 448), une unité de déphasage (410) comportant un premier élément (412) utilisant le premier faisceau (404) pour générer un premier faisceau de rayons lumineux déphasés (416) et orthogonaux , une unité de lentilles (420) avec un premier élément (422) pour guider le premier faisceau déphasé sur un premier segment (428) de l'unité de détecteurs (426), une unité de déphasage (432) supplémentaire entre les unités (410, 420) pour imprimer une différence de phase supplémentaire dépendant de l'angle entre les rayons partiels du faisceau (416) et/ou les rayons partiels du second faisceau (418) et une unité d'analyseur (412, 434) pour polariser les rayons sortant de l'unité supplémentaire (432).

Description

Domaine de l’invention

La présente invention se rapporte à un spectromètre à transformée de Fourier et à son procédé de gestion.

Etat de la technique

Actuellement on cherche à développer un spectromètre miniaturisé permettant de recevoir, selon l’application, des spectres dans le domaine visible, dans le domaine du proche infrarouge et dans le domaine de l’infrarouge moyen. Un tel spectromètre serait notamment intéressant pour être intégré dans des appareils à main tels que, par exemple, des smartphones pour faire des analyses chimiques. Les documents WO 2011093794 Al, WO 2015015493 A2, EP 1882917 B1 décrivent des exemples de tels spectromètres. Une forme ancienne non miniaturisée d’un spectromètre à transformée de Fourier est décrit dans le document Zhang (Zhang et autres, A static polarisation imaging spectrometer based on a Savart polariscope, Optics Communications 203, 2002). IL s’agit d’un spectromètre sous la forme d’un polariscope de Savart constituant le spectromètre d’imagerie par polarisation (encore appelé spectromètre PIS) et qui a été perfectionné ensuite pour augmenter son angle maximum d’acceptance.

Une autre possibilité de réaliser un spectromètre à transformée de Fourier fournissant une image consiste à combiner deux éléments de cristaux liquides comme cela est décrit dans le document (Hegyi et Martini, Hyperspectral imaging with a liquid crystal polarisation interferometer, Opt. Express, OSA, 2015). On utilise ce dispositif pour créer une différence de marche entre deux composantes de polarisation orthogonale. Cette différence de marche se règle par la tension appliquée aux éléments à cristaux liquides de sorte qu’en faisant varier la tension dans un temps, on imprime une différence de marche variable. On peut ainsi enregistrer un interférogramme dans le cours du déroulement chronologique de la mesure, c’est-à-dire que l’on exploite une variation dans le temps avec le spectromètre à transformée de Fourier. Ce document indique en outre comment diminuer fortement la dépendance angulaire de la différence de marche en utilisant deux éléments à cristaux liquides.

Le document WO 01/02799 Al décrit un spectromètre à transformée de Fourier, miniaturisé qui comporte à la fois des cellules à cristaux liquides nématiques comme éléments de temporisation réglables pour régler la différence de marche entre deux rayons interférant et aussi des éléments de temporisation fixe pour étendre la différence de marche réglable. En outre, le spectromètre à transformée de Fourier comporte un polarisateur, un analyseur et un photodétecteur ainsi qu’un ordinateur relié à la fois au photodétecteur et aux éléments de temporisation réglable.

But de l’invention

La présente invention a pour but de développer dans ce contexte un spectromètre à transformée de Fourier et son procédé de gestion y compris un programme pour la mise en œuvre du procédé permettant d’améliorer son efficacité et sa miniaturisation.

Exposé et avantages de l’invention

A cet effet, la présente invention a pour objet un spectromètre à transformée de Fourier, caractérisé en ce qu’il comprend une unité de polarisation pour générer au moins un premier faisceau de rayons lumineux, dans un premier état de polarisation, une unité de détecteurs pour détecter les rayons lumineux une unité de déphasage comportant au moins un premier élément de déphasage pour générer un premier faisceau de rayons lumineux déphasés formé de rayons partiels déphasés les uns par rapport aux autres et orthogonaux en utilisant le premier faisceau de rayons lumineux, une unité de lentilles ayant au moins un premier élément de lentille pour diriger le premier faisceau de rayons lumineux déphasés sur une première section partielle de l’unité de détecteurs, une unité de déphasage supplémentaire entre l’unité de déphasage et l’unité de lentilles pour imprimer une différence de phase supplémentaire dépendant de l’angle entre les rayons partiels du premier faisceau de rayons lumineux déphasés et les rayons partiels du second faisceau de rayons lumineux déphasé et, une unité d’analyseur pour polariser les rayons lumineux sortant de l’unité de déphasage supplémentaire.

Un spectromètre à transformée de Fourier encore appelé spectromètre à transformée de Fourier infrarouge FTIR est un spectro3064355 mètre miniaturisé pour la spectroscopie infrarouge. Le spectre s’obtient non pas en modifiant pas à pas la longueur d’onde, mais par le calcul par une transformée de Fourier appliquée à un interférogramme mesuré. Le spectromètre à transformée de Fourier se réalise à partir d’un polariscope de Savart et l’interférogramme se mesure avec une unité de détecteurs.

Habituellement un spectromètre à transformée de Fourier comporte un élément de filtre passe-long qui ne transmet que les longueurs d’ondes supérieures à une certaine valeur.

Une unité de polariseur ou encore appelée simplement polariseur est par exemple un film polarisant ou autre composant optique à caractéristique de polarisation. Une unité de déphasage est, par exemple, un réseau formé d’éléments de déphasage commandés indépendamment les uns des autres. En variante, un élément de déphasage peut être un élément ayant une caractéristique de temporisation fixe. L’élément de déphasage permet de générer une différence de marche individuelle entre les composantes de polarisation orthogonale des rayons lumineux sortant du polariseur. Lorsqu’il y a plusieurs éléments de déphasage, ces éléments peuvent être installés en parallèle. En particulier, on peut réaliser un élément de déphasage sous la forme d’une cellule de cristaux liquides. Plusieurs éléments de déphasage peuvent être combinés pour former un réseau de cristaux liquides encore appelé réseau LC. Les rayons partiels du faisceau de rayons lumineux déphasés ne sont pas séparés dans l’espace par l’unité de déphasage.

L’unité de déphasage génère une différence de phase entre les rayons lumineux à polarisation différente mais les rayons ne sont pas divisés. En utilisant une unité de déphasage supplémentaire on peut imprimer un déphasage supplémentaire (dépendant de l’angle) qui sépare dans l’espace, les rayons lumineux à polarisation différente.

L’unité de déphasage supplémentaire peut être un polariscope de Savart encore appelé élément Savart ou cristal de Savart. Une unité de déphasage supplémentaire réalisée sous la forme d’un cristal de Savart peut également être considéré comme un déphaseur dépendant de l’angle d’incidence. Un élément LC retardateur, une pre3064355 mière unité de déphasage réalisée sous la forme d’un cristal à double réfraction peut encore être appelée unité de déphasage amont.

Un premier faisceau de rayons lumineux polarisés est un ensemble de rayons lumineux à polarisation linéaire avec une direction de déploiement différente et qui peuvent être considérés comme la combinaison de deux faisceaux partiels de rayons à polarisation orthogonale.

Une unité de lentilles est un réseau de lentilles ou une lentille unique. Un élément de lentille est, par exemple, réalisé sous la forme d’une microlentille.

L’invention repose sur un spectromètre à transformée de Fourier à base d’un polariscope de Savart, multiple, précédé d’un déphaseur. Ainsi, selon l’invention, à l’aide d’un spectromètre à transformée de Fourier en liaison avec un réseau LC et un réseau de microlentilles, pour chaque microlentille ou chaque élément du réseau LC, on génère un interférogramme avec un décalage de différence de marche, centrale, réglable Δ_η sur une partie d’un détecteur. Par comparaison avec les spectromètres à transformée de Fourier, connus, cela permet, en se fondant sur un polariscope de Savart, et malgré la limitation de l’angle d’incidence, d’utiliser l’ensemble de la matrice du détecteur et obtenir une résolution plus poussée par une différence de marche maximale, significativement plus importante. Ainsi, on peut réduire la hauteur du spectromètre à transformée de Fourier et avoir une souplesse maximale pour l’interférogramme car on peut régler la plage de différence de marche détectée.

Le spectromètre à transformée de Fourier avec un réseau de cellules de cristaux liquides permet un réglage séparé des différences de marche à l’origine, en amont de l’élément Savart formé de deux cristaux à double réfraction. Les rayons lumineux avec les différences de marche initiales, différentes, peuvent ainsi être focalisés sur le détecteur à l’aide du réseau de microlentilles.

Un spectromètre à transformée de Fourier se compose fondamentalement d’un polariseur, d’un élément Savart (sous ses différentes formes de réalisation), un analyseur, une lentille ou un système de lentilles et un détecteur.

Selon l’invention, on prévoir un élément à double réfraction tel qu’un cristal ou un retardateur LC permettant de modifier la différence de phase relative entre deux rayons lumineux à polarisation orthogonale. Si plusieurs de ces éléments supplémentaires sont combinés à un spectromètre à transformée de Fourier et si les chemins optiques sont distincts, avec un algorithme d’exploitation approprié on pourra arriver à une plus grande différence de marche maximale pour le spectromètre à transformée de Fourier et ainsi avoir une meilleure résolution.

Selon un développement l’unité de déphasage est un réseau de cristaux liquides formé d’une première cellule de cristaux liquides comme premier élément de déphasage et/ou une seconde cellule de cristaux liquides comme second élément de déphasage et/ou comme élément simple formé de deux cristaux à double réfraction. En plus ou en variante, l’unité de lentilles peut être réalisée sous la forme d’un réseau de microlentilles composé d’une première microlentille comme premier élément de lentille ou d’une seconde microlentille comme second élément de lentille et à la fois avec la première microlentille et avec la seconde lentille. Cette forme de réalisation permet de décaler, de manière variable, la phase du premier et du second rayons lumineux polarisés.

De façon avantageuse, l’unité de déphasage supplémentaire est une combinaison formée d’au moins un premier cristal à double réfraction et d’un second cristal à double réfraction, ce qui permet une réalisation particulièrement économique de l’unité de déphasage supplémentaire.

En outre, le spectromètre à transformée de Fourier comporte une unité de mélange entre l’unité de déphasage supplémentaire et l’unité de détecteurs. L’unité de mélange comporte au moins un orifice pour le passage du faisceau de rayons lumineux déviés par le premier élément de lentille sur le premier segment partiel. En plus ou en variante, l’unité de mélange comporte un second orifice pour le passage d’un faisceau de rayons lumineux dévié par le second élément de lentille sur le second segment partiel. L’unité de mélange est, par exemple, un boîtier injecté sous la forme d’une matrice cylindrique, ce qui évite les influences parasites par la lumière difractée.

De façon avantageuse, le premier élément de déphasage imprime au premier faisceau de rayons lumineux déphasé, une différence de phase entre les composantes à polarisation orthogonale de ce premier faisceau dans un premier intervalle de décalage. En outre, un second élément de déphasage imprime à un second faisceau de rayons lumineux déphasé, une différence de phase entre les composantes à polarisation orthogonale du second faisceau de rayons lumineux dans un second intervalle de décalage. Le premier intervalle de décalage et le deuxième intervalle de décalage peuvent se chevaucher partiellement. Cela améliore la fiabilité du spectromètre à transformée de Fourier.

Selon un autre développement, l’unité de polariseur génère au moins un second faisceau de rayons lumineux avec un second état de polarisation et cette unité a au moins un second élément de déphasage pour générer à partir du second faisceau de rayons lumineux, un second faisceau de rayons lumineux déphasés formé de rayons partiels déphasés et à polarisation orthogonale, l’unité de lentilles ayant au moins un second élément de lentille pour diriger le second faisceau de rayons lumineux, déphasé sur un second segment partiel de l’unité de détecteurs en dehors du premier segment partiel et l’unité de déphasage supplémentaire imprime une différence de phase supplémentaire dépendant de l’angle entre les rayons partiels du second faisceau de rayons lumineux déphasé.

L’invention a également pour objet un procédé de gestion d’un spectromètre à transformée de Fourier, consistant à générer au moins un premier faisceau de rayons lumineux ayant un premier état de polarisation, générer le premier faisceau de rayons lumineux déphasé formé de rayons partiels déphasés et orthogonaux en utilisant le premier faisceau de rayons lumineux, imprimer la différence de phase supplémentaire entre les rayons partiels du premier faisceau de rayon déphasé, polariser les rayons lumineux sortant de l’unité de déphasage supplémentaire, et diriger le premier faisceau de rayons lumineux déphasé sur le premier segment partiel de l’unité de détecteurs.

Ce procédé est, par exemple, sous la forme d’un programme ou d’un circuit ou d’une combinaison d’un programme et d’un circuit implémentés dans un appareil de commande.

L’invention a également pour objet un dispositif pour exécuter les étapes du procédé avec des installations appropriées. Ce dispositif permet ainsi de répondre efficacement et rapidement au problème posé par l’invention.

Le dispositif comporte au moins une unité de calcul pour traiter les signaux et les données, au moins une unité de mémoire pour enregistrer les signaux ou les données, au moins une interface vers un capteur ou un actionneur pour enregistrer les signaux fournis par le capteur et émettre des données et des signaux de commande pour l’actionneur et/ou au moins une interface de communication pour recevoir et émettre les données intégrées dans un protocole de communication. L’unité de calcul est, par exemple, un processeur de signal, un microcontrôleur ou un moyen analogue ; l’unité de mémoire est une mémoire flash, une mémoire EPROM ou une mémoire magnétique. L’interface de communication permet de transmettre les données par une liaison sans fil et/ou par une liaison par fil et cette intervention permet de recevoir et d’émettre les données transmises par câbles telles que les données électriques ou optiques transmises par des lignes de transmission de données appropriées pour la réception et l’émission.

Un dispositif selon l’invention est un appareil électrique qui traite les signaux des capteurs et génère des signaux de commande et/ou des signaux de données en fonction des signaux de capteurs. Le dispositif comporte une interface sous la forme d’un circuit et/ou d’un programme. Dans le cas d’une réalisation sous la forme d’un circuit, les interfaces font, par exemple, partie d’un système ASIC qui a différentes fonctions du dispositif. Il est également possible de réaliser les interfaces avec des circuits qui ont leur circuits intégrés ou sont au moins en partie réalisés sous la forme de composants discrets.

Dans le cas d’une réalisation sous la forme d’un programme, les interfaces sont des modules de programmes installés sur un microcontrôleur à côté d’autres modules de programmes.

Dessins

La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée, à l’aide d’exemples de spectromètres représentés dans les dessins annexés dans lesquels :

la figure 1 est un schéma d’un polariscope de Savart d’imagerie, statique, selon Zhang, la figure 2 est une représentation schématique d’un microspectromètre fondé sur un polariscope de Savart, la figure 3 est une représentation schématique du microspectromètre de la figure 2, la figure 4 est une représentation schématique d’un exemple de réalisation d’un spectromètre à transformée de Fourier, et la figure 5 montre un ordinogramme d’un exemple de réalisation d’un procédé selon l’invention.

Description de modes de réalisation de l’invention

La figure 1 montre schématiquement un polariscope de Savart 100 selon Zhang, d’imagerie statique. On génère ainsi une différence de marche entre deux faisceaux avec double réfraction. Aucune pièce mobile n’est nécessaire pour générer cette différence de marche. La lumière qui traverse le polariscope de Savart passe ensuite dans une lentille 102 pour donner une image sur un détecteur 104. L’image sur le détecteur 104 montre alors l’objet à représenter y compris la variation d’intensité liée aux interférences. En fonctionnement, on commande le polariscope pour le déplacer à vitesse connue sur l’objet à mesurer. On effectue ainsi une prise de vue en continu et pour chaque point de l’objet, on calcule un interférogramme correspondant et ensuite on applique une transformation de Fourier. Mais pour cela, on ne peut, en général, utiliser qu’une faible plage angulaire autour de la normale à la surface du polariscope de Savart pour l’exploitation.

La figure 2 est un schéma d’un microspectromètre 200 fondé sur le polariscope de Savart. Le microspectromètre 200 comporte un diffuseur 202, un élément Savart 204, un polarisateur 206 entre le diffuseur 202 et l’élément Savart 204, un détecteur 208, une lentille 210 entre l’élément Savart 204 et le détecteur 208 ainsi qu’une unité d’analyseur 212 entre l’élément Savart 204 et la lentille 210.

La figure 3 est une représentation schématique du microspectromètre 200 de la figure 2. Elle montre les tracés des rayons lumineux 300 émis par le diffuseur 202. L’élément Savart 204 est formé de deux cristaux 301, 302 à double réfraction et dont l’axe optique 304 fait, par rapport à la surface du cristal, un angle de 45° en étant néanmoins situé dans deux plans appelés coupe principale qui sont tournés l’un par rapport à l’autre de 90°. Le signal d’interférence 306 mesuré par le détecteur 208 est représenté à titre d’exemple à droite, à côté du détecteur 208.

Le polariseur 206 polarise la lumière dans un angle de

45° pour les coupes principales de sorte que les composantes du champ électrique dans la direction de la coupe principale sont de mêmes dimensions.

La différence de marche générée par l’élément Savart 204 le long des deux composantes de polarisation, parallèlement et perpendiculairement à la coupe principale, est donnée par la relation suivante (Francon, Interféromètre de polarisation, Wiley)

Dans cette formule, t représente l’épaisseur de l’un des cristaux à double réfraction de l’élément Savart 204, n_o et n_e représentent l’indice de réfraction normal et l’indice exceptionnel du cristal, i est l’angle de la lumière incidence par rapport à la normale à la surface.

L’unité d’analyseur 212 polarise de nouveau les deux composantes dans la même direction pour leur permettre d’interférer. La lentille 208 forme la lumière incidence de la même direction, c’est-àdire avec le même angle et la même différence de marche sur un point commun du détecteur 208.

Il est important d’avoir une petite plage angulaire qui correspond, de façon caractéristique, à quelques degrés autour de la nor3064355 ίο male à la surface ; dans cette plage l’équation ci-dessus donne une bonne approximation en premier ordre en sin i. Dans cette plage on a un motif d’interférence linéaire sur le détecteur 208, c’est-à-dire qu’il y a une relation linéaire entre la position sur le détecteur 208 et la différence de marche qui aboutit à l’intensité respective de l’interférogramme. L’interférogramme s’exploite bien dans cette plage.

Les rayons qui arrivent perpendiculairement sur le microspectromètre 200 n’ont aucune différence de marche (ΐ=0,Δ=0) et ils sont transmis par la lentille 210 au milieu du détecteur 208. L’interférogramme a un maximum en ce point. Un spectromètre à transformée de Fourier, classique, donne un interférogramme tourné d’un angle de 45° sur le détecteur 208 (voir Francon). La différence de marche augmente ou diminue de manière linéaire avec l’angle d’incidence dans cette direction. L’intensité de l’interférogramme est donnée par la relation suivante :

(voir Chamberlain, The principles of interferometric spectroscopy P7, équation 1.15). Indépendamment de la différence de marche positive ou négative on obtient un interférogramme symétrique autour du centre du détecteur 208 et l’information complète du spectre se trouve déjà dans une moitié de l’interférogramme.

Le spectromètre classique 200 génère également des différences de marche d’un intervalle σΔ=[-Δ_;,Δ_;] à l’intérieur de l’intervalle angulaire σ o= [- z_max, z_max ].

La différence de marche maximale est ainsi Δ_Πιειχ=Δ₁ et de la sorte la résolution de ce spectromètre est donnée par la formule

Δσ ~- ou encore en longueur d’onde par la formule Δ2»—2-, On ne max max peut augmenter la résolution qu’en augmentant A_max. Comme pour un élément Savart, l’expression i_max est une grandeur fixe, il n’est possible d’augmenter la différence de marche maximale qu’avec un cristal ayant une double réfraction plus importante, ce qui se traduit par un coût plus élevé ou encore en augmentant l’épaisseur t du cristal, ce qui complique la miniaturisation du microspectromètre 200. En outre, en utilisant un réseau de détecteurs ayant une plus grande surface que la surface utile dans l’intervalle σ i, comme cela est le cas pour des dispositifs d’imagerie au silicium, économique, on laisse une grande partie du détecteur non utilisé.

En regard de cela, la solution de l’invention offre un meilleur spectromètre de transformée de Fourier comme cela sera décrit ciaprès.

La figure 4 est une représentation schématique d’un exemple de réalisation d’un spectromètre à transformée de Fourier 400. Ce spectromètre sera appelé ci-après, simplement spectromètre 400.

Le spectromètre 400 comporte une unité de polarisation 402 générant un premier faisceau lumineux 404 dans un premier état de polarisation et en option au moins un second faisceau lumineux 406 dans un second état de polarisation. Les faisceaux lumineux 404, 406 sont représentés de manière simplifiée à la figure 4 par de simples flèches. En réalité, les faisceaux de rayons lumineux 404, 406 ont, comme le montre la figure 3, des rayons lumineux dans des directions différentes. Les faisceaux de rayons lumineux 404, 406 ont chaque fois la même polarisation. L’unité de polarisation 402 selon cet exemple de réalisation, est faite comme film polarisant appliqué sur une unité de diffuseurs 408 du spectromètre 400. L’unité de polarisation 402 est suivie d’une unité de déphasage 410 comportant un premier élément de déphasage 412 et en option au moins un second élément de déphasage 414. Selon la figure 4, l’unité de déphasage 410 est sous la forme d’un réseau LC. Le premier élément de déphasage 412 est réalisé pour diviser le premier faisceau lumineux 404 en deux composantes à polarisation orthogonale et qui se propageront ultérieurement l’une comme rayon normal et l’autre comme rayon exceptionnel dans un élément Savart et dont les phases relatives sont décalées d’une certaine différence de phases. Les deux faisceaux partiels représentés à la figure 3 sont indiqués schématiquement par une simple flèche pour des raisons de clarté à la figure 4 ; la flèche représente un premier rayon lumineux déphasé, sortant du premier élément de déphasage 412. Le premier fais3064355 ceau lumineux déphasé 416 est ainsi un faisceau lumineux (faisceau de rayons lumineux) composé de plusieurs faisceaux partiels déphasés 416. De façon analogue, le second élément de déphasage 414 divise le second faisceau lumineux 404 en deux composantes à polarisation orthogonale et dont les phases sont décalées l’une de l’autre d’une certaine différence de phase. Un second faisceau de rayons lumineux 418, déphasé, sortant du second élément de déphasage 414 et qui comprend, de façon analogue au premier faisceau de rayons lumineux 416, déphasé, plusieurs rayons partiels déphasés entre ce qui est également représenté par une unique flèche. La différence de marche correspond toujours de façon relative aux deux rayons partiels qui se propagent dans l’élément Savart comme rayon ordinaire et comme rayon exceptionnel. Les faisceaux de rayon lumineux 416, 418 se composent néanmoins de faisceaux partiels qui ont entre eux une différence de marche d’importance différente.

L’unité de lentilles 420 composée d’un premier élément de lentille 422 et en option d’au moins un second élément de lentille 424 dirige les faisceaux de rayons lumineux 416, 418, déphasés sur des zones différentes d’une unité de détecteurs 426 du spectromètre 400. A titre d’exemple, l’unité de lentilles 420 selon la figure 4 est réalisée sous la forme d’un réseau de microlentilles. Le premier élément de lentilles 422 dirige ainsi le premier faisceau de rayons lumineux 416, déphasé sur un premier segment partiel 428 de l’unité de détecteurs 426 alors que le second élément de lentilles 424 dirige le second faisceau de rayons lumineux 418 déphasé sur un second segment partiel 430 de l’unité de détecteur 426 se trouvant à l’extérieur du premier segment partiel 428.

Une unité de déphasage 432 supplémentaire est disposée entre l’unité de déphasage 410 et l’unité de lentilles 420 ; elle est sous la forme d’un polariscope de Savart encore appelé élément de Savart. L’unité de déphasage 432 supplémentaire génère une différence de marche supplémentaire entre les composants respectifs des faisceaux de rayons lumineux déphasés 416, 418 qui s’additionnent à la différence de marche générée par l’unité de déphasage 410. Entre l’unité de déphasage 432 supplémentaire et l’unité de lentilles 420 on a une unité d’analyseur 434 pour polariser les rayons lumineux sortant de l’unité de déphasage supplémentaire 432.

Pour éviter une diffraction non voulue de la lumière sur l’unité de détecteurs 426, le spectromètre 400 de la figure 4 est équipé d’une unité de diaphragme 436 en option, installée entre l’unité de lentilles 420 et l’unité de détecteurs 426. L’unité de diaphragmes 436 comporte un premier orifice de passage 438 pour laisser passer le premier faisceau de rayons lumineux déphasé 416 sur le premier segment partiel 428 et en option au moins un second orifice de passage 440 pour laisser passer le second faisceau de rayons lumineux 418 déphasé sur le second segment partiel 430. L’unité de diaphragme 436 est, par exemple, réalisé comme boîtier injecté sous la forme d’une matrice de cylindre.

Selon un exemple de réalisation, l’unité de déphasage 416 comporte au moins un autre élément de déphasage 442 pour déphaser une phase d’un autre faisceau de rayons lumineux 444 généré par l’unité de polarisation 402. L’unité de lentilles 420 comporte ainsi au moins un autre élément de lentille 446 pour diriger le faisceau de rayons lumineux 448 déphasé, émis par l’autre élément de déphasage 442 à travers un autre orifice de passage 450 de l’unité de diaphragme 436 sur l’un des autres segments partiels 452 de l’unité de détecteurs 426 se trouvant en dehors des deux segments partiels 428, 430. Les deux faisceaux partiels représentés par les flèches de l’autre faisceau lumineux déphasé 448 n’ont pas de déphasage supplémentaire l’un par rapport à l’autre.

L’unité de déphasage 410 comporte un dispositif 460 muni d’une unité de commande 462 pour commander séparément les trois éléments de déphasage 412, 414, 442 par l’émission d’un signal de commande 464 correspondant et obtenir ainsi des déphasages différents des faisceaux de rayons lumineux 404, 406, 444.

Le fonctionnement du spectromètre 400 consiste en ce que chaque élément de déphasage de l’unité de déphasage 410 d’un réseau LC a une différence de marche appliquée à la composante de polarisation orthogonale du faisceau de rayons lumineux polarisé par l’unité de polarisation 402. Les éléments de lentille telles que des microlentilles focalisent la lumière sur des segments partiels différents de Tunité de détecteurs 426 et les segments partiels appartiennent à des intervalles de différence de marche successifs, encore appelés intervalles décalés. Ainsi, par exemple, l’intervalle de différence de marche associé à l’autre segment partiel 452 sera [-Δ_;,Δ_;], l’intervalle de différence de marche associé au premier segment partiel 428 sera [Δ, -Δ_;Δι + Δ,] et l’intervalle de différence de marche associé au second segment partiel 430 sera [Δ₂ -Δ_;,Δ₂ +Δ_;]. Le dessin de la figure 4 est à deux dimensions. En réalité, les réseaux peuvent se déployer également dans la troisième dimension.

Selon un exemple de réalisation, le spectromètre 400 a un diffuseur non orienté et un diffuseur orienté comme unité de diffuseur 408, par exemple, un film diffuseur ou un diffuseur de diffraction, une unité de polarisation 402 sous la forme d’un film polarisant une unité de déphasage 410 pour générer dans certaines plages des différences de longueurs de marche optique différente entre les états de polarisation orthogonaux, tel qu’un réseau de déphasage formé de cristaux à double réfraction tel que du niobate de lithium, de la calcite, du rutile, de l’oxyde vanadium-yttrium ou des éléments de cristaux liquides fixés. Ces différences de longueurs de marche sont commandées ou commutées en option, ce qui se réalise par un réseau LC commandé.

Le spectromètre 400 comporte également un élément Savart comme unité de déphasage 432 supplémentaire, composé, par exemple, de cristaux à double réfraction tel que niobate de lithium, calcite, rutile ou oxyde vanadium-yttrium, une unité d’analyseur 434 sous la forme d’un film polarisant, une unité de lentilles 420 sous la forme d’un réseau de microlentilles, par exemple en matière plastique ou de microlentilles en verre, une unité de mélange 436 sous la forme d’une matrice cylindrique de limitation angulaire qui est, par exemple, un boîtier injecté ainsi qu’une unité de détecteurs 426 sous la forme d’un réseau d’imagerie en silicium CCD ou CMOS, Ge-sur-Si, InGaAs, ou des détecteurs Ge ou étendus InGaAs.

Selon l’exemple de réalisation, l’axe du polariseur et l’axe d’analyse sont parallèles ou font entre eux un angle de 90°. L’axe de po3064355 lariseur et l’axe d’analyseur font un angle de 45° par rapport aux coupes principales de l’élément Savart.

Le nombre d’éléments de réseaux LC est égal au nombre de microlentilles du réseau de microlentilles.

Chaque élément de réseau LC peut se commander séparément.

Derrière chaque microlentille on a, par exemple, un cylindre de la matrice cylindrique de façon à éviter l’étalement de la lumière dans la région d’une microlentille sur le pixel de détecteur derrière une autre microlentille.

En variante, à la place du réseau de déphaseurs, du réseau de microlentilles et de la matrice cylindrique de limitation de l’angle d’incidence, le spectromètre 400 a un unique élément de déphasage et une unique lentille ou un unique système de lentilles.

Une telle structure a de nombreux avantages. En particulier, on pourra optimiser le rapport entre la hauteur de construction et la résolution possible et la longueur d’onde minimale qui peut se détecter. Pour une hauteur de construction analogue telle que dans un spectromètre classique, on peut améliorer considérablement la résolution. En réduisant la hauteur de construction à des distances focales moindre des lentilles, on obtient également une résolution élevée mais la longueur d’onde minimale susceptible d’être détectée sera limitée. Pour une hauteur de construction réduite, comme l’élément Savart est plus court, la résolution n’est plus aussi fortement limitée comme cela est le cas d’un spectromètre classique. Par la commande variable des éléments LC on peut, suivant l’état d’éclairage, trouver un rapport optimum entre le rapport signal / bruit et la résolution du spectre mesuré.

Le fonctionnement du spectromètre 400 sera décrit ciaprès, à titre d’exemple, à l’aide d’une unité de déphasage 410 sous la forme d’un réseau LC commandé. On peut également envisager des solutions plus simples, statiques et non commandées. Chaque élément LC séparé du réseau LC est commandé par une tension. Les éléments LC sont réalisés pour qu’en appliquant une telle tension les composantes à polarisation orthogonales, c’est-à-dire les mêmes deux composantes à polarisation orthogonale qui sont parallèles à la coupe principale de l’élément Savart, ont une différence de marche dépendant de la tension.

Avec le réseau LC on peut, indépendamment de l’élément LC traversé par le faisceau lumineux, appliquer une différence de marche initiale Δι, Δ2 etc. entre les composantes à polarisation orthogonale. Ainsi, avec une utilisation appropriée de deux éléments LC, la différence de marche n’aura qu’une faible dépendance angulaire.

Lors de la propagation suivante à travers l’élément Savart, les rayons auront en plus une différence de marche dépendant de l’angle dans l’intervalle δΔ, s’additionnant à la différence de marche d’origine car les composantes de polarisation caractéristiques dans l’élément LC et dans l’élément Savart sont les mêmes. A l’aide du réseau de microlentilles on pourra diriger les rayons lumineux propagés par le même élément LC sur une certaine plage partielle de l’unité de détecteurs 426.

Les éléments LC, les microlentilles et les éléments de limitation angulaire sont dimensionnés, à titre d’exemple, pour que chaque zone partielle de l’unité de détecteurs 426 reçoive la lumière d’une plage angulaire ôi= [- z_max, z_max ]. Les éléments de limitation angulaire garantissent ainsi qu’aucune lumière d’une microlentille voisine n’arrive sur la zone partielle de l’unité de détecteur 426, c’est-à-dire que l’on évite la diaphonie entre les différentes lentilles.

Les différences de marche Δο, Δι, Δ2 sont notamment sélectionnées pour avoir un léger chevauchement entre la différence de marche maximale d’une zone partielle et la différence de marche minimale d’une zone partielle suivante, c’est-à-dire Ai + Ai > Δ2 - Ai.

Vis-à-vis d’un spectromètre à transformée de Fourier, classique, on relève ainsi la différence de marche, maximale pour passer de Ai à An + Ai ; An est la différence de marche initiale du dernier élément LC. La hauteur de construction supplémentaire provient uniquement du réseau LC. Mais il n’est pas indispensable de prendre un interférogramme double face, c’est-à-dire un interférogramme symétrique par rapport au milieu du détecteur. Au lieu de cela, on peut ne prendre qu’un côté, par exemple, la différence de marche positive, la mesurer pour ne pas avoir d’information redondante.

Dans un spectromètre à transformée de Fourier, classique, surtout l’élément Savart et la lentille, du fait de sa distance focale, interviennent dans la hauteur de construction. Grâce à l’invention, on peut gagner de la hauteur de construction car l’élément Savart sera plus mince en ce qu’il génère une différence de marche optique plus élevée sur les nombreux éléments LC et ne nécessite pas pour cette raison un cristal épais. En variante on peut également sélectionner une matière plus avantageuse avec une double réfraction moindre.

Une autre réduction de la hauteur de construction provient de ce que l’on dispose de microlentilles à distance focale plus faible que cela est possible pour les lentilles classiques.

Comme chaque élément LC se commande séparément, l’utilisation du spectromètre 400 offre en plus une plus grande souplesse pour la mesure. Si, par exemple, l’intensité lumineuse arrivant sur le spectromètre 400 n’est pas suffisante pour générer un signal suffisamment sans bruit, alors on pourra régler les éléments LC pour que chaque différence de marche initiale résulte de deux ou plus d’éléments LC. Cela diminue la différence de marche maximale que l’on peut mesurer, c’est-à-dire que la résolution diminue. Toutefois, à l’aide de plusieurs zones partielles de l’unité de détecteurs 426 on peut le déterminer, ce qui améliore de nouveau le rapport signal-bruit.

De façon générale, on a un élément de filtre passe-long entre l’unité de diffuseur 408 appelée élément de diffuseur et l’unité de détecteurs 426 appelée également détecteur, positionnée à un endroit quelconque qui ne transmet que les rayons lumineux avec une plus grande longueur d’onde que la longueur d’onde déterminée du filtre. L’élément de filtre passe-long s’utilise avantageusement pour éliminer par filtrage, les petites longueurs d’onde du signal d’interférence et éviter ainsi les effets de moiré liés à un taux de détection infini du détecteur qui est donné par la dimension et la distance des pixels du détecteur.

La figure 5 montre un ordinogramme d’un procédé 500 selon un exemple de réalisation. Le procédé 500 servant à déterminer un spectromètre à transformée de Fourier peut, par exemple, se réaliser en utilisant un spectromètre décrit précédemment à l’aide de la figure 4.

Selon l’ordinogramme, dans l’étape 510 on génère le premier faisceau de rayons lumineux et en option le second faisceau de rayons lumineux. Dans la seconde étape 520, en utilisant le premier faisceau de rayons lumineux, on génère le premier faisceau de rayons lumineux, déphasés, et en option, en utilisant le second faisceau de rayons lumineux on génère le second faisceau de rayons lumineux déphasés. Dans l’étape 540 on applique la différence de phase supplémentaire entre les rayons partiels du premier faisceau de rayons lumineux déphasés et en option entre les faisceaux partiels du second faisceau de rayons lumineux, déphasés. A partir des rayons lumineux sortant de l’unité de déphasage supplémentaire, on polarise dans une première étape 550. Dans une étape 530 on dirige le faisceau de rayons lumineux déphasés sur le premier segment partiel de l’unité de détecteurs alors qu’en option on dirige le second faisceau de rayons lumineux, déphasés sur le second segment partiel de l’unité de détecteur.

Les étapes 540, 550 peuvent précéder l’étape 530. En particulier, le procédé 500 présente la chronologie suivante :

Dans l’étape 540 on applique tout d’abord la différence de phase supplémentaire entre les rayons partiels du premier faisceau de rayons lumineux déphasés pour générer un premier faisceau lumineux de Savart. De même, on applique en option, la seconde différence de phase supplémentaire entre les rayons partiels du second faisceau de rayons lumineux déphasé pour générer un second faisceau de rayons de Savart.

Dans l’étape 550, en utilisant le premier rayon lumineux Savart, on génère un premier rayon de lumière d’analyseur de rayons d’essai de même polarisation. De façon analogue, en option et en utilisant le second rayon lumineux de Savart, on génère un second rayon lumineux d’analyseur formé des rayons lumineux partiels, polarisés de la même manière.

Dans l’étape 530 on dirige le premier rayon de lumière d’analyseur sur le premier segment partiel et le second rayon de lumière d’analyseur sur le second segment partiel.

	NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX
100	Polariscope de Savart
102	Lentille
104	Détecteur
200	Microspectromètre
202	Diffuseur
204	Elément de Savart
206	Polariseur
208	Détecteur
210	Lentille
212	Unité d’analyseur
301, 302 304	Cristaux à double réfraction Axe optique
306	Signal d’interférence
400	Spectromètre à transformée de Fourier
402	Unité de polariseur
404	Premier faisceau de rayons lumineux
406	Second faisceau de rayons lumineux
408	Unité de diffuseur
410	Unité de déphasage
412	Premier élément de déphasage
414	Second élément de déphasage
416	Premier faisceau de rayons lumineux déphasés
418	Second faisceau de rayons lumineux déphasés
420	Unité de lentilles
422	Premier élément de lentille
424	Second élément de lentille
426	Unité de détecteurs
428	Premier segment partiel
430	Second segment partiel
432	Unité de déphasage
434	Unité d’analyseur
436	Unité de mélange
438	Premier orifice diffusant

442 Elément de déphasage

444 Faisceau de rayons lumineux

448 Faisceau de rayons lumineux

450 Autre orifice de passage

452 Segment partiel

460 Dispositif

Claims

REVENDICATIONS 1°) Spectromètre à transformée de Fourier (400), caractérisé en ce qu’il comprend une unité de polarisation (402) pour générer au moins un premier faisceau de rayons lumineux (404), dans un premier état de polarisation, une unité de détecteurs (426) pour détecter les rayons lumineux (416, 418, 448), une unité de déphasage (410) comportant au moins un premier élément de déphasage (412) pour générer un premier faisceau de rayons lumineux (416) déphasés, formé de rayons partiels déphasés les uns par rapport aux autres et orthogonaux, en utilisant le premier faisceau de rayons lumineux (404), une unité de lentilles (420) ayant au moins un premier élément de lentille (422) pour diriger le premier faisceau de rayons lumineux (416) déphasés sur une première section partielle (428) de l’unité de détecteurs (426), une unité de déphasage (432) supplémentaire entre l’unité de déphasage (410) et l’unité de lentilles (420) pour imprimer une différence de phase supplémentaire dépendant de l’angle entre les rayons partiels du premier faisceau de rayons lumineux déphasés (416) et les rayons partiels du second faisceau de rayons lumineux déphasé (418), et une unité d’analyseur (212, 434) pour polariser les rayons lumineux sortant de l’unité de déphasage (432) supplémentaire.
2°) Spectromètre à transformée de Fourier (400) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’unité de déphasage (410) est un réseau de cristaux liquides formé d’une première cellule de cristaux liquides comme premier élément de déphasage (412) et/ou une seconde cellule de cristaux liquides comme second élément de déphasage (414) et/ou comme élément simple formé de deux cristaux à double réfraction.
3°) Spectromètre à transformée de Fourier (400) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de lentilles (420) est un réseau de microlentilles formé d’une première microlentille comme premier élément de lentille (422) et/ou une seconde microlentille comme second élément de lentille (424).
4°) Spectromètre à transformée de Fourier (400) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l’unité de déphasage (432) supplémentaire est une combinaison d’un premier cristal à double réfraction et d’un second cristal à double réfraction.
5°) Spectromètre à transformée de Fourier (400) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte au moins une unité de mélange (436) entre l’unité de déphasage supplémentaire (432) et l’unité de détecteurs (426).
6°) Spectromètre à transformée de Fourier (400) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’élément de déphasage (412, 414) génère le premier faisceau de rayons lumineux déphasés (416) en imprimant une différence de phase entre les composantes à polarisation orthogonale du premier faisceau de rayons lumineux (404) dans un premier intervalle de déphasage.
7°) Spectromètre à transformée de Fourier (400) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de polarisation (402) génère au moins un second faisceau de rayons lumineux (406) avec un second état de polarisation, * l’unité de déphasage (410) ayant au moins un second élément de déphasage (414) pour générer un second faisceau de rayons lumineux déphasés (418) en utilisant le second faisceau de rayons lumi3064355 neux (406), et qui se compose de rayons partiels déphasés et à polarisation orthogonale, * l’unité de lentilles (420) ayant au moins un second élément de lentille (424) pour diriger le second faisceau de rayons lumineux déphasé (418) sur un second segment partiel (430) de l’unité de détecteurs (426) à l’extérieur du premier segment partiel (428), et * l’unité de déphasage (432) supplémentaire imprime une différence de phase supplémentaire dépendant de l’angle, entre les rayons partiels du second faisceau de rayons lumineux déphasés (418).
8°) Procédé (500) de gestion d’un spectromètre à transformée de Fourier (400) selon l’une des revendications 1 à 7, comprenant les étapes suivantes consistant à :

générer (510) au moins un premier faisceau de rayons lumineux (404) ayant un premier état de polarisation, générer (520) le premier faisceau de rayons lumineux déphasé (416) formé de rayons partiels déphasés et orthogonaux en utilisant le premier faisceau de rayons lumineux, imprimer (540) la différence de phase supplémentaire entre les rayons partiels du premier faisceau de rayon déphasé (416), polariser (550) les rayons lumineux sortant de l’unité de déphasage (432) supplémentaire, et diriger (530) le premier faisceau de rayons lumineux déphasé (416) sur le premier segment partiel (428) de l’unité de détecteurs (426).
9°) Dispositif (460) permettant la mise en œuvre du procédé (500) selon la revendication 8, caractérisé en ce qu’il comporte une unité de commande (462) permettant de commander séparément des éléments de déphasage par l’émission d’un signal de commande correspondant et d’obtenir ainsi des déphasages différents de faisceaux de rayons lumineux.