SPECTROMETRE COMPACT A ECHANTILLONAGE BIDIMENSIONNEL

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention se rapporte au domaine des spectromètres à Transformée de Fourier.

L'invention se rapporte plus particulièrement à un spectromètre comprenant un dioptre, des moyens de capture au niveau dudit dioptre d'un interférogramme issu de deux faisceaux d'interférence et formant des lignes d'interférence suivant l'axe transversal de l'interférogramme appartenant au plan du dioptre, lesdits moyens de capture comprenant un réseau d'éléments de détection agencé pour détecter la répartition spatiale dudit interférogramme.

éTAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

Plusieurs types de capteurs spectroscopiques, en particulier à transformée de Fourier, sont connus de l'état de la technique.

Un spectromètre à deux dimensions en optique intégrée est connu de la demande de brevet FR 2,889,587. Dans cette demande, les deux faisceaux d'interférence sont deux ondes contra-propagatives introduites dans un guide d'onde. Des moyens d'échantillonnage sous la forme par exemple de plots nanométriques positionnés le long du guide d'onde permettent un échantillonnage spatial des ondes évanescentes issues de ce champ d'interférence. Le capteur est monodimensionnel et permet de capter les lignes d'interférence de l'interférogramme sur toute leur largeur, ce qui rend possible le contrôle de la résolution du capteur.

L'inconvénient de la solution décrite dans cette demande réside dans la limitation de la bande spectrale d'analyse du capteur. Cette limitation est due à l'écartement entre les plots nanométriques qui ne peut descendre en dessous d'une certaine valeur. En

effet, en dessous de cette valeur, des problèmes de diffraction de la lumière empêchent des mesures satisfaisantes par le spectromètre. Le système décrit ne permet alors pas de reconstituer, par transformée de Fourier inverse, la totalité du spectre puisque l'interférogramme est sous-échantillonnée, par perte des composantes de haute fréquence.

Egalement, une solution complémentaire de celle décrite ci-dessus consiste à utiliser une élément optique, en particulier une lentille de projection, afin d'agrandir la dimension de l'interférogramme - et donc des lignes d'interférence - au niveau du capteur. Pour cela, l'interférogramme est projeté sur un écran par conjugaison avec la lentille. Il est ainsi possible de régler la résolution via le grandissement de la lentille, de façon à sur-échantillonner l'interférogramme. Dès lors, la limitation de la bande spectrale par les effets de diffraction de la lumière sont diminués.

Cette solution implique cependant de disposer une lentille entre le capteur et le dioptre et d'éloigner le capteur de manière significative. Par conséquent, un tel spectromètre est extrêmement volumineux.

Enfin, des capteurs spectroscopiques compacts sont connus de la demande de brevet US 2002/0075483. Dans cette demande, des ondes stationnaires sont échantillonnées par un capteur ultra-fin constitué d'une membrane en vibration. Un miroir disposé en aval du capteur reflète la lumière issu d'un faisceau lumineux et ayant traversé le capteur de sorte à ce qu'elle se superpose avec celle issu du même faisceau lumineux et arrivant sur ce capteur. L'interférogramme est alors situé dans le plan central de la membrane. Cette dernière vibre de sorte à balayer au moins une partie de l'interférogramme, ce qui permet d'augmenter la résolution spectrale.

L'inconvénient de cette solution réside néanmoins dans la limitation d'amplitude de vibration de la membrane. Cette limitation est due à la nécessaire courbure de la membrane au-delà d'une certaine amplitude de vibration, ce qui fausse la mesure spectrale de manière significative. Or, puisque c'est l'amplitude de vibration qui détermine la résolution, il apparaît qu'un tel spectromètre est limité en résolution

spectrale.

D'autres solutions existent enfin pour réaliser un capteur spectrosocpique compact, en particulier des capteurs à dispersion par réseau de Bragg ou des interféromètres de Michelson stationnaires et dynamiques. Néanmoins, ces capteurs ne permettent pas d'obtenir une haute résolution sans nécessairement être limités en termes de bande spectrale d'analyse ou être volumineux.

Ainsi toutes les solutions de l'état de la technique impliquent un nécessaire compromis entre, d'un côté, la résolution spectrale et, d'un autre côté, la bande spectrale d'analyse et la compacité.

OBJET DE L'INVENTION

Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients des capteurs selon l'état de la technique, en proposant un spectromètre compact, large bande spectrale et haute résolution spectrale. L'invention vise à cet effet la suppression d'un compromis entre la bande spectrale et la résolution spectrale, tout en assurant une certaine compacité du spectromètre.

Dans ce but, l'invention propose que le réseau d'éléments de détection soit bidimensionnel, et qu'au moins une partie desdits moyens de capture et l'interférogramme soient inclinés l'un par rapport à l'autre suivant l'axe transversal de l'interférogramme.

Cette inclinaison peut être obtenue de deux manières différentes : soit en inclinant physiquement une partie des moyens de capture par rapport au plan du dioptre, soit en inclinant l'interférogramme via un moyen de retard de phase bidimensionnel. Une combinaison de ces deux manières de procéder peut également être envisagée.

II est connu qu'un interférogramme issu de deux faisceaux d'incidence contra- propagatifs donne lieu à un ensemble de lignes d'interférence parallèles entre elles.

De plus, cet interférogramme est invariant suivant l'axe des lignes. L'inclinaison de l'interférogramme par rapport à une partie au moins des moyens de capture permet de décaler entre elles plusieurs lignes du réseau de détecteurs, par rapport aux lignes d'interférence de l'interférogramme, ceci tout en maintenant la distance entre chaque élément de détection. Dans ces conditions, chaque ligne décalée apporte une information complémentaire par rapport à celles obtenues par les autres lignes. Le pas d'échantillonnage n'est alors plus l'espacement entre les éléments de détection, mais le décalage de ces éléments d'une ligne à l'autre, et par conséquent il est possible de sur-échantillonner de façon à obtenir une haute résolution spectrale tout en disposant d'une bande spectrale élargie.

Dans un mode de réalisation visant à incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre, le spectromètre comprend au moins un moyen de retard de phase bidimensionnel agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence afin d'incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme. Ainsi l'interférogramme est incliné par rapport à une partie au moins des moyens de capture, ce qui permet d'obtenir l'avantage procuré par l'invention.

Dans un mode de réalisation visant à régler la position de l'interférogramme au niveau du dioptre, le spectromètre comprend au moins un moyen de retard de phase monodimensionnel agencé pour retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence de sorte à déplacer la position du centre de l'interférogramme suivant l'axe transversal de l'interférogramme.

Afin d'obtenir en sortie du spectromètre la discrimination du spectre de la lumière dont sont issus les deux faisceaux d'interférence, le spectromètre comprend des moyens de calcul reliés au moins en partie au réseau bidimensionnel d'éléments de détection pour le traitement des données expérimentales mesurées par au moins une partie des élément de détection et la reconstitution de la distribution spectrale d'au moins l'un des deux faisceaux d'interférence.

Selon un mode de réalisation particulier, chaque élément de détection est un élément transducteur. Un type d'élément transducteur particulier peut être un pixel, par exemple d'un capteur CCD ou CMOS.

Deux types de configurations sont possible en fonction des angles d'incidence des deux faisceaux d'incidence. Dans la première configuration, dite « champ sombre », l'angle d'incidence de chacun des deux faisceaux d'interférence sur le plan du dioptre est inférieur à l'angle critique de réflexion totale. Dans la seconde configuration, dite « ondes évanescentes », l'angle d'incidence de chacun des deux faisceaux d'interférence sur le plan du dioptre est supérieur à l'angle critique de réflexion totale.

Dans le cas où l'angle d'incidence de chacun des deux faisceaux d'interférence sur le plan du dioptre est inférieur à l'angle critique de réflexion totale, c'est-à-dire en configuration dite « champ sombre », le réseau bidimensionnel d'éléments de détection est incliné par rapport à l'interférogramme suivant l'axe transversal de l'interférogramme. L'interférogramme est ainsi disposé sur le réseau bidimensionnel d'éléments de détection et l'inclinaison permet de réaliser un sur-échantillonnage de sorte que la résolution soit inférieure au quart de l'interfrange de l'interférogramme.

Selon un premier mode de réalisation de la configuration « champ sombre », le réseau bidimensionnel d'éléments de détection est incliné par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme. Dans ce cas, c'est l'inclinaison du réseau bidimensionnel d'éléments de détection qui permet le décalage des lignes d'éléments de détection par rapport à l'interférogramme. Il est également possible dans ce mode de réalisation d'adjoindre au spectromètre un moyen de retard de phase bidimensionnel agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence afin d'incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme, à condition que l'inclinaison provoquée par ce moyen de retard bidimensionnel soit différente celle du réseau bidimensionnel d'éléments de détection.

Suivant un deuxième mode de réalisation de la configuration « champ sombre », le

réseau bidimensionnel d'éléments de détection est parallèle au plan du dioptre et le spectromètre comprend au moins un moyen de retard de phase bidimensionnel agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence afin d'incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme.

Dans chacun de ces modes de réalisation en configuration « champ sombre », deux types de configuration sont possibles. Dans la première configuration, le réseau bidimensionnel d'éléments de détection est très proche du dioptre de façon à ce situer dans la zone éclairée par les deux faisceaux d'interférence. Le réseau bidimensionnel d'éléments de détection reçoit ainsi directement la lumière issue des deux faisceaux d'interférence. Il est prévu dans cette configuration que les moyens de capture comprennent également un gel d'indice disposé entre ledit réseau bidimensionnel d'éléments de détection et ledit dioptre, et au contact dudit réseau et dudit dioptre de sorte à réduire les réflexions multiples entre ledit réseau et ledit dioptre.

Dans la deuxième configuration, le réseau bidimensionnel d'éléments de détection est éloigné du dioptre de façon à ce situer dans une zone sombre non éclairée par les deux faisceaux d'interférence. Le réseau bidimensionnel d'éléments de détection ne reçoit pas ainsi la lumière issue des deux faisceaux d'interférence. Il est prévu dans cette configuration que les moyens de capture comprennent également un réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion agencés pour projeter l'interférogramme sur le réseau bidimensionnel d'éléments de détection par diffusion d'ondes propagatives.

Dans le cas où l'angle d'incidence de chacun des deux faisceaux d'interférence sur le plan du dioptre est supérieur à l'angle critique de réflexion totale, c'est-à-dire en configuration dite « ondes évanescentes », les moyens de capture comprennent également un réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion agencés pour projeter l'interférogramme sur le réseau bidimensionnel d'éléments de détection par diffusion d'ondes évanescentes, ledit réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion étant

incliné par rapport à l'interférogramme suivant l'axe transversal de l'interférogramme. Il est ainsi possible de disposer l'interférogramme sur le réseau bidimensionnel d'éléments de détection via le réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion située entre le réseau bidimensionnel d'éléments de détection et le dioptre. Cela permet alors de réaliser un sur-échantillonnage de sorte que la résolution soit inférieure au quart de l'interfrange de l'interférogramme.

Suivant un premier mode de réalisation de la configuration « ondes évanescentes », le réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion est incliné par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme. Dans ce cas, c'est l'inclinaison du réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion qui permet le décalage des lignes d'éléments de détection par rapport à l'interférogramme. Il est également possible dans ce mode de réalisation d'adjoindre au spectromètre un moyen de retard de phase bidimensionnel agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence afin d'incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme, à condition que l'inclinaison provoquée par ce moyen de retard bidimensionnel soit différente celle du réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion.

Suivant un deuxième mode de réalisation de la configuration « ondes évanescentes », le réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion est parallèle au plan du dioptre et le spectromètre comprend au moins un moyen de retard de phase bidimensionnel agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence afin d'incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme.

Dans chacun de ces modes de réalisation de la configuration « ondes évanescentes », il est possible de prévoir que le réseau bidimensionnel d'éléments de détection soit incliné par rapport au réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion suivant l'axe transversal de l'interférogramme.

Toujours dans ces modes de réalisation de la configuration « ondes évanescentes »,

il est également possible de prévoir que le réseau bidimensionnel d'éléments de détection soit parallèle au réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion.

De manière avantageuse, chaque élément de détection est superposé à un élément de diffusion par projection suivant l'axe orthogonal au plan du dioptre. Une telle configuration centrée des éléments de détection et de diffusion permet de mesurer exactement la projection de l'interférogramme sur chaque élément de détection sans décalage à corriger.

De manière avantageuse, la largeur d'au moins une partie des éléments de diffusion est très inférieure au quart de l'interfrange de l'interférogramme. Ainsi la résolution minimale, donnée par le critère de Shannon comme étant le quart de l'interfrange de l'interférogramme, n'est pas limitée par la largeur des éléments de diffusion.

Selon un premier mode particulier de mise en œuvre, au moins un élément de diffusion est un bâtonnet de longueur égale à la longueur d'un élément de détection.

Selon un deuxième mode particulier de mise en œuvre, au moins un élément de diffusion est un plot diffusant.

Selon un troisième mode particulier de mise en œuvre, au moins un élément de diffusion est un point diffusant.

Selon un premier mode de réalisation du spectromètre, celui-ci comprend un prisme isocèle agencé de manière à ce que le dioptre soit constitué par une partie au moins des faces arrières du prisme, et à ce que les faisceaux d'interférence arrivent sur la face avant du prisme en incidence normale de manière symétrique par rapport au plan médian de ladite face avant qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière dudit prisme. Il est ainsi possible de réaliser un spectromètre très compact où l'inclinaison de l'interférogramme par rapport au réseau bidimensionnel d'éléments de détection permet de contrôler la résolution spectrale et la bande spectrale d'analyse.

Dans un mode de réalisation visant à régler la position de l'interférogramme au niveau du dioptre, le spectromètre comprend au moins un moyen de retard de phase monodimensionnel agencé pour retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence de sorte à déplacer la position du centre de l'interférogramme suivant l'axe transversal de l'interférogramme. Parmi ces moyens de retard de phase monodimensionnel, au moins un est disposé contre l'une des deux demi-faces avant de la face avant du prisme isocèle, chaque demi-face avant étant formée par l'intersection de la face avant avec le plan médian de ladite face avant qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière dudit prisme.

Dans un mode de réalisation visant à incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre, le spectromètre comprend au moins un moyen de retard de phase bidimensionnel agencé de sorte à retarder la phase de l'un des deux faisceaux d'interférence afin d'incliner l'interférogramme par rapport au plan du dioptre suivant l'axe transversal de l'interférogramme. Parmi ces moyens de retard de phase bidimensionnel, il peut être prévu qu'au moins un soit disposé contre l'une des deux demi-faces avant de la face avant du prisme isocèle, chaque demi-face étant formée par l'intersection de la face avant avec le plan médian de ladite face avant qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière dudit prisme. Il peut être également prévu qu'au moins un soit disposé contre l'une des deux face arrière du prisme isocèle.

Selon un deuxième mode de réalisation du spectromètre, celui-ci comprend un moyen de transduction et un prisme isocèle agencé de manière à ce que le dioptre soit constitué par une partie au moins d'une face arrière, à ce qu'un faisceau d'interférence arrive sur ledit moyen de transduction placé contre ledit dioptre en incidence normale après avoir traversé l'autre face arrière puis avoir été réfléchi sur la face avant, et à ce que l'autre faisceau d'interférence arrive directement sur ledit dioptre, sur lequel il est réfléchi du fait de la présence dudit moyen de transduction.

Dans tous ces modes de réalisation utilisant un prisme isocèle, il peut être

avantageusement prévu que ce prisme soit un prisme isocèle rectangle.

L'invention propose également un dispositif d'imagerie spectroscopique comprenant des moyens d'émission de deux faisceaux d'interférence et un spectromètre selon l'un quelconque des modes de réalisation ci-dessus.

Selon un mode particulier de mise en œuvre de ce dispositif, les moyens d'émission comprennent une source lumineuse émettant un faisceau lumineux, un moyen de séparation de ce faisceau lumineux en deux faisceaux d'interférence, et des moyens de guidage et de collimation de ces deux faisceaux d'interférence vers le dioptre de sorte à localiser l'interférogramme issu de deux faisceaux d'interférence au niveau du plan dudit dioptre.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de réalisation, accompagné de figures annexées représentant respectivement :

- la figure 1 , un schéma de principe d'un spectromètre selon un premier mode de réalisation de l'invention en configuration dite « champ sombre »,

- la figure 2, une vue de dessus du spectromètre illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention en configuration dite « champ sombre »,

- la figure 3, un schéma de principe d'un spectromètre un premier mode de réalisation de l'invention en configuration dite « onde évanescentes », - la figure 4, une vue de dessus du spectromètre illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention en configuration dite « ondes évanescentes »,

- la figure 5, une vue de dessus du spectromètre selon les premier et deuxième modes de réalisation de l'invention en configuration « ondes évanescentes »,

- la figure 6, un graphe de la répartition d'intensité mesurée par le spectromètre selon ces premier et deuxième modes de réalisation en configuration « ondes évanescentes »,

- la figure 7, une vue de dessus du spectromètre illustrant un troisième mode de

réalisation de l'invention en configuration dite « ondes évanescentes »,

- la figure 8, une vue de dessus du spectromètre selon le troisième mode de réalisation de l'invention en configuration « ondes évanescentes »,

- la figure 9, une vue de coupe du spectromètre illustrant une première configuration permettant d'obtenir un système d'interférence par « séparation du front d'onde »,

- la figure 10, une vue de coupe du spectromètre illustrant une deuxième configuration permettant d'obtenir un système d'interférence par « séparation du front d'onde »,

- la figure 11 , une vue de coupe du spectromètre illustrant une seconde configuration permettant d'obtenir le système d'interférence par « rétro-réflexion », et

- la figure 12, un schéma du dispositif d'imagerie spectroscopique selon l'invention.

EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

La figure 1 représente un schéma de principe d'un spectromètre un premier mode de réalisation de l'invention en configuration dite « champ sombre ».

Le spectromètre dans cette configuration comprend un dioptre 11 , des moyens de capture 18, et des moyens de calcul 20.

Le spectromètre permet la mesure de la distribution spectrale d'une source lumineuse préalablement séparée en deux faisceaux lumineux d'interférence F1 et F2, ces deux faisceaux étant collimatés, mis en forme et projetés sur le dioptre pour former un système d'interférences, ou interférogramme.

Le dioptre 11 est un plan transparent situé dans le plan (xOy) et séparant deux demi- plans d'indices de réfraction différents. Il est agencé pour localiser dans son plan l'interférogramme 12 issu des deux faisceaux d'interférence F1 et F2. Les deux faisceaux F1 et F2 arrivent sur le dioptre 11 en faisant un angle θ avec l'axe transversal (Oz) du dioptre 11. Ils forment un champ d'interférences 12 (ou interférogramme) constitués de lignes d'interférence 13 selon la direction transversale (Ox) de l'interférogramme appartenant au plan (xOy) du dioptre 11. Ces

lignes 13 correspondent à une succession de franges sombres et brillantes.

Les moyens de capture 18 comprennent un réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 situé dans un plan parallèle au plan du dioptre 11. Les éléments de détection 19 sont disposés de manière équidistante sur l'ensemble du réseau bidimensionnel 18. Les éléments de détection 19 sont des éléments transducteurs photosensibles aptes à détecter une partie de l'interférogramme.

Les moyens de calcul 20 sont reliés au réseau bidimensionnel 18. Plus précisément, chaque élément de détection 19 du réseau 18 est relié auxdits moyens de calcul 20.

Ces moyens de calcul réalisent le traitement des données expérimentales mesurées par chaque élément de détection 19 et la reconstitution de la distribution spectrale d'au moins l'un des deux faisceaux d'interférence (F1 ,F2), ou de la source lumineuse à l'origine de ces deux faisceaux (F1.F2). Pour cela, les signaux électriques obtenus par le réseau 18 sont filtrés et traités numériquement pour reconstituer, par transformée de Fourier inverse, ladite distribution spectrale.

Selon un mode particulier de réalisation, un moyen de retard de phase 23 peut être disposé de sorte à être traversé par l'un des deux faisceaux d'interférence. Ce moyen de retard de phase 23 est une ligne à retard de phase. Elle est traversé par le faisceau F1 et introduit pour ce faisceau le même déphasage quelque soit le plan d'incidence (yOz) où l'on se trouve, le déphasage étant ainsi indépendant de la composante transversale (Ox). Cette ligne 23 permet ainsi de déplacer et de contrôler la position de la frange brillante centrale le long de l'axe (Oy).

On définit l'angle critique θc comme l'angle au-delà duquel on obtient une réflexion totale interne des faisceaux au niveau du dioptre 1 1. Par exemple, pour un dioptre séparant un milieu d'indice n=1 ,5 (demi-espace inférieur) de l'air d'indice 1 (demi- espace supérieur), cet angle θc vaut 45°. Dans ce cas particulier où l'angle d'incidence θ est inférieur à cet angle critique θc, les faisceaux d'incidence F1.F2 traversent le dioptre 11 et arrivent sur le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19. On parle alors de configuration « champ sombre ».

Selon ce premier mode de réalisation en champ sombre, le réseau bidimensionnel

18 n'est pas incliné par rapport au plan (xOy) du dioptre 11. Un moyen de retard de phase à deux dimensions 24 est disposé de sorte à être traversé par l'autre faisceau d'interférence. Ce moyen de retard de phase 24 est une ligne à retard de phase bidimensionnelle. Elle est traversée par le faisceau F2 et introduit un déphasage différent selon la direction transversale (Ox), ce déphasage pouvant être incrémental ou linéaire. Le faisceau F2 traversant la ligne à retard de phase 24 présente alors une distribution transversale de sa phase contrôlée par la structure de la ligne 24. Le moyen 24 peut être par exemple un élément transparent à gradient d'indice ou un miroir incliné. Dans les deux cas, il permet de générer une différence de marche qui augmente de manière linéaire ou par étapes selon la direction (Ox).

Le faisceau lumineux F2 passant par la ligne 24 et combiné au faisceau F1 permet d'obtenir un système de lignes d'interférence brillantes et sombres inclinées d'un angle α par rapport à l'axe (Ox).

Dans ce mode de réalisation, le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection

19 est situé à une très faible distance du dioptre 11 de façon à se situer dans la zone éclairée par les deux faisceaux d'interférence. Les moyens de capture comprennent alors également un gel d'indice 21 situé entre le réseau bidimensionnel d'éléments de détection 19 et le dioptre, et au contact de ceux-ci. Cela permet d'éviter des réflexions multiples entre le réseau 18 et le dioptre, qui pourraient causer des lumières parasites faussant la mesure sur l'interférogramme 12.

Dans un autre mode de réalisation, le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 est éloigné du dioptre 11 de façon à se situer dans une zone sombre non éclairée par les deux faisceaux d'interférence. Les moyens de capture comprennent alors également un réseau bidimensionnel d'éléments de diffusion agencés pour projeter l'interférogramme 12 sur le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 par diffusion d'ondes propagatives.

La figure 2 représente une vue de dessus du spectromètre illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention en configuration dite « champ sombre ».

Le spectromètre selon ce mode de réalisation ne comporte pas de moyen de retard de phase 24. Le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 est incliné d'un angle α par rapport au plan (xOy) du dioptre 11 suivant l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme 12. Le réseau 18 est ainsi incliné par rapport aux lignes d'interférences 13. Dans ce cas, le moyen de retard de phase 24 est rendu inutile car il n'est pas nécessaire d'incliner les lignes d'interférences.

Dans ces conditions, le résultat obtenu au niveau de la détection est donc le même que celui fourni par le spectromètre selon le premier mode de réalisation et illustré par la figure 1. En effet, il est équivalent d'incliner les lignes d'interférences 13 d'un angle α et de maintenir le réseau 18 parallèle à l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme 12, ou d'incliner le réseau 18 d'un angle α et de maintenir les lignes d'interférences 13 parallèles à l'axe transversal (Ox) de l'interférogramme 12.

La figure 3 représente un schéma de principe d'un spectromètre un premier mode de réalisation de l'invention en configuration dite « ondes évanescentes ».

Le spectromètre dans cette configuration comprend de la même façon un dioptre 11 , des moyens de capture 18, et des moyens de calcul 20.

Dans ce cas particulier où l'angle d'incidence θ est supérieur à cet angle critique θc, les faisceaux d'incidence F1 ,F2 sont totalement réfléchis au niveau du dioptre 11 et une onde évanescente se forme du côté de l'espace de faible indice (demi-espace supérieur). On parle alors de configuration « ondes évanescentes ».

Les moyens de capture 18 comprennent un réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 et un réseau bidimensionnel 15 d'éléments de diffusion 16. Ces deux réseaux sont situés dans un plan parallèle au plan du dioptre 11.

Le réseau bidimensionnel 15 d'éléments de diffusion 16 est situé dans un plan parallèle au plan du dioptre 11 , au-dessus du plan dudit dioptre 11 et en contact avec l'onde évanescente. Les éléments de diffusion 16 sont disposés de manière équidistante sur l'ensemble du réseau bidimensionnel 15.

Les moyens de détection comprennent un réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 également situé dans un plan parallèle au plan du dioptre 11 , au-dessus du plan du réseau bidimensionnel 15 d'éléments de diffusion 16. Les éléments de détection 19 sont disposés de manière équidistante sur l'ensemble du réseau bidimensionnel 18.

Avantageusement, chaque élément de diffusion 16 est associé à un élément de détection 19. La projection d'un élément de diffusion 16 sur le plan du réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 est confondu avec l'élément de détection 19 associé audit élément de diffusion 16. Dans une telle configuration, chaque élément de diffusion 16 est parfaitement centré en dessous d'un détecteur 19. Le réseau 15 d'éléments de diffusion 16 et le réseau 18 de détecteurs 19 coïncident.

Avantageusement, un moyen de retard de phase 23 peut être disposé de manière identique à celui dans le premier mde de réalisation en champ sombre illustré par la figure 1.

Dans cette configuration, l'angle d'incidence θ des faisceaux d'interférence F1 ,F2 est supérieur à l'angle critique θc de réflexion totale. Des ondes évanescentes sont alors générées et localisées en surface du côté de faible incidence du dioptre 11. Dans ces conditions, aucun faisceau ne se propage au-delà du dioptre 1 1. La distribution d'intensité au niveau de l'onde évanescente reflète exactement celle de l'interférogramme produit par la réflexion totale interne des faisceaux F1 et F2. Le signal échantillonné de cette distribution d'intensité sur le dioptre 11 est obtenu en combinant le réseau 15 d'éléments diffusants 16 et le réseau 18 d'éléments de détection 19.

La forme et la hauteur des éléments diffusants 16 peut être choisie afin d'optimiser l'efficacité d'extraction de l'onde évanescente vers les détecteurs 19, en utilisant le maximum de surface utile du détecteur 19 associé à cet élément de diffusion 16. Un exemple de forme peut être des bâtonnets dont la largeur serait bien inférieure au quart de l'interfrange et de longueur le long d'une frange serait du même ordre que celle du détecteur. En cas de saturation des détecteurs, on peut alors réduire la longueur des bâtonnets jusqu'à obtenir des points ou plots.

Selon ce premier mode de réalisation en configuration « ondes évanescentes », un moyen de retard de phase à deux dimensions 24 est disposé de sorte à être traversé par l'autre faisceau d'interférence. Ce moyen de retard de phase 24 est une ligne à retard de phase bidimensionnelle. Elle est traversée par le faisceau F2 et introduit un déphasage différent selon la direction transversale (Ox), ce déphasage pouvant être incrémental ou linéaire. Le faisceau F2 traversant la ligne à retard de phase 24 présente alors une distribution transversale de sa phase contrôlée par la structure de la ligne 24. Le moyen 24 peut être par exemple un élément transparent à gradient d'indice ou un miroir incliné. Dans les deux cas, il permet de générer une différence de marche qui augmente de manière linéaire ou par étapes selon la direction (Ox). Le faisceau lumineux F2 passant par la ligne 24 et combiné au faisceau F1 permet d'obtenir un système de lignes d'interférence brillantes et sombres inclinées d'un angle α par rapport à l'axe (Ox).

La figure 4 représente une vue de dessus du spectromètre illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention en configuration dite « ondes évanescentes ».

Selon ce deuxième mode de réalisation, les réseaux bidimensionnels 15 et 18 d'éléments de diffusion 16 et de détection 19 sont inclinés d'un angle α par rapport à l'axe (Ox) du plan du dioptre 11. Les éléments de diffusion 16 et de détection 19 sont parfaitement alignés. Dans ce mode, dit « configuration centrée », les deux réseaux 15 et 18 sont ainsi inclinés par rapport aux lignes d'interférences 13. Dans ce cas, le moyen de retard de phase 24 est rendu inutile car il n'est pas nécessaire d'incliner

les lignes d'interférences. Dans ces conditions, le résultat obtenu au niveau de la détection est donc le même que celui fourni par le spectromètre selon le premier mode de réalisation en configuration « ondes évanescentes ». En effet, il est équivalent d'incliner les lignes d'interférences 13 d'un angle α et de maintenir les réseaux 15 et 18 parallèles à l'axe transversal (Ox) du dioptre 11 , ou d'incliner les réseaux 15 et 18 d'un angle α et de maintenir les lignes d'interférences 13 parallèles à l'axe transversal (Ox) du dioptre 11.

La figure 5 représente une vue de dessus du spectromètre selon les premier et deuxième modes de réalisation de l'invention en configuration « ondes évanescentes ».

Comme illustré en figure 5, il est possible de réaliser un sur-échantillonnage « r » de sorte que r soit inférieur au quart de l'interfrange, tout en gardant un espacement entre les colonnes d'éléments de diffusion 16 parallèles à l'axe (Ox) qui soit égal à la taille P des pixels (en anglais « pixel pitch »). Plus précisément, P désigne la période du réseau de détecteurs et tend vers la taille du pixel dans le cas où l'espacement entre pixels est faible. Dans un mode de réalisation particulier où l'interférogramme ne serait pas périodique, l'interfrange minimale serait prise en compte pour définir la résolution maximale de l'échantillonnage et qui correspond au pas d'échantillonnage minimum r _Min .

La figure 6 est un graphe de la répartition d'intensité mesurée par le spectromètre selon ces premier et deuxième modes de réalisation en configuration « ondes évanescentes ».

Comme illustré en figures 5 et 6, les détecteurs 19 situés en colonne « a » et lignes 1 à N fournissent un échantillonnage de la distribution d'intensité le long de cette colonne « a ». Les points « 1a » à « Na » donnent l'intensité du champ d'interférence aux points correspondants du réseau 18. La résolution maximale de cet échantillonnage transversal dépend de l'angle d'inclinaison α entre les lignes d'interférence 13 et les colonnes des réseaux 15 et 18, ainsi que de la taille P des

pixels. Le critère de Shannon impose que le pas d'échantillonnage minimum r _Min soit inférieur ou égal au quart de l'interfrange minimale de l'interférogramme 12.

La résolution en longueur d'onde du spectromètre selon l'invention est liée à la composante longitudinale dans le plan d'incidence et fait intervenir une condition sur la largeur des faisceaux projetée sur le plan d'incidence (yOz). Sa bande spectrale d'analyse est liée à la composante transversale (perpendiculaire au plan d'incidence) et fait intervenir une condition sur la taille transversale des faisceaux selon l'axe (Ox). Les performances dépendent également de la précision avec laquelle est réalisée et contrôlée l'inclinaison des lignes d'interférences 13 par rapport aux réseaux 15 et 18. Par conséquent, un spectromètre conforme à ce mode de réalisation présente l'avantage d'avoir une résolution et une bande spectrale d'analyse qui ne dépendent pas de la taille des pixels.

Le raisonnement illustré par les figures 5 et 6 s'applique également aux deux modes de réalisation de l'invention en configuration « champ sombre », illustrée par les figures 1 et 2.

La figure 7 représente une vue de dessus du spectromètre illustrant un deuxième mode de réalisation de l'invention en configuration dite « ondes évanescentes ».

Selon le troisième mode de réalisation, le réseau bidimensionnel 15 d'éléments de diffusion est incliné d'un angle α par rapport à l'axe (Ox) du plan du dioptre 1 1. Le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 est parallèle au plan du dioptre 11. Les éléments de diffusion 16 et de détection 19 sont inclinés d'un angle α suivant l'axe (Ox) du plan du dioptre 11. Dans ce mode, dit « configuration décentrée », seul le réseau 15 est incliné par rapport aux lignes d'interférence 13. En inclinant les colonnes d'éléments de diffusion 16 par rapport à l'axe (Ox), les réseaux de diffuseurs 16 et de capteurs 19 ne sont plus superposés. Cette inclinaison d'un angle α prédéterminé peut être obtenue par un procédé de fabrication de grilles en surface par holographie à deux faisceaux. Ce type de procédé permet d'inscrire les diffuseurs 16 à la surface du dioptre 11 avec une excellente maîtrise de l'angle

d'inclinaison α sur l'ensemble des colonnes.

La figure 8 représente une vue de dessus du spectromètre selon le troisième mode de réalisation de l'invention en configuration « ondes évanescentes ».

La figure 6 illustre également les résultats obtenus selon ce troisième mode de réalisation. Les diffuseurs 16 sont dans ce cas décalés progressivement par rapport aux centres des détecteurs 19. Le décalage dépend de l'angle d'inclinaison α. La ligne d'interférence 13 est parallèle à l'axe (Ox). Les détecteurs 19 situés en colonne « a » et lignes 1 à N fournissent un échantillonnage de la distribution d'intensité le long de cette colonne « a », comme illustré en figure 6. Les points « 1 a » à « Na » donnent l'intensité du champ d'interférence 12 aux points correspondants du réseau 18, de façon similaire à celle obtenue par le spectromètre selon les deux premiers modes de réalisation décrits ci-dessus. Ainsi la même information est obtenue au niveau du spectromètre que celle obtenue par la configuration selon les deux premiers modes de réalisation.

Les figures 9, 10 et 11 représentent des configurations pour des application de capteurs spectroscopique. Dans chacune des ces configurations, l'élément de transduction réalisant la fonction spectroscopique peut être disposé uniquement sur une seule face d'un prisme et n'est représenté qu'à titre d'illustration.

La figure 9 représente une vue de coupe du spectromètre illustrant une première configuration permettant d'obtenir un système d'interférence par « séparation du front d'onde ».

Le spectromètre comporte un prisme isocèle 41. Ce prisme isocèle 41 est formé de cinq faces : une face avant (44), deux faces arrière (42,43), une face de dessus et une face de dessous. Lesdites faces de dessus et de dessous forment chacune un triangle isocèle. Il est agencé de manière à ce que le dioptre soit constitué à présent par une partie au moins des faces arrières 42 et 43 du prisme 41. Dans ce cas, les faisceaux d'interférence F1 et F2 arrivent sur la face avant 44 du prisme 41 en

incidence normale de manière symétrique par rapport au plan médian de ladite face avant 44 qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière 42 et 43 dudit prisme 41. Chaque faisceau est ainsi répartie suivant l'un des deux côtés de ce plan médian. L'angle du prisme détermine l'angle d'incidence des deux faisceaux. En particulier, un prisme isocèle rectangle correspond à un angle d'incidence de 45°. La structure ainsi formée avec ce prisme 41 assure une compacité et une stabilité mécanique et thermique du spectromètre.

Le moyen de transduction 25 est disposé contre la face arrière 43 et réalise la fonction de capteur spectroscopique. De façon équivalente à ce qui est obtenu avec un spectromètre selon les trois premiers modes de réalisation, on obtient avec cette configuration un champ d'interférence 12 réparti de manière symétrique entre les deux faces arrière (42,43) du prisme isocèle 41. En effet, avec cette configuration, le faisceau F1 traverse le moyen 23 puis le prisme 41 , avant d'être réfléchi sur la face arrière 42 du prisme. De même, le faisceau F2 traverse le moyen 24 puis le prisme 41 , avant d'être réfléchi sur la face arrière 43 du prisme. Le champ d'interférence se forme donc sur les faces 42 et 43. Par exemple les interférences sur la face 42 correspondent aux interférences entre le faisceau lumineux F1 envoyé sur ladite face 42 et le faisceau F2 envoyé sur ladite face 42 après réflexion sur la face 43.

Le moyen de retard de phase monodimensionnel 23 est disposé contre l'une des deux demi-faces avant 44' ou 44" de la face avant 44 du prisme 41. Chacune des deux demi-faces avant 44' et 44" est formée par l'intersection de la face avant 44 avec le plan médian de ladite face avant 44 qui coupe l'arête formée par l'intersection des deux faces arrière 42 et 43 dudit prisme 41. On entendra par la suite que chaque demi-face avant (44', 44") du prisme 41 est ainsi constituée. Dans cette configuration, le moyen 23 est disposé du côté du faisceau F1. Il permet de retarder le faisceau F1 de manière à décaler la frange centrale loin du sommet du prisme 41. Cela permet de minimiser les effets de la lumière parasite diffusée au sommet.

Le moyen de retard de phase bidimensionnel 24 est disposé contre la demi-face avant 44" de la face avant 44 du prisme 41, la première demi-face 44' étant déjà

occupée par le moyen de retard de phase 23.

La figure 10 représente une vue de coupe du spectromètre illustrant une deuxième configuration permettant d'obtenir un système d'interférence par « séparation du front d'onde ».

Le moyen de retard de phase bidimensionnel 24 est disposé cette fois-ci contre la face arrière 43 du prisme isocèle 41. Ce choix de la face arrière 43 est du au fait que le moyen de retard de phase 23 est disposé contre la demi-face avant 44'. La partie inférieure du faisceau F2 subit une réflexion avec un déphasage selon l'axe (Ox) qui dépend du moyen 24. Dans ce cas, le moyen 24 peut être un miroir à retard de phase ou un miroir incliné d'un angle α.

Le moyen de transduction 25 est disposé sur la face arrière 43 et joue aussi le rôle de moyen de retard de phase monodimensionnel 23 ou bidimensionnel 24. Ce transducteur 25 permet de réaliser des applications de capteurs. En étant en contact avec le milieu à analyser, il peut induire :

- un déphasage ou une modification du spectre de réflexion (activation de surface sur miroir diélectrique dont l'indice de réfraction dépend du milieu extérieur), - une variation d'angle de réflexion ou une absorption (plasmons de surface), et

- un découplage vers l'extérieur du prisme (réseaux de Bragg).

La figure 11 représente une vue de coupe du spectromètre illustrant une seconde configuration permettant d'obtenir le système d'interférence par « rétro-réflexion ».

Le spectromètre comporte un prisme à angle droit et un élément 25 qui joue le rôle d'un miroir. Le faisceau F1 arrive sur la face 52 puis est réfléchi sur la face 54 afin d'arriver sur l'élément 25 placé contre la face 53. Le faisceau F2 arrive directement sur la face 53, sur laquelle il est réfléchi du fait de la présence de l'élément 25. Il se forme alors l'interférogramme ou onde stationnaire entre les faces 53 et 54, qui le système de détection peut capter et mesurer.

Selon un autre mode de réalisation, ledit moyen de transduction 25 est combiné avec un élément de retard de phase bidimensionnel.

La figure 12 représente un schéma du dispositif d'imagerie spectroscopique selon l'invention.

Ce dispositif comprend des moyens d'émission des deux faisceaux d'interférence (F1 ,F2) et un spectromètre conforme à la présente invention.

Les moyens d'émission comprennent une source lumineuse 31 émettant un faisceau lumineux, un moyen de séparation 32 de ce faisceau lumineux en deux faisceaux d'interférence F1 et F2 (séparation en amplitude), ainsi que des moyens de guidage et de collimation (33,33') desdits deux faisceaux d'interférence vers le dioptre 11.

Le moyen de séparation 32 est constitué par un moyen de séparation optique standard, en particulier un moyen parmi une lame séparatrice, un cube avec une lame demi-onde, des coupleurs en optique fibre, etc.

A l'aide des moyens de guidage et de collimation (33,33'), les deux faisceaux lumineux F1 et F2 sont collimatés de sorte à localiser le champ d'interférence 12 sur le dioptre 11. Un faisceau d'interférence de section par exemple rectangulaire peut être obtenu avec un système de microlentilles cylindriques.

Les deux faisceaux d'interférence F1 et F2 traversent respectivement les moyens de retard de phase monodimensionnel 23 et bidimensionnel 24 et sont envoyés vers le dioptre 11. Le dioptre 1 1 peut être par exemple l'une au moins des faces du prisme 41. Dans la cas où la détection se fait dans l'air, l'angle d'incidence θ est supérieur à l'angle critique θc = Arcsin(1/n). Plus précisément, mis à part le dioptre 11 , la forme du prisme 41 peut être quelconque : sphérique, trois ou plusieurs faces, etc.

La connexion permettant de séparer le faisceau lumineux issus de la source 31 en deux faisceaux F1 et F2 est une connexion fibrée. Ce dispositif comporte enfin deux

réseaux 15 et 18 d'éléments de diffusion 16 et de détection 19, ainsi que des moyens de calcul 20.

Un spectromètre et un dispositif d'imagerie spectroscopique conforme à l'invention peuvent être utilisés pour différentes applications, en particulier pour les applications suivantes :

- un dispositif de mesure colorimétrique dans le visible, par exemple pour une bande spectrale 380-730nm avec une résolution de 10nm : un dispositif suffisant présente un angle d'incidence θ=70°, une taille de pixel P=12μm, un angle d'inclinaison α=0,16°, une taille transversale des faisceaux Lx=4,2mm et une largeur de faisceau Lyz≈O, 01 mm ;

- un dispositif de télécommunication dans l'infrarouge, par exemple pour une bande spectrale 1400-1600nm avec une résolution de 1 nm : un dispositif suffisant présente un angle d'incidence θ=70°, une taille de pixel P=12μm, un angle d'inclinaison α=0,6°, une taille transversale des faisceaux Lx=1 ,2mm et une largeur de faisceau Lyz=0, 5mm ;

- un dispositif de spectroscopie d'absorption dans l'infrarouge, par exemple pour une bande spectrale 1500-1600nm avec une résolution de 0,2nm : un dispositif suffisant présente un angle d'incidence θ=70°, une taille de pixel P=12μm, un angle d'inclinaison α=1 ,27°, une taille transversale des faisceaux Lx=0,5mm et une largeur de faisceau Ly=2,2mm.

Les modes de réalisation précédemment décrits de la présente invention sont donnés à titre d'exemples et ne sont nullement limitatifs. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet.

En particulier, il est possible de ne pas intégrer directement le réseau bidimensionnel 18 d'éléments de détection 19 au spectromètre. Dans ce cas, l'assemblage du spectromètre avec le réseau bidimensionnel d'éléments de détection - en prévoyant l'inclinaison qui convient - permet également de réaliser la fonction spectroscopique sans pour autant sortir du cadre du brevet.