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WO2025158054A1 - Spectromètre imageur de type offner - Google Patents

Spectromètre imageur de type offner

Info

Publication number
WO2025158054A1
WO2025158054A1 PCT/EP2025/051887 EP2025051887W WO2025158054A1 WO 2025158054 A1 WO2025158054 A1 WO 2025158054A1 EP 2025051887 W EP2025051887 W EP 2025051887W WO 2025158054 A1 WO2025158054 A1 WO 2025158054A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
diffraction grating
degrees
light beam
imaging spectrometer
imaging
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
PCT/EP2025/051887
Other languages
English (en)
Inventor
Brice VILLIER
Christian Brach
Carla LEBRETON
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Horiba France SAS
Original Assignee
Horiba France SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Horiba France SAS filed Critical Horiba France SAS
Publication of WO2025158054A1 publication Critical patent/WO2025158054A1/fr
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • G01J2003/1842—Types of grating
    • G01J2003/1847—Variable spacing

Definitions

  • the present invention relates to the field of imaging spectrometers.
  • Offner-type imaging spectrometers comprising an entrance slit, a diffraction grating and a reflecting optical device in a concentric configuration and an imaging detector.
  • the slit, the imaging detector and grooves of the diffraction grating are aligned in space along a spatial axis.
  • These spectrometers are functional since they make it possible to record on the detector a spectrum corresponding to an image of the entrance slit.
  • this configuration makes it possible to obtain a spectrum of good optical quality, that is to say with low optical aberrations. It is known that this configuration makes it possible to obtain good spatial resolution in a plane of symmetry.
  • the spectral resolution is limited, especially when such a spectrometer has a large aperture. In this case, the best spectral resolution is obtained in the plane of symmetry. As a result, the spatial and spectral resolution in these imaging spectrometers is significantly degraded as one moves away from the plane of symmetry. In addition, in these imaging spectrometers, the numerical aperture of the spectrometer is low and the range of the spectrum obtained is limited. Finally, such spectrometers are bulky, leading to cost issues.
  • Offner-type imaging spectrometers are also known in which the slit and the diffraction grating are misaligned at an angle of 45°. Such spectrometers are functional because they allow a spectrum to be obtained with better spectral and spatial resolution. However, this resolution is limited and is not effective over the entire height of the slit. In addition, these spectrometers are bulky.
  • the invention aims to resolve at least one of the aforementioned drawbacks.
  • an Offner type imaging spectrometer comprising:
  • an input slit configured to transmit an incident light beam comprising wavelengths, said input slit having a geometric center, a height defined along an axis and a width, said value of the height of the input slit being greater than or equal to the value of the width of the input slit, the input slit also having a longitudinal axis passing through the geometric center and being oriented parallel to the axis defining the height of the entrance slot;
  • the reflective optical device having a center of curvature and being configured to reflect the incident light beam and direct it towards the diffraction grating; ii) the diffraction grating having a geometric optical center on the surface, the diffraction grating comprising grooves oriented parallel to the longitudinal axis of the entrance slit; said diffraction grating being arranged to spectrally diffract the incident light beam reflected on the reflective optical device, iii) the reflective optical device being configured to reflect the light beam spectrally diffracted by the diffraction grating;
  • an imaging detector configured to record the light beam diffracted by said diffraction grating and reflected by the reflective optical device, the imaging spectrometer being configured to form an image of the entrance slit on the imaging detector.
  • the imaging spectrometer has a straight line joining the geometric optical center of the diffraction grating and the geometric center of the slit forming an angle with the longitudinal axis of the entrance slit, said angle being greater than 0 degrees and less than 45 degrees or greater than 45 degrees and less than 90 degrees. Preferably, said angle is between 50 degrees and 70 degrees.
  • the precision of this angle is linked to the precision of the optomechanical device supporting the optical elements and is of the order of one arc minute or better.
  • the slit and the diffraction grating are misaligned, which makes it possible to obtain an imaging spectrometer with a large numerical aperture while retaining the optical quality of this imaging spectrometer.
  • the arrangement between the slit, the diffraction grating and the imaging detector it is possible to obtain a spectrum with a wide spatial extent and highly resolved spectrally and spatially over the entire height of the slit. As a result, such an arrangement makes it possible to obtain better spectral and spatial resolution depending on the height of the slit.
  • Such an arrangement also makes it possible to obtain a more compact imaging spectrometer than state-of-the-art imaging spectrometers, such as so-called in-plane imaging spectrometers, facilitating the use or installation of such an imaging spectrometer in pre-existing devices.
  • the angle range is selected to position the diffraction grating relative to the entrance slit in order to obtain an imaging spectrometer having a large numerical aperture while preserving its optical performance.
  • Such an arrangement makes it possible to obtain a better compromise between spectral and spatial extents and therefore improve the spectral resolution and spatial resolution in the field compared to state-of-the-art spectrometers.
  • the imaging spectrometer according to the invention makes it possible to provide a spectrum with better resolution over the slit height and a significant spatial and spectral extent.
  • the angle values are given in degrees with an accuracy of 0.01 degrees.
  • the angle ranges are given, for each terminal, to two decimal places, for example an angle greater than 20.00 degrees and less than or equal to 40.00 degrees.
  • the geometric center of an object is understood to mean the average position of the points forming the area of this object.
  • this corresponds in particular to the barycenter of this object obtained with weighting coefficients all equal to 1.
  • To determine the geometric center it is possible, for example, to calculate the point positioned at the arithmetic mean of the coordinates of each point of this object weighted with a weighting factor equal to 1.
  • the angle is between 45 degrees (exclusive) and 70 degrees, preferably between 50 degrees and 70 degrees.
  • the imaging spectrometer is more compact and more spectrally and spatially resolved.
  • the angle is between 50 degrees and 60 degrees.
  • the angle is between 15 degrees and 40 degrees. Such an arrangement allows for improved spectral extent and resolution while maintaining a maximum spatial extent close to the on-axis configuration (in the dispersion plane of the grating).
  • the angle is greater than 20 degrees and less than or equal to 40 degrees.
  • the angle is between 20 degrees (exclusive) and 40 degrees, preferably between 25 degrees and 40 degrees. Such an arrangement makes it possible to further improve the performance described above.
  • the angle is between 30 degrees and 40 degrees. Such an arrangement makes it possible to further improve the performance described above.
  • the diffraction grating is arranged to diffract the incident light beam reflected by said reflecting device according to a diffraction order equal to 1 in absolute value and the imaging detector is arranged to record the diffracted light beam in the diffraction order equal to 1 in absolute value.
  • the imaging detector comprises a recording surface having a first spatial dimension and a second spatial dimension perpendicular to the first spatial dimension, said first spatial dimension of the recording surface being oriented parallel to the longitudinal axis and being adapted to the height of the entrance slit.
  • the detector is configured to record a spectrum of the diffracted light beam defined between wavelengths of 190 nm to 900 nm and having a spatial extent of between 28 mm and 30 mm.
  • the imaging spectrometer further comprises a filter operating in transmission arranged upstream of the detector and configured to select a single diffraction order.
  • a filter operating in transmission arranged upstream of the detector and configured to select a single diffraction order.
  • all other diffraction orders are filtered (i.e. stopped) by the filter, which makes it possible to improve the spectral selectivity of the imaging spectrometer.
  • the filter has a central axis normal to a plane of the filter and passing through a geometric center of the filter, said central axis of the filter being inclined relative to a normal to a plane of the imaging detector at an angle of inclination.
  • said tilt angle may be between 5 degrees and 50 degrees.
  • the reflective optical device is arranged to correct distortion aberrations on the imaging detector.
  • the reflective optical device comprises a concave mirror having an optical axis aligned with an optical axis of the diffraction grating.
  • the reflective optical device comprises two concave mirrors, respectively called first mirror and second mirror, the first mirror being configured to reflect the incident light beam towards the diffraction grating and the second mirror being configured to reflect the diffracted light beam towards the imaging detector, at least one of the two mirrors among the first mirror and the second mirror being arranged concentrically with the diffraction grating.
  • the first mirror and the second mirror may have different radii of curvature or identical radii of curvature.
  • the entrance slot is formed by a rectangular opening or the entrance slot is formed by a plurality of optical fibers arranged along the longitudinal axis of the entrance slot and each having an optical axis, the optical axes of said optical fibers being parallel to each other.
  • At least a portion of the reflecting planes have a curved shape along a radius of curvature.
  • the radii of curvature may be the same or different.
  • the grooves are spaced apart by a constant distance. In other words, each groove is spaced from an adjacent groove by the same distance.
  • the grooves are spaced apart by a variable distance.
  • each groove is spaced apart from an adjacent groove by a distance, said distance varying for the grooves.
  • the imaging spectrometer comprises means for adjusting at least one inclination of the detector.
  • the inclination corresponds to a rotation of the detector along at least one spatial direction or axis, preferably along at least two or even three spatial directions.
  • Figure 1 is a top view of a first embodiment of an imaging spectrometer according to the present disclosure
  • Figure 2 is a schematic representation in a view plane of an arrangement of a slit and a diffraction grating of the imaging spectrometer according to the first embodiment
  • Figure 3 is a three-dimensional schematic representation of the imaging spectrometer according to the first embodiment
  • Figure 4 is a schematic representation according to a profile view of a diffraction grating included in the imaging spectrometer according to the first embodiment, said diffraction grating being projected in a facial view plane perpendicular to the optical axis of the diffraction grating;
  • Figure 5 is a representation of a spectrum recorded by an imaging detector included in the imaging spectrometer according to the first embodiment
  • Figure 6 is an enlarged view of the positioning of a filter relative to an imaging detector included in the imaging spectrometer
  • Figure 7 is a representation in a two-dimensional view plane of a second embodiment of an imaging spectrometer according to the present disclosure
  • Figure 8 is a three-dimensional representation of the imaging spectrometer according to the second embodiment.
  • Figure 9 is another schematic representation of an arrangement of a bundle of optical fibers in the plane of the entrance slit and the diffraction grating of the imaging spectrometer according to the first or second embodiment.
  • the imaging spectrometer 100 comprises an entrance slit 10, a reflective optical device 20, a diffraction grating 30, an imaging detector 40 and optionally a filter 50.
  • the entrance slit 10 is configured to transmit an incident light beam 1.
  • the incident light beam 1 used in the imaging spectrometer 100 is a polychromatic light beam comprising, for example, a spectrum extending between the wavelengths of 180 nm to 900 nm.
  • the inlet slot 10 is formed by an opening 17 of rectangular shape comprising a geometric center 11, a height
  • the inlet slot 10 may have an opening 17 of any shape, for example square, circular, parallelepipedal, or any shape, or of the shape illustrated in figure 9 which will be explained below.
  • the term geometric center is understood to mean the barycenter of the area defined by the inlet slit 10 corresponding here to the area defined by the opening 17 delimited by the perimeter of the opening 17 of the inlet slit 10.
  • This geometric center 11 may, for example, correspond to a point positioned at the arithmetic mean of the coordinates of the points forming the opening 17.
  • the opening 17 of the inlet slit 10 is rectangular in shape, this point also corresponds to the point of intersection of the diagonals of the opening 17 of the inlet slit 10.
  • the geometric center 11 of the entrance slit 10 defines the origin of a spatial reference frame, composed of a first spatial axis, noted x, a second spatial axis, noted y, and a third spatial axis, noted z.
  • the elements of the imaging spectrometer 100 are defined relative to this orthonormal spatial reference frame.
  • the geometric center 11 is positioned at the intersection between a first median axis 12 of the entrance slot 10 defined along the first spatial axis x and a second median axis
  • median axis of an object is meant the axis which cuts said object into two equal parts when this object is seen in a plane.
  • this median axis can separate the right half of this object from the left half or the upper part of this object from the lower part, said right half having an area equal to the left part and said upper part having an area equal to said lower part.
  • the inlet slot 10 is rectangular in shape, the first median axis 12 is perpendicular to the second median axis 14.
  • the height 13 of the inlet slot is defined parallel to the first median axis 12 and the width 15 of the inlet slot is defined parallel to the second median axis 14.
  • the inlet slot 10 comprises a longitudinal axis 16.
  • This longitudinal axis is oriented parallel to the height 13 of the inlet slot.
  • this longitudinal axis is included in the first median axis 12, it is therefore aligned along the first spatial axis x.
  • the longitudinal axis 16 coincides with the first median axis 12.
  • This longitudinal axis 16 passes through the geometric center 11 of the inlet slot 10 and intersects perpendicularly the second median axis 14 of the inlet slot 10. It is therefore also perpendicular to the second spatial axis y.
  • the height 13 has a direction of elongation aligned along the first spatial axis x and the width 15 has a direction of elongation defined along the second spatial axis y perpendicular to the first spatial axis x.
  • the height 13 (here the value of the height 13) is greater than or equal to the width 15 (i.e. value of the width 15), here in particular greater than the width 15 of the entry slot 10.
  • the entrance slit 10 used in the imaging spectrometer 100 illustrated in FIG. 1 has a height 13 of between 4 pm and 28 mm, i.e. comprising any of the values between 14 pm and 28 mm.
  • the height of the entrance slit 10 is typically 2.7 mm.
  • the width 15 of the slit is equal to or less than the height 13 of the slit.
  • the width of the slit is between 4 ⁇ m and 1 mm.
  • the width of the slit can be between 10 ⁇ m and 500 ⁇ m, which makes it possible to improve the performance of the imaging spectrometer.
  • the entrance slit is formed by a bundle of optical fibers as illustrated in FIG.
  • the width of the entrance slit can be between 4 ⁇ m (for example in the case of using single-mode optical fibers) and 1 mm (in the case of using optical fibers having a larger core) to obtain better performance in this embodiment.
  • it is for example 50 ⁇ m.
  • the incident light beam 1 passes through the entrance slit 10 and propagates towards the reflecting optical device 20.
  • the term light beam a set of light rays propagating, upstream of the entrance slit 10, in the same direction of propagation.
  • a single light ray 2 of the incident light beam 1 is illustrated.
  • the reflective optical device 20 is positioned on the optical path of the incident light beam 1.
  • the distance separating the geometric center 11 of the entrance slit 11 and the top of the first mirror 21 is 98.83 mm.
  • the distances between two objects are expressed relative to the geometric centers of the surfaces.
  • the reflecting device 20 comprises two mirrors, a first mirror 21 and a second mirror 22.
  • the first mirror 21 and the second mirror 22 are concave mirrors each having an optical axis 23, 24 and a curvature.
  • the reflecting device 20 has a center of curvature 25.
  • the two mirrors 21 and 22 are concentric and thus have a single center of curvature 25 identical to the two mirrors 21, 22.
  • the curvatures of the first mirror 21 and the second mirror 22 are identical, for example here they are 97.56 mm.
  • the curvature of the first mirror 21 may differ from the curvature of the second mirror 22 while retaining the concentric arrangement between each mirror 21, 22 and the diffraction grating 30.
  • the first mirror 21 and the second mirror 22 may also have a similar diameter, for example here 50 mm.
  • the first mirror 21 and the second mirror 22 may have different diameters.
  • the second mirror 22 may have a larger useful surface than the first mirror 21, for example at least 1 mm.
  • the reflecting optical device 20 is configured to reflect the incident light beam 1 coming from the entrance slit 10 and direct it towards the diffraction grating 30.
  • the first mirror 21 reflects, here according to the Snell-Descartes laws, the incident light beam 1 towards the diffraction grating 30.
  • the diffraction grating 30 is a convex reflection diffraction grating comprising a geometric optical center 31 and an optical axis 32.
  • the optical axis 32 of the diffraction grating 30 is oriented perpendicular to the longitudinal axis 16 of the entrance slit 10. It also comprises a center of curvature 36 positioned along its optical axis 32.
  • the center of curvature 36 of the diffraction grating 30 is equal to 50.42 mm and the diffraction grating 30 has a diameter of 23.5 mm.
  • the diffraction grating 30 and the reflecting optical device 20 are arranged concentrically. In practice, this means that at least one of the mirrors among the first mirror 21 and the second mirror 22 is arranged concentrically with the diffraction grating 30. Such an arrangement makes it possible to guarantee the Offner type arrangement and therefore to obtain very good image quality on the imaging detector 40.
  • the center of curvature of the first mirror 21, the center of curvature 25 of the second mirror 22, and the center of curvature 36 of the diffraction grating 30 are concentric. They are, in this example, positioned 50.42 mm upstream of the diffraction grating 30. Such a configuration makes it possible to further improve the spectral and spatial resolution of the imaging spectrometer 100.
  • the distance separating the first mirror 21 or the second mirror 22 and the diffraction grating 30 is 47.14 mm or 45.8 mm after optimization.
  • the reflected incident light beam 1 propagates towards the diffraction grating 30.
  • the diffraction grating 30 may be an etched diffraction grating or a holographic diffraction grating.
  • the diffraction grating 30 comprises reflector planes 35 configured to spectrally diffract the incident light beam 1 reflected by the reflecting optical device 20.
  • the diffraction is continuous for all the wavelengths included in the spectrum of the incident light beam 1.
  • spectrally diffracted it is meant that the diffraction grating 30 is configured to diffract or disperse each light ray 2 of the incident light beam 1 into a packet 5 of diffracted light rays 3, the number of diffracted light rays 3 of which is a function of the wavelengths of the incident light beam, each diffracted light ray 3 of the same packet 5 of diffracted light rays propagating at a wavelength included in the spectrum of the incident light beam along a propagation direction which is a function of the wavelength.
  • each diffracted light ray 3 from the same parquet has a wavelength that is different from the wavelengths of the other diffracted light rays from the same packet 5.
  • the diffracted light beam is formed by all the diffracted light rays 3 by the diffraction grating 30.
  • the packet 5 of the diffracted light rays 3 illustrates the diffracted light beam 4.
  • all the packets 5 correspond to the diffracted light beam 4.
  • the diffraction grating 30 is configured to diffract the incident light beam 1 reflected by the reflecting device 20 according to the grating law known to those skilled in the art.
  • the diffraction grating 30 is arranged to favor a diffraction order by maximizing the intensity of the diffracted beam according to a diffraction order.
  • the maximized diffraction order may be order 1 in absolute value, that is to say order 1 or -1.
  • the diffracted light beam 4 at order 1 or -1 has an intensity much higher than the intensity of the diffracted light beams at the other diffraction orders.
  • the intensity of the diffracted light rays in the other orders is negligible compared to the intensities of the diffracted light rays at the maximized order.
  • the maximized diffraction order is order -1.
  • the diffraction grating 30 diffracts the incident light beam 1 coming from the reflecting optical device 20 according to the diffraction order equal to -1.
  • each incident light ray 2 of the incident light beam 1 is spectrally diffracted by the diffraction grating 30 into a packet 5 of diffracted light rays 3 according to the diffraction order equal to -1.
  • the order -1 makes it possible in particular to obtain a more compact imaging spectrometer.
  • the reflecting planes 35 are separated by grooves 33 of the diffraction grating 30. As illustrated in FIG. 2, the grooves 33 are parallel to each other and are defined parallel to the first spatial direction x. Consequently, the grooves 33 are each oriented parallel to the longitudinal axis 16 of the slit 10. Here, typically, the grooves 33 have a density of approximately 770 lines per millimeter (tr/mm).
  • the grooves are configured to delimit the reflecting planes 35 of the diffraction grating 30.
  • Each groove 33 is spaced from an adjacent groove 33 by a distance 34 (also noted a), which is similar in this example.
  • the diffraction grating 30 is therefore a diffraction grating with a constant pitch.
  • the distance is 1.3 ⁇ m (1/770 mm).
  • the diffraction grating 30 may be a diffraction grating with a variable pitch for which the distance 34 may vary from one groove 33 to another.
  • Figure 4 illustrates in a profile view a projection of the diffraction grating 30 in a plane perpendicular to the optical axis 32 of the diffraction grating 30. Indeed, this projection erases, in this representation, the curvature of the diffraction grating 30.
  • the reflecting planes 35 are of planar shape. According to a particular aspect, the succession of the different reflecting planes 35 forms saw teeth of the same shape.
  • the set of reflector planes 35 can form other patterns, for example a sinusoidal pattern, a square pattern, etc.
  • the reflector planes 35 can have a radius of curvature (convex or concave), a rectangular shape, a square shape, etc.
  • a light ray 2 of the incident light beam 1 arrives at the diffraction grating 30 with an inclined incidence in the plane (yz).
  • each incident light ray 2 reflected by the first mirror 21 arriving at the diffraction grating 30 has an angle of incidence alpha defined in the plane (yz).
  • the angle of incidence Alpha is the angle between the incident beam and a normal to the curved surface of the diffraction grating 30 at the point of contact of this beam on this surface of the diffraction grating 30.
  • the angle of incidence alpha associated with this incident light ray 2 is here 22.7 degrees.
  • this incident light ray 2 arrives on the diffraction grating with an incidence inclined in the (xz) plane following an azimuthal incidence angle (noted sigma in figure 7).
  • the azimuthal incidence angle sigma is 34.7 degrees.
  • this incident light ray 2 is diffracted to form a packet 5 of diffracted light rays 3, each ray 3 of the same packet 5 being diffracted, depending on its wavelength, according to an angle beta, noted here beta1, beta2, etc.
  • the angle beta of one of the diffracted light rays 3 of the diffracted light beam 4 depends on the distance 34 (also noted a) associated with the reflector plane 35 on which the incident light ray 2 is diffracted and the wavelength of the corresponding diffracted light ray 3.
  • each wavelength of the spectrum of the incident light beam 1 is diffracted according to an angle beta, spectrally dispersing the different wavelengths of the incident light beam 1.
  • the geometric center 11 of the entrance slit 10 and the geometric optical center 31 of the diffraction grating 30 are connected by a straight line 60, which is a fictitious straight line in the imaging spectrometer 100.
  • This straight line 60 delimits a distance d separating the geometric center 11 of the entrance slit 10 from the geometric optical center 31 of the diffraction grating 30.
  • the geometric center 11 of the entrance slit 10 is spaced from the optical center 31 of the diffraction grating by a distance d of between 15 mm and 50 mm. In this example, this distance d is 61.6 mm in space (xyz) and 31.14 mm when projected into the plane (xy), corresponding to a projection into the plane of the entrance slit 11.
  • the straight line 60 forms an angle 61 in the plane (xy) with the longitudinal axis 16 of the inlet slot 10. It is understood that the straight line 60 is projected into the plane of the inlet slot 11.
  • This angle 61 is in the present disclosure greater than 0 degrees and less than 45 degrees or greater than 45 degrees and less than 90 degrees.
  • the angle may be between 45 degrees and 70 degrees (45 degrees excluded) and preferably between 50 degrees and 70 degrees or is greater than 20 degrees and less than 40 degrees, preferably between 25 degrees and 40 degrees or between 30 degrees and 40 degrees.
  • Such an arrangement makes it possible to obtain an imaging spectrometer with a large numerical aperture (NA) (here for example 0.22) while maintaining the optical quality of this imaging spectrometer and improving the compactness of the imaging spectrometer. Furthermore, as will be described below, the spectrum obtained by such an imaging spectrometer has a wide spatial extent and is highly resolved over the slit height with excellent spatial resolution over the entire height of the entrance slit imaged on the imaging detector.
  • NA numerical aperture
  • the geometric optical center 31 of the diffraction grating 30 has a spatial position defined relative to the geometric center 11 of the slit 10 and the angle 61 formed between the longitudinal axis 16 and the straight line 60.
  • the diffracted light beam 4 After being diffracted by the diffraction grating 30, the diffracted light beam 4 propagates again towards the reflecting optical device 20, here the second mirror 22 of the reflecting optical device 20.
  • the reflecting device 20 is also configured to reflect the spectrally diffracted light beam 4 by the diffraction grating 30 and direct it towards the imaging detector 40.
  • the second mirror 22 reflects the diffracted light beam 4 according to the Snell-Descartes law and directs it towards the imaging detector 40.
  • the diffracted light beam reflected by the second mirror 22 thus propagates after its reflection towards the imaging detector 40.
  • the reflective optical device 20 is configured to correct field aberrations including image distortion on the imaging detector 40 thanks to the concentric arrangement between the two mirrors 21 and 22.
  • the imaging detector 40 comprises a recording surface 41, generally of planar shape, arranged to record a spectrum of the diffracted light beam reflected by the reflecting optical device 20 (here the second mirror 22).
  • the recording surface 41 has a first spatial dimension 42, corresponding here to a height of the recording surface 41, and a second spatial dimension 43 perpendicular to the first spatial dimension 42 and corresponding to a width of the recording surface 41.
  • the first spatial dimension 42 of the recording surface 41 is oriented parallel to the longitudinal axis 16.
  • the first spatial dimension 42 of the recording surface is adapted to the height 13 (here the value of the height 13) of the entrance slit 10.
  • the value of the first spatial dimension 42 of the recording surface 41 is greater than the value of the height 13 of the entrance slit 10.
  • Such a characteristic depends on the magnification of the system, which is preferably equal to or greater than 1 (here 1 for example).
  • the second spatial dimension 43 of the recording surface is adapted to the spectral diffraction of the incident light beam produced by the diffraction grating 30.
  • the second spatial dimension 43 of the recording surface 41 is adapted to the extent of the spectrum of the packets 5 of the light beam diffracted 4 by the diffraction grating 30 and reflected by the reflecting optical device 30.
  • each diffracted ray 3 of the same packet 5 has a spatial position distinct from the other diffracted rays of the same packet 5 on the recording surface 41 aligned along the second spatial dimension 43 of the recording surface 41.
  • the dimensions of the recording surface 41 depend in particular on the entrance slit 10 and the diffraction order of the light beam. diffracted 4 by the diffraction grating 30.
  • the first spatial dimension 42 of the recording surface 41 depends on the height 13 of the entrance slit 10 and the second spatial dimension 43 of the recording surface 41 depends on the diffraction grating 30, in particular on the diffraction order of the diffraction grating 30.
  • the recording surface 41 of the imaging detector 40 has a geometric center 44 and a normal axis 45 to said recording surface 41 passing through the geometric center 44 of the recording surface 41.
  • the normal axis 45 (or normal 45) of the recording surface 41 is parallel to the optical axis 32 of the diffraction grating 30. It is therefore also oriented perpendicular to the longitudinal axis 16 of the entrance slit 10.
  • the imaging spectrometer 100 optionally comprises a filter 50 positioned on the optical path of the diffracted light beam reflected by the reflecting device 20 (here the second mirror 22).
  • the filter 50 is positioned upstream of the imaging detector 40 in particular with respect to a surface of the imaging detector, here for example 6 mm before the surface of the imaging detector 40. In other words, this means that the filter 50 is positioned between the imaging detector 40 and the reflecting optical device 20 (here corresponding to the second mirror 22).
  • the filter 50 is a filter operating in transmission configured to filter the reflected diffracted light beam according to the diffraction orders of said reflected diffracted light beam.
  • the filter 50 is configured to select a single diffraction order of the diffracted light beam.
  • the selected diffraction order corresponds to the diffraction order associated with the diffracted light beam maximized by the diffraction grating 30, i.e. the one which is diffracted by the diffraction grating 30 with the greatest intensity.
  • the filter 50 is arranged to filter (i.e. cut, stop) the diffraction orders of the diffracted light beam different from the selected diffraction order.
  • the filter 50 filters the orders - 2, - 3, - 4 . If the useful order of the diffraction grating 30 is the order +1, then the filter 50 filters the orders + 2, + 3, + 4 ....
  • the filter 50 also makes it possible to filter the parasitic rays which can be created at each reflection of the light beam on an element of the imaging spectrometer 100, here for example at the level of the slit, or at the level of the mirrors 21, 22 of the reflecting device 20.
  • the filter 50 is in the form of a blade comprising two parallel faces 51, 52, a first face 51 oriented towards the reflecting optical device 20 (here corresponding to the second mirror 22) and a second face 52, opposite the first face 51 and oriented towards the imaging detector 40.
  • the two faces 51, 52 are spaced apart by a distance d2 preferably less than 5 mm.
  • this distance d2 is chosen to be as small as possible while still being able to perform the optical function of this part. For example, here, the distance is equal to 0.5 mm.
  • the filter 50 has a geometric center 53, here positioned in a plane 54 of the filter 50 parallel to the first face 51 and the second face 52 and positioned equidistant from the first face 51 and the second face 52.
  • the plane 54 has a first dimension 59 and a second dimension perpendicular to the first dimension of the plane 54 and oriented parallel to the grooves 33 of the diffraction grating 30 (i.e. also oriented parallel to the longitudinal axis 16 of the entrance slit 10). It is understood that the first dimension of the filter 59 is oriented parallel to the first spatial dimension 42 of the recording surface 41.
  • the filter 50 is configured to completely cover the imaging detector.
  • the plane 54 of the filter 50 has an area greater than the area of the recording surface 41.
  • the first dimension of the filter 59 is 16 mm while the second dimension is 34 mm.
  • the filter 50 also comprises a central axis 55, normal to the first face 51, to the plane 54 and to the second face 52 and passing through the geometric center 53 of the filter 50.
  • the filter 50 is inclined relative to the recording surface 41 of the imaging detector 40 to limit the capture of parasitic reflections.
  • the filter 50 is inclined relative to the recording surface 41 by a rotation about an axis y2 by a first angle 56.
  • an axis y2 positioned at the geometric center 53 of the plane 54 oriented perpendicular to the normal axis 45 of the recording surface and parallel to the axis y.
  • the first angle of inclination 56 is between 5 degrees and 45 degrees, preferably between 10 degrees and 45 degrees.
  • the tilt angle 56 is 32 degrees to achieve better performance.
  • the plane 54 is therefore also tilted relative to an axis 62 (oriented parallel to the longitudinal axis 16 of the entrance slot 10 and oriented parallel to the first dimension 42 of the recording surface 41) at an angle of tilt equal to the first tilt angle described above.
  • the filter 50 is positioned on the optical path of the diffracted light beam reflected by the reflecting optical device 20 (here the second mirror 22), the diffracted light beam is filtered by the filter (i.e. only the light rays diffracted to the useful order (here the order -1) are retained).
  • the diffracted light beam filtered by the filter propagates in the filter 50 and then reaches the imaging detector 40.
  • the imaging spectrometer is configured to form an image of the entrance slit 10 on the recording surface 41 of the imaging detector 40.
  • the imaging detector 41 in particular the recording surface 41, has a size of 2048 pixels (along the second spatial dimension 43) x 192 pixels (along the first spatial dimension 42) with square pixels of size 14 ⁇ m.
  • the imaging detector 40 is read by charge summation on the 192 pixels of the slit height to produce a spectrum of the light from the entrance slit 10.
  • the imaging detector 40 is configured to collect and sum the values of the pixels of the same column of pixels aligned along the first spatial dimension 42 of the imaging spectrum 40. As a result, a line of the recorded spectrum can be measured by summation of the intensities detected on the pixels of the same column of pixels.
  • Figure 5 illustrates an example of spectrum 101 of the light beam diffracted by the diffraction grating 30 and reflected by the reflecting optical device obtained using the imaging detector 41 described above.
  • the spectrum 101 presents on the abscissa the wavelengths (denoted X) of the spectrum and on the ordinate a relative quantity the height of the entrance slit 10 given here without unit.
  • the illustrated spectrum 101 is defined between the wavelengths (lambda: X) of 190 nm to 900 nm following a spatial extent 102 of between 28 mm and 30 mm.
  • the wavelengths of the spectrum extend in total over 28 mm, defining the spatial extent
  • the imaging spectrometer has a very high resolving power.
  • the acquired spectrum 101 comprises several lines 103, each line
  • the lines 103 being associated with a wavelength of the diffracted light beam 3.
  • the points of the spectrum aligned along the same axis parallel to the abscissa axis are associated with the same incident light ray 1 or corresponding to the same source point on the entrance slit 10 but spectrally diffracted.
  • the lines 103 have a low spreading and are close to a Dirac shape, which underlines the very good quality of the imaging of the imaging spectrometer 100.
  • each line 103 has an amplitude 104 along the ordinate axis which depends on the height 13 of the entrance slit 10 and/or in the case of FIG. 9 which also depends on the spatial position of the incident light rays 2 on the height of the entrance slit.
  • each optical fiber can transmit a light flux having an intensity and/or a propagation which depends on the optical fiber used.
  • the amplitude 104 of each line is approximately equal, highlighting the presence of little optical aberration introduced by the imaging spectrometer 100.
  • the imaging spectrometer 100 may also optionally comprise means 70 for adjusting the position of the entrance slit 10.
  • means 70 for adjusting the position of the entrance slit 10. it is possible to move the slit along the longitudinal axis 16, which modifies the angle formed between the elongation axis 16 and the straight line 60. It is also possible in combination or as an alternative to move the entrance slit 10 along an axis transverse to the elongation axis 16.
  • these adjustment means 70 are embodied, for example, by a support carrying the entrance slit 10 and movable along at least one spatial direction, here movable at least along the first spatial dimension x and along the second spatial direction y. Such an arrangement makes it possible to carry out an optical adjustment to compensate for positioning precisions and mechanical machining.
  • the imaging spectrometer 100 may also optionally comprise means 72 for tilting the detector along at least one spatial direction, preferably at least one axis oriented parallel to the first spatial direction 42 of the imaging detector in order to optimize the resolution between low and high wavelengths.
  • the tilting means 72 are also arranged to tilt the imaging detector 40 along an axis oriented parallel to the second spatial direction of the imaging detector in order to optimize and compensate for a lack of orthogonality of the plane of the slit with the axis of the system.
  • FIG. 5 A second embodiment of an imaging spectrometer 200 according to the present disclosure will be described with the aid of FIG. 7, FIG. 8 and FIG. 9. Only the differences with the first embodiment will be described. [0118]
  • the imaging spectrometer 200 illustrated in FIG. 5 comprises an entrance slit 80, a reflective optical device element 90, a diffraction grating 110, a filter 50 and an imaging detector 40.
  • the input slit 80 used in this second embodiment is that illustrated in FIG. 9.
  • this input slit 80 can also be used in the imaging spectrometer 100 described above.
  • the input slit 80 used in the imaging spectrometer 200 is formed by a plurality of optical fibers 87.
  • the optical fibers used may all be similar or may be different.
  • the optical fibers 87 used may comprise single-mode fibers, multi-mode fibers, graded-index fibers, etc.
  • the input slit 10 is formed by twelve optical fibers 87 having a core 9 ⁇ m in diameter.
  • Each optical fiber 87 has a free end (here represented by their diameter) delimiting an opening through which the incident light beam 1 exits the fiber and propagates in the direction of the reflecting optical device 20.
  • the optical fibers 87 are aligned successively one behind the other along a longitudinal axis 86, corresponding to the longitudinal axis of the entry slot 80.
  • the optical fibers 87 each have an optical axis 88 which are here perpendicular to the longitudinal axis 86 of the entry slot 80.
  • the optical axes 88 of the optical fibers 87 are parallel to each other.
  • these optical axes are arranged to extend along the second median axis 94 of the entry slot 90.
  • the optical fibers 87 are fictitiously inscribed in a geometric shape 89, here a rectangle 89. From the geometric shape formed by the alignment of the optical fibers 87, it is possible to define a geometric center 81 of the entry slot 80, corresponding to the geometric center 81 of the rectangle 89 formed by the alignment of the optical fibers 87.
  • the geometric center 81 is formed at an intersection between a median plane axis 82 of the inlet slot 80 and a second median axis 84 of the inlet slot 80.
  • the inlet slot also has a height 83 oriented parallel to the first median axis 82 and a width 85 oriented parallel to the second median plane 84.
  • the value of the height 83 of the slot 80 is greater than or equal to the value of the width 85 of the slot, here in particular greater than the value of the width 85.
  • the first median axis 82 is perpendicular to the second median axis 84.
  • the longitudinal axis 86 is aligned with the first median plane 82, it therefore passes through the geometric center 81 and is perpendicular to the second median axis 84.
  • the diffraction grating 110 of the imaging spectrometer 200 has an arrangement similar to that described in the first embodiment except that the diffraction grating 110 of the imaging spectrometer has a variable pitch.
  • the grooves 113 of the diffraction grating 110 are spaced apart by non-constant distances, denoted a1, a2, a3, etc.
  • Such a configuration makes it possible to improve the optical performance of the imaging spectrometer 200 compared to an imaging spectrometer using a constant pitch diffraction grating.
  • such a configuration makes it possible to limit field aberrations, such as distortion, thus making it possible to increase the spectral range and the slit height. The scope of use of the imaging spectrometer 200 is therefore improved.
  • the diffraction grating 110 is a convex reflection grating having an optical axis 112 passing through a geometric center 111 of the diffraction grating 110 (also corresponding to the optical center of the diffraction grating 110). It therefore has a diameter of 23.5 mm and a radius of curvature of 50.42 mm.
  • the geometric center 81 of the entrance slit 80 and the optical center 111 of the diffraction grating 110 are connected by a straight line 120, which is a fictitious straight line in the imaging spectrometer 200.
  • This straight line 120 delimits a distance d separating the geometric center 81 of the entrance slit 80 from the optical center 111 of the diffraction grating 110.
  • the distance d is 31.14 mm.
  • the straight line 120 forms an angle 121 in the plane (xy) (i.e. straight line projected into the plane of the entrance slit 11) with the longitudinal axis 16 of the entrance slit 80.
  • This angle 120 is greater than 0 degrees and less than 45 degrees or greater than 45 degrees and less than 90 degrees.
  • the spectral characteristics and the resolution along the slit height are achieved for an angle 120 between 45 degrees (exclusive) and 70 degrees, preferably between 50 degrees and 60 degrees or for an angle greater than 20 degrees and less than or equal to 40 degrees, preferably between 25 degrees and 40 degrees.
  • the angle 121 is 33.32 degrees.
  • This geometric center 111 has a spatial position in the imaging spectrometer 200 defined relative to the geometric center 81 of the entrance slit 80, here typically using polar coordinates.
  • the optical center 111 of the grating of diffraction 110 has a spatial position defined relative to the geometric center 81 of the slit 80 and the angle 61 formed between the longitudinal axis 86 and the straight line 120.
  • the reflective optical device 90 is positioned in a concentric configuration with the diffraction grating 110. Consequently, the center of curvature 93 of the reflective optical device 90 and the center of curvature 123 of the diffraction grating 110 overlap, they are merged.
  • the reflective optical device 90 is made solely of a concave mirror 90.
  • the mirror 90 has a radius of curvature of 97.56 mm and a size of 104 mm (along a direction parallel to the x-axis) by 70 mm (along a direction parallel to the y-axis).
  • the distance separating the geometric center 81 of the entrance slit 80 from the mirror 90 is 98.93 mm
  • the distance separating the mirror 90 from the diffraction grating is 45.80 mm
  • the distance separating the filter 50 from the mirror 90 is 92.06 mm.
  • the total size of the imaging spectrometer is 98.03 mm.
  • the reflecting optical device 90 (here corresponding to the mirror 90) has an optical center 91 and an optical axis 92 passing through said optical center 91.
  • the optical axis 92 of the reflecting device 90 is oriented perpendicular to the longitudinal axis 86 of the entrance slit 80 (and also to the grooves 113 of the diffraction grating 110).
  • the optical axis 92 of the reflecting device 90 is parallel to the optical axis 112 of the diffraction grating 110, in particular here the optical axis 92 of the reflecting device 90 is aligned with the optical axis 112 of the diffraction grating 110.
  • the mirror 90 is arranged to receive the incident light beam 1 coming from the entrance slit 80 and reflect it towards the diffraction grating 110.
  • the mirror 90 is also arranged to receive the diffracted light beam 4 by the diffraction grating 110 and reflect it towards the imaging detector 40.
  • the present invention is in no way limited to the embodiments described and shown, but those skilled in the art will be able to provide any variant in accordance with the invention.
  • the entrance slit 80 illustrated in FIG. 9 can be used in the imaging spectrometer 100 according to the first embodiment and similarly the entrance slit 10 illustrated in FIG. 3 can be used in the imaging spectrometer 200.

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Abstract

La présente invention concerne spectromètre imageur (100) de type Offner comprenant : - une fente d'entrée (10) présentant un centre géométrique (11), une hauteur (13) et une largeur (15), la fente d'entrée (10) présentant également un axe longitudinal (16) passant par le centre géométrique (11) et étant orienté parallèlement à la hauteur (13) de la fente d'entrée; - un dispositif optique réfléchissant (20) et un réseau de diffraction (30) convexe en réflexion disposés en configuration concentrique, - un détecteur imageur 540) configuré pour former une image de la fente d'entrée (10), caractérisé en ce qu'une droite (60) joignant le centre optique géométrique (31) du réseau de diffraction (30) et le centre géométrique (11) de la fente d'entrée (10) forme un angle (61) avec l'axe longitudinal (16) de la fente d'entrée (10), ledit angle (61) étant, par exemple, compris entre 50 degrés et 70 degrés.

Description

« Spectromètre imageur de type Offner »
Domaine technique de l'invention
[0001] La présente invention concerne le domaine des spectromètres imageurs.
[0002] Elle concerne en particulier un spectromètre imageur de type Offner.
Etat de la technique
[0003] On connaît des spectromètres imageurs de type Offner comprenant une fente d’entrée, un réseau de diffraction et un dispositif optique réfléchissant en configuration concentrique et un détecteur imageur. Dans ces spectromètres, la fente, le détecteur imageur ainsi que des rainures du réseau de diffraction sont alignés dans l’espace suivant un axe spatial. Ces spectromètres sont fonctionnels puisqu’ils permettent d’enregistrer sur le détecteur un spectre correspondant à une image de la fente d’entrée. Notamment, il est reconnu que cette configuration permet d’obtenir un spectre de bonne qualité optique, c’est-à-dire avec de faibles aberrations optiques. Il est connu que cette configuration permet d’obtenir une bonne résolution spatiale dans un plan de symétrie. Néanmoins, dans ces spectromètre imageur, la résolution spectrale est limitée et ce, d’autant plus lorsqu’un tel spectromètre présente une grande ouverture. Dans ce cas, la meilleure résolution spectrale est obtenue dans le plan de symétrie. De ce fait, la résolution spatiale et spectrale dans ces spectromètres imageurs est fortement dégradée lorsque l’on s’éloigne du plan de symétrie. En outre, dans ces spectromètres imageur, l’ouverture numérique du spectromètre est faible et l’étendue du spectre obtenu est limitée. Pour finir de tels spectromètres sont volumineux, impliquant des problèmes de coûts.
[0004] On connaît également des spectromètres imageurs de type Offner dans lesquels la fente ainsi que le réseau de diffraction sont désalignés suivant un angle de 45°. De tels spectromètres sont fonctionnels car ils permettent d’obtenir un spectre avec une meilleure résolution spectrale et spatiale. Néanmoins, cette résolution est limitée et n’est pas effective sur toute la hauteur de la fente. En outre, ces spectromètres sont volumineux.
[0005] L’invention a pour but de résoudre au moins un des inconvénients précités.
Présentation de l'invention
[0006] Dans ce contexte, la présente invention propose un spectromètre imageur de type Offner comprenant :
- une fente d’entrée configurée pour transmettre un faisceau lumineux incident comprenant des longueurs d’onde, ladite fente d’entrée présentant un centre géométrique, une hauteur définie le long d’un axe et une largeur, ladite valeur de la hauteur de la fente d’entrée étant supérieure ou égale à la valeur de la largeur de la fente d’entrée, la fente d’entrée présentant également un axe longitudinal passant par le centre géométrique et étant orienté parallèlement à l’axe définissant la hauteur de la fente d’entrée;
- un dispositif optique réfléchissant et un réseau de diffraction convexe en réflexion disposés en configuration concentrique, i) le dispositif optique réfléchissant ayant un centre de courbure et étant configuré pour réfléchir le faisceau lumineux incident et le diriger vers le réseau de diffraction ; ii) le réseau de diffraction présentant un centre optique géométrique en surface, le réseau de diffraction comprenant des rainures orientées parallèlement à l’axe longitudinal de la fente d’entrée; ledit réseau de diffraction étant agencé pour diffracter spectralement le faisceau lumineux incident réfléchi sur le dispositif optique réfléchissant, iii) le dispositif optique réfléchissant étant configuré pour réfléchir le faisceau lumineux diffracté spectralement par le réseau de diffraction ;
- un détecteur imageur configuré pour enregistrer le faisceau lumineux diffracté par ledit réseau de diffraction et réfléchi par le dispositif optique réfléchissant, le spectromètre imageur étant configuré pour former une image de la fente d’entrée sur le détecteur imageur.
[0007] Le spectromètre imageur présente une droite joignant le centre optique géométrique du réseau de diffraction et le centre géométrique de la fente formant un angle avec l’axe longitudinal de la fente d’entrée, ledit angle étant supérieur à 0 degré et inférieur à 45 degrés ou supérieur à 45 degrés et inférieur à 90 degrés. De préférence, ledit angle est compris entre 50 degrés et 70 degrés. La précision de cet angle est liée à la précision du dispositif opto- mécanique supportant les éléments optiques et est de l’ordre de la minute d’arc ou mieux.
[0008] Ainsi, dans le spectromètre imageur selon l’invention, la fente et le réseau de diffraction sont désalignés, ce qui permet d’obtenir un spectromètre imageur avec une grande ouverture numérique tout en conservant la qualité optique de ce spectromètre imageur. Grâce à l’agencement entre la fente, le réseau de diffraction et le détecteur imageur, il est possible d’obtenir un spectre avec une large étendue spatiale et hautement résolu spectralement et spatialement sur toute la hauteur de la fente. De ce fait, un tel agencement permet d’obtenir une meilleure résolution spectrale et spatiale suivant la hauteur de la fente.
[0009] Un tel agencement permet également d’obtenir un spectromètre imageur plus compact que les spectromètres imageurs de l’état de l’art, comme les spectromètres imageurs dits dans le plan, facilitant l’utilisation ou l’implantation d’un tel spectromètre imageur dans des dispositifs préexistants.
[0010] Notamment, ici, la gamme d’angle est sélectionnée pour positionner le réseau de diffraction par rapport à la fente d’entrée afin d’obtenir un spectromètre imageur ayant une grande ouverture numérique tout en préservant ses performances optiques. Un tel agencement permet d’obtenir meilleur compromis entre étendues spectrale et spatiale et donc améliorer la résolution spectrale et la résolution spatiale dans le champ par rapport aux spectromètres de l’état de l’art. Ainsi, le spectromètre imageur selon l’invention permet de fournir un spectre avec une meilleure résolution sur la hauteur de fente et une étendue spatiale et spectrale importantes.
[0011] Dans la présente divulgation, les valeurs d’angle sont données en degrés avec une précision de 0,01 degrés. En d’autres termes, les plages d’angles sont données, pour chaque borne, à deux décimales près, soit par exemple un angle supérieur à 20,00 degrés et inférieur ou égal à 40,00 degrés.
[0012] Dans la présente invention, on entend par centre géométrique d’un objet, la position moyenne des points formant l’aire de cet objet. Ainsi, pour un objet en deux dimensions ou en trois dimensions, cela correspond notamment au barycentre de cet objet obtenus avec des coefficients de pondération tous égaux à 1. Pour déterminer le centre géométrique, on peut par exemple calculer le point positionné à la moyenne arithmétique des coordonnées de chaque point de cet objet pondérées avec un facteur de pondération égal à 1.
[0013] D’autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du système conforme à l’invention, prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles, sont les suivantes :
[0014] Dans un mode de réalisation, l’angle est compris entre 45 degrés (exclus) et 70 degrés, de préférence entre 50 degrés et 70 degrés. Un tel agencement permet d’améliorer encore plus les performances décrites ci-dessus du spectromètre imageur. Ici, grâce à une telle sélection d’angle, le spectromètre imageur est plus compacte et plus résolu spectralement et spatialement.
[0015] Dans un mode de réalisation, l’angle est compris entre 50 degrés et 60 degrés. Un tel agencement permet d’améliorer encore plus les performances décrites ci-dessus du spectromètre imageur. Notamment, cette configuration permet d’obtenir le meilleur compromis en termes de compacité du spectromètre imageur et de résolution spatiale et spectrale.
[0016] Dans un mode de réalisation, l’angle est compris entre 15 degrés et 40 degrés. Un tel agencement permet d’améliorer l’étendue et la résolution spectrale tout en conservant une étendue spatiale maximale proche de la configuration sur l’axe (dans le plan de dispersion du réseau).
[0017] Dans un mode de réalisation, l’angle est supérieur à 20 degrés et inférieur à ou égal à 40 degrés. Un tel agencement permet d’améliorer les avantages décrits ci-dessus, à savoir obtenir une grande ouverture optique, maximiser l’étendue spectrale tout en conservant l’étendue spatiale et la compacité du spectromètre selon la présente divulgation.
[0018] Dans un mode de réalisation, l’angle est compris entre 20 degrés (exclu) et 40 degrés, de préférence entre 25 degrés et 40 degrés. Un tel agencement permet d’améliorer encore plus les performances décrites ci-dessus.
[0019] Dans un mode de réalisation, l’angle est compris entre 30 degrés et 40 degrés. Un tel agencement permet d’améliorer encore plus les performances décrites ci-dessus.
[0020] Dans un mode de réalisation, le réseau de diffraction est agencé pour diffracter le faisceau lumineux incident réfléchi par ledit dispositif réfléchissant suivant un ordre de diffraction égal à 1 en valeur absolue et le détecteur imageur est disposé pour enregistrer le faisceau lumineux diffracté dans l’ordre de diffraction égal à 1 en valeur absolue.
[0021] Dans un mode de réalisation, le détecteur imageur comprend une surface d’enregistrement présentant une première dimension spatiale et une deuxième dimension spatiale perpendiculaire à la première dimension spatiale, ladite première dimension spatiale de la surface d’enregistrement étant orientée parallèlement à l’axe longitudinal et étant adaptée à la hauteur de la fente d’entrée.
[0022] Dans un mode de réalisation, le détecteur est configuré pour enregistrer un spectre du faisceau lumineux diffracté défini entre les longueurs d’onde de 190 nm à 900 nm et présentant une étendue spatiale comprise entre 28 mm et 30 mm.
[0023] Dans un mode de réalisation, le spectromètre imageur comprend en outre un filtre fonctionnant en transmission disposé en amont du détecteur et configuré pour sélectionner un seul ordre de diffraction. Ainsi, tous les autres ordres de diffraction sont filtrés (i.e. stoppés) par le filtre, ce qui permet d’améliorer la sélectivité spectrale du spectromètre imageur.
[0024] Dans un mode de réalisation, le filtre présente un axe central normal à un plan du filtre et passant par un centre géométrique du filtre, ledit axe central du filtre étant incliné par rapport à une normale à un plan du détecteur imageur suivant un angle d’inclinaison.
[0025] Dans ce mode de réalisation, ledit angle d’inclinaison peut être compris entre 5 degrés et 50 degrés. Un tel agencement permet de limiter les réflexion parasite dans le spectromètre imageur.
[0026] Dans un mode de réalisation, le dispositif optique réfléchissant est agencé pour corriger des aberrations de distorsion sur le détecteur imageur.
[0027] Dans un mode de réalisation, le dispositif optique réfléchissant comprend un miroir concave présentant un axe optique aligné sur un axe optique du réseau de diffraction. [0028] Dans un mode de réalisation, le dispositif optique réfléchissant comprend deux miroirs concaves, nommés respectivement premier miroir et deuxième miroir, le premier miroir étant configuré pour réfléchir le faisceau lumineux incident vers le réseau de diffraction et le deuxième miroir étant configuré pour réfléchir le faisceau lumineux diffracté vers le détecteur imageur, au moins un des deux miroirs parmi le premier miroir et le deuxième miroir étant agencé de manière concentrique avec le réseau de diffraction.
[0029] Dans ce mode de réalisation, le premier miroir et le deuxième miroir peuvent avoir des rayons de courbures différents ou des rayons de courbure identiques.
[0030] Dans un mode de réalisation, la fente d’entrée est formée par une ouverture rectangulaire ou la fente d’entrée est formée par une pluralité de fibres optiques disposées le long de l’axe longitudinal de la fente d’entrée et présentant chacune un axe optique, les axes optiques desdites fibres optiques étant parallèles entre eux.
[0031] Dans un mode de réalisation, au moins une partie des plans réflecteurs présentent une forme incurvée suivant un rayon de courbure. Dans ce mode de réalisation, les rayons de courbure peuvent être identiques ou différents.
[0032] Dans un mode de réalisation, les rainures sont espacées par une distance constante. En d’autres termes, chaque rainure est espacée d’une rainure adjacente par une même distance.
[0033] Dans un mode de réalisation, les rainures sont espacées par une distance variable. En d’autres termes, chaque rainure est espacée d’une rainure adjacente par une distance, ladite distance variant pour les rainures. Une telle configuration permet de limiter les aberrations de champ telle que la distorsion. Les performances du spectromètre imageur sont donc améliorées.
[0034] Dans un mode de réalisation, le spectromètre imageur comprend des moyens d’ajustement d’au moins une inclinaison du détecteur.
[0035] Dans ce mode de réalisation, l’inclinaison correspond à une rotation du détecteur selon au moins une direction ou axe spatiale, de préférence selon au moins deux voire trois directions spatiales.
[0036] Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.
Brève description des dessins [0037] De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où :
[0038] la figure 1 est une vue de dessus d’un premier mode de réalisation d’un spectromètre imageur selon la présente divulgation ;
[0039] la figure 2 est une représentation schématique dans un plan de vue d’un agencement d’une fente et d’un réseau de diffraction du spectromètre imageur selon le premier mode de réalisation ;
[0040] la figure 3 est une représentation schématique en trois dimensions du spectromètre imageur selon le premier mode de réalisation ;
[0041] la figure 4 est une représentation schématique selon une vue de profil d’un réseau de diffraction compris dans le spectromètre imageur selon le premier mode de réalisation, ledit réseau de diffraction étant projeté dans un plan de vue facial perpendiculaire à l’axe optique du réseau de diffraction ;
[0042] la figure 5 est une représentation d’un spectre enregistré par un détecteur imageur compris dans le spectromètre imageur selon le premier mode de réalisation ;
[0043] la figure 6 est une vue agrandie du positionnement d’un filtre par rapport à un détecteur imageur compris dans le spectromètre imageur ;
[0044] la figure 7 est une représentation dans un plan de vue en deux dimensions d’un deuxième mode de réalisation d’un spectromètre imageur selon la présente divulgation ;
[0045] la figure 8 est une représentation en trois dimensions du spectromètre imageur selon le deuxième mode de réalisation ;
[0046] la figure 9 est une autre représentation schématique d’un agencement d’un faisceau (ou bundle en anglais) de fibres optiques dans le plan de la fente d’entrée et du réseau de diffraction du spectromètre imageur selon le premier ou deuxième mode de réalisation.
[0047] Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références.
Description détaillée
[0048] Il va être décrit à l’aide de la figure 1 , de la figure 2, de la figure 3, de la figure 4, de la figure 5, et/ou de la figure 6 ou de la figure 9 un premier mode de réalisation d’un spectromètre imageur 100 selon la présente divulgation. [0049] Comme cela est illustré sur la figure 1 , le spectromètre imageur 100 comprend une fente d’entrée 10, un dispositif optique réfléchissant 20, un réseau de diffraction 30, un détecteur imageur 40 et optionnellement un filtre 50.
[0050] Dans la présente divulgation, la fente d’entrée 10 est configurée pour transmettre un faisceau lumineux incident 1. Typiquement, le faisceau lumineux incident 1 utilisé dans le spectromètre imageur 100 est un faisceau lumineux polychromatique comprenant, par exemple, un spectre s’étendant entre les longueurs d’onde de 180 nm à 900 nm.
[0051] Comme cela est illustré en figure 2 et en figure 3, la fente d’entrée 10 est formée par une ouverture 17 de forme rectangulaire comprenant un centre géométrique 11 , une hauteur
13 et une largeur 15.
[0052] Dans une variante du premier mode de réalisation et du deuxième mode de réalisation, la fente d’entrée 10 peut avoir une ouverture 17 de toute forme, par exemple de forme carrée, de forme circulaire, de forme parallélépipédique, ou de forme quelconque, ou de la forme illustrée en figure 9 qui sera explicité ci-dessous.
[0053] Dans la présente divulgation, on entend par centre géométrique, le barycentre de l’aire définie par la fente d’entrée 10 correspondant ici à l’aire définie par l’ouverture 17 délimitée par le périmètre de l’ouverture 17 de la fente d’entrée 10. Ce centre géométrique 11 peut, par exemple, correspondre à un point positionné à la moyenne arithmétique des coordonnées des points formant l’ouverture 17. Ici, comme l’ouverture 17 de la fente d’entrée 10 est de forme rectangulaire, ce point correspond également au point d’intersection des diagonales de l’ouverture 17 de la fente d’entrée 10.
[0054] Le centre géométrique 11 de la fente d’entrée 10 définit l’origine d’un repère spatial, composé d’un premier axe spatial, noté x, d’un deuxième axe spatial, noté y, et d’un troisième axe spatial, noté z. Dans la présente divulgation, les éléments du spectromètre imageur 100 (et 200 pour le deuxième mode de réalisation) sont définis par rapport à ce repère spatial orthonormé.
[0055] Le centre géométrique 11 est positionné à l’intersection entre un premier axe médian 12 de la fente d’entrée 10 défini le long du premier axe spatial x et un deuxième axe médian
14 le long du deuxième axe spatial y.
[0056] Dans la présente divulgation, par axe médian d’un objet, on entend l’axe qui coupe en deux parties égales ledit objet lorsque cet objet est vu dans un plan. Par exemple, cet axe médian peut séparer la moitié droite de cet objet de la moitié gauche ou la partie haute de cet objet à la partie basse, ladite moitié droite présentant une aire égale à la partie gauche et ladite partie haute présentant une aire égale à ladite partie basse. [0057] Comme la fente d’entrée 10 est de forme rectangulaire, le premier axe médian 12 est perpendiculaire au deuxième axe médian 14.
[0058] Ici, comme illustré en figure 2, la hauteur 13 de la fente d’entrée est définie parallèlement au premier axe médian 12 et la largeur 15 de la fente d’entrée est définie parallèlement au deuxième axe médian 14.
[0059] La fente d’entrée 10 comprend un axe longitudinal 16. Cet axe longitudinal est orienté parallèlement à la hauteur 13 de la fente d’entrée. Notamment, dans cet exemple, cet axe longitudinal est compris dans le premier axe médian 12, il est donc aligné le long du premier axe spatial x. Ainsi, l’axe longitudinal 16 est confondu avec le premier axe médian 12. Cet axe longitudinal 16 passe par le centre géométrique 11 de la fente d’entrée 10 et coupe perpendiculairement le deuxième axe médian 14 de la fente d’entrée 10. Il est donc également perpendiculaire au deuxième axe spatial y.
[0060] Dans cette configuration, la hauteur 13 présente une direction d’élongation alignée selon le premier axe spatial x et la largeur 15 présente une direction d’élongation définie selon le deuxième axe spatial y perpendiculaire au premier axe spatial x.
[0061] Comme cela est illustré, la hauteur 13 (ici la valeur de la hauteur 13) est supérieure ou égale à la largeur 15 (i.e. valeur de la largeur 15), ici notamment supérieure à la largeur 15 de la fente d’entrée 10.
[0062] Typiquement, la fente d’entrée 10 utilisée dans le spectromètre imageur 100 illustré en figure 1 présente une hauteur 13 comprise entre 4 pm et 28 mm, c’est-à-dire comprenant l’une des quelconques valeurs comprises entre 14 pm et 28 mm. Dans cet exemple, la hauteur de la fente d’entrée 10 fait typiquement 2,7 mm.
[0063] Lorsque la fente d’entrée 10 est rectangulaire, la largeur 15 de la fente est égale ou inférieure à la hauteur 13 de la fente. Typiquement, la largeur de la fente est comprise entre 4 pm et 1 mm. En pratique, si la fente d’entrée 10 est faite d’une seule ouverture comme représenté en figure 2, la largeur de la fente peut être comprise entre 10 pm et 500 pm, ce qui permet d’améliorer les performances du spectromètre imageur. Toutefois, si la fente d’entrée est formée par un bundle de fibres optiques comme illustré en figure 9, la largeur de la fente d’entrée peut être comprise entre 4 pm (par exemple dans le cas de l’utilisation de fibres optiques monomodes) et 1 mm (dans le cas de l’utilisation de fibres optiques présentant un plus gros cœur) pour obtenir de meilleures performances dans ce mode de réalisation. Ici, elle est par exemple de 50 pm.
[0064] Ainsi, ici, le faisceau lumineux incident 1 traverse la fente d’entrée 10 et se propage en direction du dispositif optique réfléchissant 20. Dans la présente divulgation, on entend par faisceau lumineux un ensemble de rayons lumineux se propageant, en amont de la fente d’entrée 10, suivant une même direction de propagation. Par soucis de simplification, en figure 1 , un seul rayon lumineux 2 du faisceau lumineux incident 1 est illustré.
[0065] Comme illustré en figure 1 , le dispositif optique réfléchissant 20 est positionné sur le chemin optique du faisceau lumineux incident 1 . Ici typiquement, la distance séparant le centre géométrique 11 de la fente d’entrée 11 et le sommet du premier miroir 21 est de 98,83 mm. Dans la présente divulgation, les distances entre deux objets sont exprimées par rapport aux centres géométriques des surfaces.
[0066] Dans ce premier mode de réalisation, le dispositif réfléchissant 20 comprend deux miroirs, un premier miroir 21 et un deuxième miroir 22. Le premier miroir 21 et le deuxième miroir 22 sont des miroirs concaves présentant chacun un axe optique 23, 24 et une courbure. Le dispositif réfléchissant 20 présente un centre de courbure 25. Ici, dans ce mode de réalisation, les deux miroirs 21 et 22 sont concentriques et présentent ainsi un seul centre de courbure 25 identique au deux miroirs 21 , 22. En outre, dans cet exemple, les courbures du premier miroir 21 et du deuxième miroir 22 sont identiques, par exemple ici elles sont de 97,56 mm. Bien entendu, dans une variante du spectromètre imageur 100, la courbure du premier miroir 21 peut différer de la courbure du deuxième miroir 22 tout en conservant l’agencement concentrique entre chaque miroir 21 , 22 et le réseau de diffraction 30. Le premier miroir 21 et le deuxième miroir 22 peuvent également avoir un diamètre similaire, par exemple ici de 50 mm. Bien entendu, dans une variante, le premier miroir 21 et le deuxième miroir 22 peuvent avoir des diamètres différents. Dans ce cas, le deuxième miroir 22 peut disposer d’une surface utile plus grande que le premier miroir 21 , par exemple d’au moins 1 mm.
[0067] Le dispositif optique réfléchissant 20 est configuré pour réfléchir le faisceau lumineux incident 1 issu de la fente d’entrée 10 et l’orienter vers le réseau de diffraction 30. Ici notamment, le premier miroir 21 réfléchit, ici suivant les lois de Snell-Descartes, le faisceau lumineux incident 1 vers le réseau de diffraction 30.
[0068] Le réseau de diffraction 30 est un réseau de diffraction convexe en réflexion comprenant un centre optique géométrique 31 et un axe optique 32. Ici, l’axe optique 32 du réseau de diffraction 30 est orienté perpendiculairement à l’axe longitudinal 16 de la fente d’entrée 10. Il comprend également un centre de courbure 36 positionné le long de son axe optique 32.
[0069] Dans cet exemple, le centre de courbure 36 du réseau de diffraction 30 est égal à 50,42 mm et le réseau de diffraction 30 présente un diamètre de 23,5 mm.
[0070] Le réseau de diffraction 30 et le dispositif optique réfléchissant 20 sont agencés de manière concentrique. En pratique, cela signifie qu’au moins un des miroirs parmi le premier miroir 21 et le deuxième miroir 22 est agencé de manière concentrique avec le réseau de diffraction 30. Un tel agencement permet de garantir l’agencement de type Offner et donc d’obtenir une très bonne qualité d’image sur le détecteur imageur 40. Typiquement, dans cet exemple, le centre de courbure du premier miroir 21 , le centre de courbure 25 du deuxième miroir 22, et le centre de courbure 36 du réseau de diffraction 30 sont concentriques. Ils sont, dans cet exemple, positionnés à 50,42 mm en amont du réseau de diffraction 30. Une telle configuration permet d’améliorer encore plus la résolution spectrale et spatiale du spectromètre imageur 100.
[0071] Ici typiquement, la distance séparant le premier miroir 21 ou le deuxième miroir 22 et le réseau de diffraction 30 est de 47,14 mm ou de 45,8 mm après optimisation.
[0072] Ainsi, après avoir été réfléchi par le dispositif optique réfléchissant 20 (ici le premier miroir 21), le faisceau lumineux incident 1 réfléchi se propage vers le réseau de diffraction 30.
[0073] Le réseau de diffraction 30 peut être un réseau de diffraction gravé ou un réseau de diffraction holographique.
[0074] Le réseau de diffraction 30 comprend des plans réflecteurs 35 configurés pour diffracter spectralement le faisceau lumineux incident 1 réfléchi par le dispositif optique réfléchissant 20.
[0075] Dans le présent exemple, la diffraction est continue pour toutes les longueurs d’onde comprises dans le spectre du faisceau lumineux incident 1. Ainsi, par diffracté spectralement, on entend que le réseau de diffraction 30 est configuré pour diffracter ou disperser chaque rayon lumineux 2 du faisceau lumineux incident 1 en un paquet 5 de rayons lumineux diffractés 3 dont le nombre de rayons lumineux diffractés 3 est fonction des longueurs d’onde du faisceau lumineux incident, chaque rayon lumineux diffracté 3 d’un même paquet 5 de rayons lumineux diffractés se propageant à une longueur d’onde comprise dans le spectre du faisceau lumineux incident suivant une direction de propagation qui est fonction de la longueur d’onde. En d’autres termes, cela signifie que chaque rayon lumineux diffracté 3 d’un même parquet présente une longueur d’onde qui est différente des longueurs d’onde des autres rayons lumineux diffractés du même paquet 5. On comprend également que le faisceau lumineux diffracté est formé par l’ensemble des rayons lumineux diffractés 3 par le réseau de diffraction 30. Ici, dans l’exemple de la figure 1 , comme un seul rayon lumineux 2 du faisceau lumineux incident 1 est illustré, le paquet 5 des rayons lumineux diffractés 3 illustre le faisceau lumineux diffracté 4. Dans le cas où plusieurs paquets 5 de rayons lumineux diffractés 3 sont formés par le réseau de diffraction 30, l’ensemble des paquets 5 correspond au faisceau lumineux diffracté 4. [0076] En pratique, le réseau de diffraction 30 est configuré pour diffracter le faisceau lumineux incident 1 réfléchi par le dispositif réfléchissant 20 suivant la loi des réseaux connue de l’homme du métier. Typiquement, le réseau de diffraction 30 est agencé pour favoriser un ordre de diffraction en maximisant l’intensité du faisceau diffracté selon un ordre de diffraction. L’ordre de diffraction maximisé peut être l’ordre 1 en valeur absolue, c’est-à-dire l’ordre 1 ou -1. En pratique, le faisceau lumineux diffracté 4 à l’ordre 1 ou -1 présente une intensité très supérieure à l’intensité des faisceaux lumineux diffractés aux autres ordres de diffraction. Ainsi, l’intensité des rayons lumineux diffractés dans les autres ordres sont négligeables par rapport aux intensités des rayons lumineux diffractés à l’ordre maximisé. Par exemple, l’ordre de diffraction maximisé est l’ordre -1. Ainsi, le réseau de diffraction 30 diffracté le faisceau lumineux incident 1 provenant du dispositif optique réfléchissant 20 suivant l’ordre de diffraction égal à - 1. En d’autres termes, cela signifie que chaque rayon lumineux incident 2 du faisceau lumineux incident 1 est diffracté spectralement par le réseau de diffraction 30 en un paquet 5 de rayons lumineux diffractés 3 suivant l’ordre de diffraction égal -1. L’ordre -1 permet notamment d’obtenir un spectromètre imageur plus compact.
[0077] Les plans réflecteurs 35 sont séparés par des rainures 33 du réseau de diffraction 30. Comme cela est illustré en figure 2, les rainures 33 sont parallèles entre elles et sont définies parallèlement à la première direction spatiale x. Par conséquent les rainures 33 sont chacune orientée parallèlement à l’axe longitudinal 16 de la fente 10. Ici typiquement, les rainures 33 présentent une densité d’environ 770 traits par millimètre (tr/mm).
[0078] Les rainures sont configurées pour délimiter les plans réflecteurs 35 du réseau de diffraction 30. Chaque rainure 33 est espacée d’une rainure adjacente 33 d’une distance 34 (aussi notée a), qui est dans cet exemple similaire. En d’autres termes, ici, toutes les rainures sont espacées d’une même distance 34 (i.e. distance 34 constante), le réseau de diffraction 30 est donc un réseau de diffraction à pas constant. Par exemple, la distance vaut 1 ,3 pm (1/770 mm). Bien entendu, comme cela sera illustré en figure 9, le réseau de diffraction 30 peut être un réseau de diffraction à pas variable pour lequel la distance 34 peut varier d’une rainure 33 à une autre.
[0079] A titre d’exemple, la figure 4 illustre dans une vue de profil une projection du réseau de diffraction 30 dans un plan perpendiculaire à l’axe optique 32 du réseau de diffraction 30. En effet, cette projection gomme, dans cette représentation, la courbure du réseau de diffraction 30. En variante, les plans réflecteurs 35 sont de formes plane. Selon un aspect particulier, la succession des différents plans réflecteurs 35 forme des dents de scie de même forme. [0080] Bien entendu, l’ensemble des plans réflecteurs 35 peut former d’autres motifs, par exemple un motif sinusoïdal, un motif carré, etc. En outre, les plans réflecteurs 35 peuvent présenter un rayon de courbure (de forme convexe ou concave), une forme rectangulaire, une forme carrée, etc.
[0081] En figure 4 et en figure 1 , un rayon lumineux 2 du faisceau lumineux incident 1 arrive sur le réseau de diffraction 30 avec une incidence inclinée dans le plan (yz). Ainsi, chaque rayon lumineux 2 incident réfléchi par le premier miroir 21 arrivant sur le réseau de diffraction 30 présente un angle d’incidence alpha défini dans le plan (yz). L'angle d'incidence Alpha est l'angle entre le faisceau incident et une normale à la surface courbée du réseau de diffraction 30 au point de contact de ce faisceau sur cette surface du réseau de diffraction 30. A titre d’exemple, dans le plan défini par le deuxième axe spatial et le troisième axe spatial, l’angle d’incidence alpha associé à ce rayon lumineux 2 incident vaut ici 22,7 degrés. De manière similaire, ce rayon lumineux 2 incident arrive sur le réseau de diffraction avec une incidence inclinée dans le plan (xz) suivant un angle d’incidence azimutal (noté sigma en figure 7). Par exemple, dans cet exemple, l’angle d’incidence azimutal sigma est de 34,7 degrés. Ces valeurs d’angle d’incidence permettent une optimisation globale du système favorisant notamment ici la compacité géométrique du système.
[0082] Dans le plan (yz), ce rayon lumineux 2 incident est diffracté pour former un paquet 5 de rayons lumineux diffractés 3, chaque rayon 3 du même paquet 5 étant diffracté, en fonction de sa longueur d’onde, suivant un angle bêta, noté ici bêtal , bêta2, etc.
[0083] Ici, notamment, les angles d’incidence et de diffraction sont liés par la formule bien connue du réseau de diffraction sin (alpha)+sin (beta) = m lambda / a, avec m l’ordre de diffraction égal à -1 , a correspondant à la distance ou espacement entre les rainures adjacentes (correspondant à la distance 34) et lambda la longueur d’onde du faisceau lumineux diffracté 3.
[0084] Ainsi, pour un angle d’incidence donné alpha, l’angle bêta d’un des rayons lumineux diffracté 3 du faisceau lumineux faisceau diffracté 4 dépend de la distance 34 (aussi notée a) associée au plan réflecteur 35 sur lequel se diffracté le rayon lumineux 2 incident et la longueur d’onde du rayon lumineux diffracté 3 correspondant. Ainsi, chaque longueur d’onde du spectre du faisceau lumineux incident 1 est diffractée suivant un angle bêta, dispersant spectralement les différentes longueurs d’onde du faisceau lumineux incident 1.
[0085] On comprend que la diffraction s’applique de manière similaire dans le plan (xz) avec alpha correspondant cet fois à l’angle d’incidence azimutal.
[0086] Comme cela est illustré en figure 2 et en figure 3, le centre géométrique 11 de la fente d’entrée 10 et le centre optique géométrique 31 du réseau de diffraction 30 sont reliés par une droite 60, qui est une droite fictive dans le spectromètre imageur 100. Cette droite 60 délimite une distance d séparant le centre géométrique 11 de la fente d’entrée 10 du centre optique géométrique 31 du réseau de diffraction 30. En pratique, le centre géométrique 11 de la fente d’entrée 10 est espacé du centre optique 31 du réseau de diffraction d’une distance d comprise entre 15 mm et 50 mm. Dans cet exemple, cet distance d est de 61 ,6 mm dans l’espace (xyz) et de 31 ,14 mm lors d’une projection dans le plan (xy), correspondant à une projection dans le plan de fente d’entrée 11.
[0087] Dans la présente divulgation, la droite 60 forme un angle 61 dans le plan (xy) avec l’axe longitudinal 16 de la fente d’entrée 10. On comprend que la droite 60 est projetée dans le plan de la fente d’entrée 11. Cet angle 61 est dans la présente divulgation supérieur à 0 degré et inférieur à 45 degrés ou supérieur à 45 degrés et inférieur à 90 degrés. Avantageusement, l’angle peut être compris entre 45 degrés et 70 degrés (45 degrés exclus) et de préférence compris entre 50 degrés et 70 degrés ou est supérieur à 20 degrés et inférieur à 40 degrés, de préférence compris entre 25 degrés et 40 degrés ou entre 30 degrés et 40 degrés. Un tel agencement permet d’obtenir un spectromètre imageur avec une grande ouverture numérique (NA) (ici par exemple de 0,22) tout en conservant la qualité optique de ce spectromètre imageur et améliorant la compacité du spectromètre imageur. En outre, comme il sera décrit ci-dessous, le spectre obtenu par un tel spectromètre imageur présente une large étendue spatiale et est hautement résolue sur la hauteur de la fente avec une excellente résolution spatiale sur toute la hauteur de la fente d’entrée imagée sur le détecteur imageur.
[0088] On comprend ainsi que dans le plan (xy), le centre optique géométrique 31 du réseau de diffraction 30 présente une position spatiale définie par rapport au centre géométrique 11 de la fente 10 et l’angle 61 formé entre l’axe longitudinal 16 et la droite 60. Ainsi, il est possible de positionner le réseau de diffraction 30 par rapport à la fente d’entrée 10 en utilisant des coordonnées polaires ayant pour origine le centre géométrique 11 de la fente d’entrée 10 et définies par la distance d et l’angle 61 .
[0089] Dans le présent exemple, de très bonnes qualités d’imagerie sont obtenues avec un angle 61 de 56,68 degrés ou de 33,32 degrés lorsque la distance d vaut 31 ,14 mm
[0090] Après avoir été diffracté par le réseau de diffraction 30, le faisceau lumineux diffracté 4 se propage à nouveau vers le dispositif optique réfléchissant 20, ici le deuxième miroir 22 du dispositif optique réfléchissant 20.
[0091] Dans la présente divulgation, le dispositif réfléchissant 20 est également configuré pour réfléchir le faisceau lumineux diffracté 4 spectralement par le réseau de diffraction 30 et le diriger vers le détecteur imageur 40. En pratique, ici le deuxième miroir 22 réfléchit le faisceau lumineux diffracté 4 suivant la loi Snell-Descartes et le dirige vers le détecteur imageur 40. Le faisceau lumineux diffracté réfléchi par le deuxième miroir 22 se propage ainsi après sa réflexion vers le détecteur imageur 40.
[0092] Notamment ici, le dispositif optique réfléchissant 20 est configuré pour corriger les aberrations de champ dont la distorsion, d’image sur le détecteur imageur 40 grâce à l’agencement concentrique entre les deux miroirs 21 et 22.
[0093] Le détecteur imageur 40 comprend une surface d’enregistrement 41 , en générale de forme plane, agencée pour enregistrer un spectre du faisceau lumineux diffracté réfléchi par le dispositif optique réfléchissant 20 (ici le deuxième miroir 22).
[0094] La surface d’enregistrement 41 présente une première dimension spatiale 42, correspondant ici à une hauteur de la surface d’enregistrement 41 , et une deuxième dimension spatiale 43 perpendiculaire à la première dimension spatiale 42 et correspondant à une largeur de la surface d’enregistrement 41 .
[0095] Comme cela est illustré en figure 1 et en figure 3, la première dimension spatiale 42 de la surface d’enregistrement 41 est orientée parallèlement à l’axe longitudinal 16. Afin de pourvoir acquérir tous les rayons lumineux 2 du faisceau incident 1 traversant la fente d’entrée 10, la première dimension spatiale 42 de la surface d’enregistrement est adaptée à la hauteur 13 (ici la valeur de la hauteur 13) de la fente d’entrée 10. En d’autres termes, cela signifie que la première dimension spatiale 42 de la surface d’enregistrement 41 est agencée pour capter l’ensemble des rayons lumineux 2 incident passant dans la fente d’entrée 10. En pratique, la valeur de première dimension spatiale 42 de la surface d’enregistrement 41 est supérieure à la valeur de la hauteur 13 de la fente d’entrée 10. Une telle caractéristique dépend du grandissement du système, qui est de préférence égal ou supérieur à 1 (ici de 1 par exemple).
[0096] La deuxième dimension spatiale 43 de la surface d’enregistrement est adaptée à la diffraction spectrale du faisceau lumineux incident réalisée par le réseau de diffraction 30. Notamment ici, la deuxième dimension spatiale 43 de la surface d’enregistrement 41 est adaptée à l’étendue du spectre des paquets 5 du faisceau lumineux diffracté 4 par le réseau de diffraction 30 et réfléchi par le dispositif optique réfléchissant 30.
[0097] On comprend ici que chaque rayon diffracté 3 d’un même paquet 5 présente une position spatiale distincte des autres rayons diffractés d’un même paquet 5 sur la surface d’enregistrement 41 alignée le long de la deuxième dimension spatiale 43 de la surface d’enregistrement 41.
[0098] On comprend également que les dimensions de la surface d’enregistrement 41 dépendent notamment de la fente d’entrée 10 et de l’ordre de diffraction du faisceau lumineux diffracté 4 par le réseau de diffraction 30. Ici notamment, la première dimension spatiale 42 de la surface d’enregistrement 41 dépend de la hauteur 13 de la fente d’entrée 10 et la deuxième dimension spatiale 43 de la surface d’enregistrement 41 dépend du réseau de diffraction 30, notamment de l’ordre de diffraction du réseau de diffraction 30.
[0099] La surface d’enregistrement 41 du détecteur imageur 40 présente un centre géométrique 44 et un axe normal 45 à ladite surface d’enregistrement 41 passant par le centre géométrique 44 de la surface d’enregistrement 41. Comme cela est illustré en figure 1 ou en figure 6, l’axe normal 45 (ou normale 45) de la surface d’enregistrement 41 est parallèle à l’axe optique 32 du réseau de diffraction 30. Il est donc également orienté perpendiculairement à l’axe longitudinal 16 de la fente d’entrée 10.
[0100] Dans cet exemple, le spectromètre imageur 100 comprend optionnellement un filtre 50 positionné sur le trajet optique du faisceau lumineux diffracté réfléchi par dispositif réfléchissant 20 (ici le deuxième miroir 22). Le filtre 50 est positionné en amont du détecteur imageur 40 notamment par rapport à une surface du détecteur imageur, ici par exemple 6 mm avant la surface du détecteur imageur 40. En d’autres termes, cela signifie que le filtre 50 est positionné entre le détecteur imageur 40 et le dispositif optique réfléchissant 20 (ici correspondant au deuxième miroir 22).
[0101] Le filtre 50 est un filtre fonctionnant en transmission configuré pour filtrer le faisceau lumineux diffracté réfléchi en fonction des ordres de diffraction dudit faisceau lumineux diffracté réfléchi. Notamment, ici, le filtre 50 est configuré pour sélectionner un seul ordre de diffraction du faisceau lumineux diffracté. En pratique, l’ordre diffraction sélectionné correspond à l’ordre de diffraction associé au faisceau lumineux diffracté maximisé par le réseau de diffraction 30, c’est-à-dire celui qui est diffracté par le réseau de diffraction 30 avec la plus grande intensité. Ainsi, le filtre 50 est agencé pour filtrer (i.e. couper, stopper) les ordres de diffraction du faisceau lumineux diffracté différents de l’ordre de diffraction sélectionné. Si dans l’application l’ordre utile du réseau de diffraction 30 est l’ordre -1 , le filtre 50 filtre les ordres - 2,- 3,- 4 ... Si l’ordre utile du réseau de diffraction 30 est l’ordre +1 , alors le filtre 50 filtre les ordres + 2, + 3, + 4 .... En outre, le filtre 50 permet également de filtrer les rayons parasites pouvant être créés à chaque réflexion du faisceau lumineux sur un élément du spectromètre imageur 100, ici par exemple au niveau de la fente, ou au niveau des miroirs 21 , 22 du dispositif réfléchissant 20.
[0102] Un tel agencement permet de seulement transmettre au détecteur imageur 40 les rayons lumineux diffracté 3 selon l’ordre sélectionné (ici l’ordre -1), les autres ordres et autres rayons parasites (dans une moindre mesure) étant défléchis, réfléchis ou absorbé par le filtre 50. Cela permet d’améliorer la qualité du spectre enregistré par le détecteur imageur 40. [0103] Comme cela est illustré en figure 6, le filtre 50 est de la forme d’une lame comprenant deux faces 51 , 52 parallèles, une première face 51 orientée vers le dispositif optique réfléchissant 20 (ici correspondant au deuxième miroir 22) et une deuxième face 52, opposée à la première face 51 et orientée vers le détecteur imageur 40. Ici, les deux faces 51 , 52 sont espacées d’une distance d2 de préférence inférieure à 5 mm. De préférence, cette distance d2 est choisie pour être la plus faible possible tout en pouvant réaliser la fonction optique de cette pièce. Par exemple, ici, la distance est égale à 0,5 mm.
[0104] Le filtre 50 présente un centre géométrique 53, ici positionné dans un plan 54 du filtre 50 parallèle à la première face 51 et la deuxième face 52 et positionné à équidistance de la première face 51 et de la deuxième face 52. Le plan 54 présente une première dimension 59 et une deuxième dimension perpendiculaire à la première dimension du plan 54 et orientée parallèlement aux rainures 33 du réseau de diffraction 30 (c’est-à-dire également orientée parallèlement à l’axe longitudinal 16 de la fente d’entrée 10). On comprend que la première dimension du filtre 59 est orientée parallèlement à la première dimension spatiale 42 de la surface d’enregistrement 41 .
[0105] Dans cet exemple, le filtre 50 est configuré pour recouvrir entièrement le détecteur imageur. En d’autres termes, le plan 54 du filtre 50 présente une aire supérieure à l’aire de la surface d’enregistrement 41. Par exemple, dans cet exemple, la première dimension du filtre 59 est de 16 mm alors que la deuxième dimension est de 34 mm.
[0106] Le filtre 50 comprend également un axe central 55, normal à la première face 51 , au plan 54 et à la deuxième face 52 et passant par le centre géométrique 53 du filtre 50.
[0107] Comme cela est illustré en figure 1 , le filtre 50 est incliné par rapport à la surface d’enregistrement 41 du détecteur imageur 40 pour limiter la captation des réflexions parasites. Ici, on peut voir que le filtre 50 est incliné par rapport à la surface d’enregistrement 41 par une rotation autour d’un axe y2 d’un premier angle 56. Comme illustré en figure autour d’un axe y2 positionné au niveau du centre géométrique 53 du plan 54 orienté perpendiculairement à l’axe normal 45 de la surface d’enregistrement et parallèlement à l’axe y. Cet axe y2, issu du repère orthonormé x2, y2 ayant pour origine le centre géométrique du plan 54, est orienté parallèlement à l’axe sur lequel est aligné la deuxième dimension spatiale 43 de la surface d’enregistrement 41. Le premier angle d’inclinaison 56 est compris entre 5 degrés et 45 degrés, de préférence entre 10 degrés et 45 degrés. Ici, typiquement, l’angle d’inclinaison 56 vaut 32 degrés pour obtenir de meilleures performances. Le plan 54 est donc également incliné par rapport à un axe 62 (orienté parallèlement à l’axe longitudinal 16 de la fente d’entrée 10 et orienté parallèlement à la première dimension 42 de la surface d’enregistrement 41) suivant un angle d’inclinaison égal au premier angle d’inclinaison décrit plus haut. [0108] Ainsi, le faisceau lumineux diffracté par le réseau de diffraction se réfléchit sur le deuxième miroir 22 du dispositif réfléchissant 20. Ce dernier est configuré pour orienter ce faisceau lumineux diffracté réfléchi vers le détecteur imageur 40. Ici, comme le filtre 50 est positionné sur le trajet optique du faisceau lumineux diffracté réfléchi par le dispositif optique réfléchissant 20 (ici le deuxième miroir 22), le faisceau lumineux diffracté est filtré par le filtre (i.e. seuls les rayons lumineux diffractés à l’ordre utile (ici l’ordre -1) sont conservés). Le faisceau lumineux diffracté filtré par le filtre se propage dans le filtre 50 et atteint ensuite le détecteur imageur 40.
[0109] Dans la présente divulgation, le spectromètre imageur est configuré pour former une image de la fente d’entrée 10 sur la surface d’enregistrement 41 du détecteur imageur 40.
[0110] Dans cet exemple, le détecteur imageur 41 , notamment la surface d’enregistrement 41 , présente une taille de 2048 pixels (le long de la deuxième dimension spatiale 43) x192 pixels (le long de la première dimension spatiale 42) avec des pixels carrés de taille de 14 pm. Le détecteur imageur 40 est lu en sommation de charge sur les 192 pixels de la hauteur de fente pour réaliser un spectre de la lumière de la fente d'entrée 10. Ainsi, en pratique, le détecteur imageur 40 est configuré pour collecter et sommer les valeurs des pixels d’une même colonne de pixels alignées le long de la première dimension spatiale 42 du spectre imageur 40. De ce fait, une raie du spectre enregistrée peut être mesurée par sommation des intensités détectées sur les pixels d’une même colonne de pixels.
[0111] La figure 5 illustre un exemple de spectre 101 du faisceau lumineux diffracté par le réseau de diffraction 30 et réfléchi par le dispositif optique réfléchissant obtenu à l’aide du détecteur imageur 41 décrit ci-dessus. Le spectre 101 présent en abscisses les longueurs d’onde (notée X) du spectre et en ordonnées une grandeur relative la hauteur de la fente d’entrée 10 donnée ici sans unité.
[0112] Le spectre 101 illustré est défini entre les longueurs d’onde (lambda : X) de 190 nm à 900 nm suivant une étendue spatiale 102 comprise entre 28 mm et 30 mm. Ici, notamment, les longueurs d’onde du spectre s’étalent au total sur 28 mm, définissant l’étendue spatiale
102 du spectre. Ainsi, cela signifie dans cet exemple, que l’ordre de diffraction sélectionné du faisceau lumineux diffracté est étalé sur 28 mm. Une telle étendue spatiale du spectre souligne une très bonne résolution spectrale puisque les longueurs d’onde sont espacées suffisamment des unes des autres, ce qui améliore la lisibilité du spectre 101. Ainsi, le spectromètre imageur présente un très grand pouvoir de résolution.
[0113] Dans cet exemple, le spectre 101 acquis comprend plusieurs raies 103, chaque raie
103 étant associée à une longueur d’onde du faisceau lumineux diffracté 3. Les points du spectre alignés suivant un même axe parallèle à l’axe des abscisses est associé à un même rayon lumineux incident 1 ou correspondant à un même point source sur la fente d’entrée 10 mais diffracté spectralement. Comme illustré en figure 5, les raies 103 présentent un faible étalement et sont proches d’une forme d’un Dirac, ce qui souligne la très bonne qualité de l’imagerie du spectromètre imageur 100.
[0114] Comme expliqué ci-dessus, chaque raie 103 présente une amplitude 104 le long de l’axe des ordonnées qui dépend de la hauteur 13 de la fente d’entrée 10 et/ou dans le cas de la figure 9 qui dépend également de la position spatiale des rayons lumineux incidents 2 sur la hauteur de la fente d’entrée. En effet, dans le cas l’utilisation de fibres optiques pour former la fente d’entrée, chaque fibre optique peut transmettre un flux lumineux ayant une intensité et/ou une propagation qui dépend de la fibre optique utilisée. L’amplitude 104 de chaque raie est approximativement égale, soulignant la présence de peu d’aberration optique introduite par le spectromètre imageur 100.
[0115] Le spectromètre imageur 100 peut également comprendre de manière optionnelle des moyens d’ajustement 70 de la position la fente d’entrée 10. Ainsi, dans ce cas, il est possible de déplacer la fente suivant l’axe longitudinal 16, ce qui vient modifier l’angle formé entre l’axe d’élongation 16 et la droite 60. Il est également possible en combinaison ou en alternative de déplacer la fente d’entrée 10 suivant un axe transverse à la l’axe d’élongation 16. En pratique, ces moyens d’ajustement 70 se matérialisent, par exemple, par un support portant la fente d’entrée 10 et mobile suivant au moins une direction spatiale, ici mobile au moins le long de la première dimension spatiale x et le long de la deuxième direction spatiale y. Un tel agencement permet de réaliser un ajustement optique pour compenser les précisions de positionnement et des usinages mécaniques.
[0116] Le spectromètre imageur 100 peut également comprendre de manière optionnelle des moyens d’inclinaison 72 du détecteur suivant au moins une direction spatiale, de préférence au moins d’un axe orienté parallèle à la première direction spatiale 42 du détecteur imageur afin d’optimiser la résolution entre basses et hautes longueurs d'onde. Dans une variante, les moyens d’inclinaisons 72 sont également agencés pour incliner le détecteur imageur 40 le long d’un axe orienté parallèlement à la deuxième direction spatiale du détecteur imageur pour optimiser et compenser un défaut d'orthogonalité du plan de la fente avec l'axe du système.
[0117] Il va être décrit à l’aide de la figure 7, de la figure 8 et de la figure 9, un deuxième mode de réalisation d’un spectromètre imageur 200 selon la présente divulgation. Seules les différences avec le premier mode de réalisation seront décrites. [0118] Ainsi, le spectromètre imageur 200 illustré en figure 5 comprend une fente d’entrée 80, un élément dispositif optique réfléchissant 90, un réseau de diffraction 110, un filtre 50 et un détecteur imageur 40.
[0119] La fente d’entrée 80 utilisée dans ce deuxième mode de réalisation est celle illustrée en figure 9. Bien entendue, cette fente d’entrée 80 peut aussi être utilisée dans le spectromètre imageur 100 décrit ci-dessus. Ici, la fente d’entrée 80 utilisée dans le spectromètre imageur 200 est formée par une pluralité de fibres optiques 87. Les fibres optiques utilisées peuvent toutes être similaires ou peuvent être différentes. En outre, les fibres optiques 87 utilisées peuvent comprendre des fibres monomodes, des fibres multimodes, des fibres à gradient d’indice, etc. Ici notamment, la fente d’entrée 10 est formée par douze fibres optiques 87 présentant un cœur de 9 pm de diamètre.
[0120] Chaque fibre optique 87 présente une extrémité libre (ici représentée par leur diamètre) délimitant une ouverture par lequel le faisceau lumineux incident 1 sort de la fibre et se propage en direction du dispositif optique réfléchissant 20.
[0121] Comme cela est illustré en figure 9, les fibres optiques 87 sont alignées successivement les unes derrière les autres le long d’un axe longitudinal 86, correspondant à l’axe longitudinal de la fente d’entrée 80.
[0122] Ici, les fibres optiques 87 présentent chacune un axe optique 88 qui sont ici perpendiculaires à l’axe longitudinal 86 de la fente d’entrée 80. Ainsi, les axes optiques 88 des fibres optiques 87 sont parallèles entre eux. Ici, ces axes optiques sont agencés pour s’étendre le long du deuxième axe médian 94 de la fente d’entrée 90.
[0123] Comme les fibres optiques présentent un diamètre similaire, les fibres optiques 87 sont fictivement inscrites dans une forme géométrique 89, ici un rectangle 89. A partir de forme géométrique formée par l’alignement des fibres optiques 87, on peut définir un centre géométrique 81 de la fente d’entrée 80, correspondant au centre géométrique 81 du rectangle 89 formée par l’alignement des fibres optique 87.
[0124] De manière similaire au premier mode de réalisation, le centre géométrique 81 est formée à une intersection entre un axe plan médian 82 de la fente d’entrée 80 et un deuxième axe médian 84 de la fente d’entrée 80. La fente d’entrée présente également une hauteur 83 orienté parallèlement au premier axe médian 82 et une largeur 85 orientée parallèlement au deuxième plan médian 84. Comme précédemment, la valeur de la hauteur 83 de la fente 80 est supérieure ou égale à la valeur de la largeur 85 de la fente, ici notamment supérieure à la valeur de la largeur 85. [0125] Le premier axe médian 82 est perpendiculaire au deuxième axe médian 84. L’axe longitudinal 86 est aligné sur le premier plan médian 82, il passe donc par le centre géométrique 81 et est perpendiculaire au deuxième axe médian 84.
[0126] De manière similaire au premier mode de réalisation, le réseau de diffraction 110 du spectromètre imageur 200 présente un agencement similaire à celui décrit dans le premier mode de réalisation mis à part que le réseau de diffraction 110 du spectromètre imageur est à pas variable. Les rainures 113 du réseau de diffraction 110 sont espacées par des distances non constantes, notées a1 , a2, a3, etc. Une telle configuration permet d’améliorer les performances optiques du spectromètre imageur 200 par rapport à un spectromètre imageur utilisant un réseau de diffraction à pas constant. Notamment, une telle configuration permet de limiter les aberrations de champ, comme la distorsion, permettant ainsi d'augmenter le domaine spectral et la hauteur de fente. L’étendue d’utilisation du spectromètre imageur 200 est donc amélioré.
[0127] Comme dans le premier mode de réalisation, le réseau de diffraction 110 est un réseau convexe en réflexion présentant un axe optique 112 passant par un centre géométrique 111 du réseau de diffraction 110 (correspondant également au centre optique du réseau de diffraction 110). Il présente donc un diamètre de 23,5 mm et un rayon de courbure de 50,42 mm.
[0128] Comme décrit ci-dessus, le centre géométrique 81 de la fente d’entrée 80 et le centre optique 111 du réseau de diffraction 110 sont reliés par une droite 120, qui est une droite fictive dans le spectromètre imageur 200. Cette droite 120 délimite une distance d séparant le centre géométrique 81 de la fente d’entrée 80 du centre optique 111 du réseau de diffraction 110. Par exemple ici, la distance d est de 31 ,14 mm.
[0129] La droite 120 forme un angle 121 dans le plan (xy) (i.e. droite projetée dans plan de la fente d’entrée 11) avec l’axe longitudinal 16 de la fente d’entrée 80. Cet angle 120 est supérieur à 0 degré et inférieur à 45 degrés ou supérieur à 45 degrés et inférieur à 90 degrés. De manière avantageuse, les caractéristiques spectrales et la résolution le long de la hauteur de fente sont atteints pour un angle 120 compris entre 45 degrés (exclu) et 70 degrés, de préférence entre 50 degrés et 60 degrés ou pour un angle supérieur à 20 degrés et inférieur à ou égal à 40 degrés, de préférence entre 25 degrés et 40 degrés. Par exemple, ici, l’angle 121 est de 33,32 degrés.
[0130] Ce centre géométrique 111 présente une position spatiale dans le spectromètre imageur 200 définie par rapport au centre géométrique 81 de la fente d’entrée 80, ici typiquement en utilisant les coordonnées polaires. Ainsi, le centre optique 111 du réseau de diffraction 110 présente une position spatiale définie par rapport au centre géométrique 81 de la fente 80 et l’angle 61 formé entre l’axe longitudinal 86 et la droite 120.
[0131] Dans le spectromètre imageur 200, le dispositif optique réfléchissant 90 est positionné en configuration concentrique avec le réseau de diffraction 110. Par conséquent, le centre de courbure 93 du dispositif optique réfléchissant 90 et le centre de courbure 123 du réseau de diffraction 110 se superposent, ils sont confondus.
[0132] Dans ce mode de réalisation, le dispositif optique réfléchissant 90 est fait uniquement d’un miroir 90 concave. Dans cet exemple, le miroir 90 présente un rayon de courbure de 97,56 mm et une taille de 104 mm (le long d’une direction parallèle à l’axe x) par 70 mm (le long d’une direction parallèle à l’axe y).
[0133] De ce fait, dans ce mode de réalisation, moins de composants optiques sont utilisés, ce qui facile les réglages du spectromètre 200 et limite les coûts d’un tel spectromètre 200.
[0134] Ici typiquement, la distance séparant le centre géométrique 81 de la fente d’entrée 80 du miroir 90 est de 98,93 mm, la distance séparant le miroir 90 du réseau de diffraction est de 45,80 mm et la distance séparant le filtre 50 du miroir 90 est de 92,06 mm. Ainsi, l’encombrement total du spectromètre imageur est de 98,03 mm.
[0135] Le dispositif optique réfléchissant 90 (ici correspondant au miroir 90) présente un centre optique 91 et un axe optique 92 passant par ledit centre optique 91. Ici, l’axe optique 92 du dispositif réfléchissant 90 est orienté perpendiculairement à l’axe longitudinal 86 de la fente d’entrée 80 (et également aux rainures 113 du réseau de diffraction 110).
[0136] L’axe optique 92 du dispositif réfléchissant 90 est parallèle à l’axe optique 112 du réseau de diffraction 110, notamment ici l’axe optique 92 du dispositif réfléchissant 90 est aligné sur l’axe optique 112 du réseau de diffraction 110.
[0137] Ainsi, dans cet exemple, le miroir 90 est agencé pour recevoir le faisceau lumineux incident 1 provenant de la fente d’entrée 80 et le réfléchir vers le réseau de diffraction 110. Le miroir 90 est également agencé pour recevoir le faisceau lumineux diffracté 4 par le réseau de diffraction 110 et le réfléchir en direction du détecteur imageur 40.
[0138] La présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à l’invention. De manière non limitative, la fente d’entrée 80 illustrée en figure 9 peut être utilisée dans le spectromètre imageur 100 selon le premier mode de réalisation et de manière similaire la fente d’entrée 10 illustrée en figure 3 peut être utilisée dans le spectromètre imageur 200.

Claims

Revendications
1. Spectromètre imageur (100, 200) de type Offner comprenant :
- une fente d’entrée (10) configurée pour transmettre un faisceau lumineux incident (1) comprenant des longueurs d’onde, ladite fente d’entrée (10, 80) présentant un centre géométrique (11 , 81), une hauteur (13, 83) définie le long d’un axe (12, 82) et une largeur (15, 85), la valeur de la hauteur (13, 83) de la fente d’entrée (10, 80) étant supérieure ou égale à la valeur de la largeur (15, 85) de la fente d’entrée (10, 80), la fente d’entrée (10, 80) présentant également un axe longitudinal (16, 86) passant par le centre géométrique (11 , 81) et étant orienté parallèlement à l’axe définissant la hauteur ;
- un dispositif optique réfléchissant (20, 90) et un réseau de diffraction (30, 110) convexe en réflexion disposés en configuration concentrique, i) le dispositif optique réfléchissant (20, 90) ayant un centre de courbure (25, 93) et étant configuré pour réfléchir le faisceau lumineux incident (1) et le diriger vers le réseau de diffraction (30, 110); ii) le réseau de diffraction (30, 110) présentant un centre optique géométrique (31 , 111) en surface, le réseau de diffraction (30, 110) comprenant des rainures (33, 113) orientées parallèlement à l’axe longitudinal (16, 86) de la fente d’entrée (10, 80); ledit réseau de diffraction (30, 110) étant agencé pour diffracter spectralement le faisceau lumineux incident (1) réfléchi sur le dispositif optique réfléchissant (20, 90), iii) le dispositif optique réfléchissant (20, 90) étant configuré pour réfléchir le faisceau lumineux diffracté (4) spectralement par le réseau de diffraction (30, 110) ;
- un détecteur imageur (40) configuré pour enregistrer le faisceau lumineux diffracté (4) par ledit réseau de diffraction (30, 110) et réfléchi par le dispositif optique réfléchissant (20, 90), le spectromètre imageur (100, 200) étant configuré pour former une image de la fente d’entrée (10) sur le détecteur imageur (40), caractérisé en ce qu’une droite (60, 120) joignant le centre optique géométrique (31 , 111) du réseau de diffraction (30, 110) et le centre géométrique (11 , 81) de la fente d’entrée (10, 80) forme un angle (61 , 121) avec l’axe longitudinal (16, 86) de la fente d’entrée (10, 80), ledit angle (61 , 121) étant supérieur à 0 degré et inférieur à 45 degrés ou supérieur à 45 degrés et inférieur à 90 degrés.
2. Spectromètre imageur (100, 200) selon la revendication 1 , dans lequel ledit angle (61 , 121) est compris entre 50 degrés et 70 degrés.
3. Spectromètre imageur (100, 200) selon la revendication 1 , dans lequel ledit angle (61 , 121) est compris entre 50 degrés et 60 degrés.
4. Spectromètre imageur (100, 200) selon la revendication 1 , dans lequel ledit angle (61 , 121) est compris entre 15 degrés et 40 degrés.
5. Spectromètre imageur (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à
4, dans lequel le réseau de diffraction (30, 110) est agencé pour diffracter le faisceau lumineux incident (1) réfléchi par ledit dispositif réfléchissant (20, 90) suivant un ordre de diffraction égal à 1 en valeur absolue et le détecteur imageur (40) est disposé pour enregistrer le faisceau lumineux diffracté (4) dans l’ordre de diffraction égal à 1 en valeur absolue.
6. Spectromètre imageur (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à
5, dans lequel le détecteur imageur (40) comprend une surface d’enregistrement (41) présentant une première dimension spatiale (42) et une deuxième dimension spatiale (43) perpendiculaire à la première dimension spatiale (42), ladite première dimension spatiale (42) de la surface d’enregistrement (41) étant orientée parallèlement à l’axe longitudinal (16, 86) et étant adaptée à la hauteur (13, 83) de la fente d’entrée (10).
7. Spectromètre imageur (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à
6, dans lequel le détecteur imageur (40) est configuré pour enregistrer un spectre du faisceau lumineux diffracté (4) défini entre les longueurs d’onde de 190 nm à 900 nm et présentant une étendue spatiale comprise entre 28 mm et 30 mm.
8. Spectromètre imageur (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à
7, comprenant en outre un filtre (50) fonctionnant en transmission disposé en amont du détecteur imageur (40) et configuré pour sélectionner un seul ordre de diffraction du faisceau lumineux diffracté.
9. Spectromètre imageur (100, 200) selon la revendication 8, dans lequel le filtre (50) présente un axe central (55) normal à un plan (54) du filtre (50) et passant par un centre géométrique (53) du filtre (50), ledit axe central (55) du filtre (50) étant incliné par rapport à une normale à un plan du détecteur imageur (40) suivant un angle d’inclinaison.
10. Spectromètre imageur (100, 200) selon la revendication 9, dans lequel ledit angle d’inclinaison est compris entre 5 degrés et 45 degrés.
11 .Spectromètre imageur (200) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le dispositif optique réfléchissant (90) comprend un miroir (90) concave présentant un axe optique (92) aligné sur un axe optique (112) du réseau de diffraction (110).
12. Spectromètre imageur (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le dispositif optique réfléchissant (20) comprend deux miroirs (21 , 22) concaves, nommés respectivement premier miroir (21) et deuxième miroir (22), le premier miroir (21) étant configuré pour réfléchir le faisceau lumineux incident (1) vers le réseau de diffraction (30) et le deuxième miroir (22) étant configuré pour réfléchir le faisceau lumineux diffracté (4) vers le détecteur imageur (40), au moins un des deux miroirs (21 , 22) parmi le premier miroir (21) et le deuxième miroir (22) étant agencé de manière concentrique avec le réseau de diffraction (30).
13.Spectromètre imageur (100) selon la revendication 12, dans lequel le premier miroir (21) et le deuxième miroir (22) ont des rayons de courbures différents.
14.Spectromètre imageur (100, 200) selon l’une quelconque des revendications 1 à
13, dans lequel la fente d’entrée (10) est formée par une ouverture (17) rectangulaire ou la fente d’entrée (80) est formée par une pluralité de fibres optiques (87) disposées le long de l’axe longitudinal (86) de la fente d’entrée (80) et présentant chacune un axe optique (88), les axes optiques (88) desdites fibres optiques (87) étant parallèles entre eux.
15.Spectromètre imageur (100,200) selon l'une quelconque des revendications 1 à
14, dans lequel le réseau de diffraction (30,110) est formé de rainures (113) non équidistantes.
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Title
CEPA JORDI ET AL: "OSIRIS tunable imager and spectrograph", OPTICAL AND IR TELESCOPE INSTRUMENTATION AND DETECTORS, vol. 4008, 16 August 2000 (2000-08-16), pages 623, XP093205179, DOI: 10.1117/12.395520 *

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