WO2010069836A1 - Compact spectrometry device and method for making same - Google Patents

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WO2010069836A1
WO2010069836A1 PCT/EP2009/066720 EP2009066720W WO2010069836A1 WO 2010069836 A1 WO2010069836 A1 WO 2010069836A1 EP 2009066720 W EP2009066720 W EP 2009066720W WO 2010069836 A1 WO2010069836 A1 WO 2010069836A1
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WO
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spectrometry device
compact
compact spectrometry
spectral components
network
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PCT/EP2009/066720
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Sébastien LAUX
Vincent Sincholle
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Thales
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    • G01J3/1895—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating using fiber Bragg gratings or gratings integrated in a waveguide

Definitions

  • the field of the invention is that of devices for making spectrometry, and more specifically that of compact and transportable spectrometers.
  • a spectrometer is an object that makes it possible to highlight the spectral composition of a light source entering such a device, that is to say to decompose the light and to obtain the specific wavelengths or a portion of the wavelengths constituting the light beam.
  • To separate the different wavelengths of a light beam it is possible to use either the light scattering phenomenon (via a prism for example) or the diffraction phenomenon (via a network for example).
  • Such phenomena of dispersion or diffraction are usable only if the light is collimated, that is to say if all the light rays are parallel.
  • spectrometer in practice refers to a large family of instruments for scanning a wide range of wavelengths. As a result, there are a variety of techniques used to measure each band of the electromagnetic spectrum. Many spectrometers are available in the visible or near visible areas (Ultraviolet and Infrared).
  • a traditional configuration for making a spectrometer consists, for example, in using a Czerny-Turner device, illustrated in FIG. 1.
  • a polychromatic light beam originating from source A passes through an input slot B.
  • the slot is located at the focal point a curved mirror (the collimator C, usually a spherical mirror), so that all the rays reflected by the mirror are parallel.
  • the amount of light energy available for use depends on the one hand on the energy of the beam coming from the light source passing through the slot, and on the other hand on the "width" of the diverging beam reflected on the mirror. .
  • the polychromatic parallel beam is then dispersed by the prism or diffracted by the grating or the crystal D, and is then collected by another mirror E which focuses it on the exit slot F.
  • the different wavelengths are separated at the level of the exit slot (if the beam is in the visible, the different colors are separated), each arriving at a different point of the slot.
  • the incoming beam (often by a slot) is collimated by the first mirror, so that all the reflected rays are parallel, on the diffraction grating which disperses the light chromatically and thus angularly separates the different lengths. of the waves composing the beam.
  • the network returns the rays to a second mirror that focuses the separate wavelengths on the output device (CCD array for example).
  • the width of the wavelength range of the beam depends on the properties of the system allowing the dispersion of the light (not the network) but also on the focal length of the collimator used: the greater the focal distance is the longer the wavelength range is narrow.
  • the device used consists in collimating (via a lens or a lens assembly) the input beam (in this case by an optical fiber) on a structure composed of several holographic gratings which realize the separation into lengths of d 'wave.
  • the rays are then sent to a device (a lens or a lens assembly) which focuses them on a detector.
  • the invention aims to overcome the problems mentioned above by proposing an even more compact device and at a lower cost, and this by proposing a monolithic device that makes it possible to dispense with the collimation functions of the beams.
  • the subject of the present invention is a compact spectrometer device comprising first means for capturing a light beam emitted from a multi-spectral light source, second means for separating the different spectral components of said beam and third means for acquiring said components.
  • first means, the second means and the third are integrated in the same monolithic component comprising a main axis, the second means further comprising a network structure having a variable pitch along said main axis so as to achieve a focusing function of the different spectral components on said third acquisition means and the third means being stacked on the surface of the second means.
  • the network integrates collimation functions towards the means for acquiring said spectral components making it possible to dispense with additional means of collimation.
  • the first means for capturing the light beam comprise an optical guide.
  • the first means for capturing the light beam comprise an optical fiber.
  • the monolithic component comprises two blades inserting at least a portion of the optical guide and a photosensitive material for separating the spectral components.
  • the second means for separating the spectral components comprise a film of photosensitive material.
  • the photosensitive material comprises a polymer.
  • the second means for separating the spectral components comprise an array of optical index strata making an angle of the order of 45 ° with the longitudinal axis of the monolithic component.
  • the network structure presents a
  • xsin-4 ⁇ means: a mean wavelength defined in the range of emission wavelengths of the multi-spectral source; the optical index of the photosensitive material.
  • the third acquisition means of said spectral components are distributed in contact with said second means, along the longitudinal axis of the monolithic component.
  • the third acquisition means are of the CCD sensor type.
  • the subject of the invention is also a method for manufacturing a compact spectrometry device according to the invention, characterized in that it comprises:
  • the holographic recording is made by interference of a first convergent beam and a second diverging beam so as to achieve the variable pitch network.
  • the acquisition means are coupled to the second means by gluing. According to a variant of the invention, the acquisition means are coupled to the second means by mechanical transfer and clamping.
  • FIG. 1 illustrates an example of a spectrometer according to the known art
  • FIG. 2 schematizes a compact spectrometer according to the invention
  • FIG. 3 illustrates an exemplary spectrometer according to the invention
  • FIG. 4 illustrates means for recording a "chirped" network used in a spectrometer according to the invention.
  • the spectrometer according to the invention comprises, as shown diagrammatically in FIG. 2, first means 1 for capturing and illuminating the spectrometer.
  • these first means may be of the optical fiber type.
  • This optical fiber is coupled to the second means 2 for separating the spectral components and which comprise the holographic network with variable pitch.
  • Means 3 for capturing the different spectral components are coupled to the means 2 and can typically be of the CCD array or matrix type.
  • the holographic network integrates the collimation functions in the direction of the capture means making it possible to dispense with additional means of collimation.
  • the "chirp" (or the spatial variation of the pitch) is induced by imposing an additional curvature on the wavefront of one of the two writing beams.
  • a so-called “chirped” holographic grating incorporating the output lens function so as to be able to achieve a total integration of the together within a single monolithic device.
  • the optical block is a thin layer deposited on the detector and having a chirped holographic network in which it was possible to record the optical collimation functions of the lenses arranged before and after the network.
  • the holographic grating is chirped thus makes it possible to dispense with conventional optical collimation components (lenses) that make it possible to focus the beam coming out of the optical fiber on the optical block and to focus the output wavelengths of the block optical on the detector.
  • the cylindrical lenses are used to record the network in order to be freed from its functions, the collimation functions are thus directly recorded in the network.
  • Figure 3 illustrates a first embodiment of the invention of a compact spectrometer.
  • This device consists essentially of: an optical fiber intended to collect and guide the light;
  • an optical unit 20 in which a volume network is holographically registered
  • the optical block is a block of photosensitive material whose function is to separate and guide the different wavelengths of the incoming beam.
  • One of the embodiments of this block may be, for example, the use of two blades 21 and 22 spaced apart glass of a thickness at least equal to the core diameter of the optical fiber as shown in Figure 3.
  • the optical fiber being slipped between these two blades, a material photosensitive 23 may be cast between the blades and the assembly, or the network alone, can then be recorded holographically.
  • the recording angles of the mean network pitch ⁇ s and ⁇ R are defined as:
  • ⁇ i is the inscription wavelength and n is the average index of the material.
  • ⁇ s and ⁇ R are the respective angles of incidence of the spherical waves R and S.
  • the min and max angles of the spherical waves R and S are defined by:
  • These R and S waves propagate in the block 20 of photosensitive material so as to form an angle of 45 ° between the axis Ox and the axis Oy.
  • the planes of the strata are at 45 ° to the Ox axis.
  • the points R and S are in the focal plane of cylindrical lenses.
  • the volume-sensitive material receives a spherical wave S with a mean angle of incidence ⁇ s and a spherical wave R with a mean angle of incidence ⁇ R as previously defined.
  • the grating recorded in the optical block 20 is then coupled to the detector 30 so that points A and B corresponding to the minimum and maximum wavelengths are attached to both ends of the detector.
  • One of the means of coupling the detector may be to use a bonding or to report the piece by different mechanical techniques (screwing, clamping stress, indexing, etc.).
  • the spatial separation of the spectrum of the captured light, carried out by the optical block is linear.
  • the holographic grating known as "chirped" comprises successive layers which may have faces parallel to one another and being inclined with respect to the longitudinal axis of the block in order to return the rays to the detector.
  • the CCD sensor coupled to the holographic diffraction grating may be of linear or matrix type.
  • the invention particularly has an interest in the secondary architecture framework comprising a device for illuminating the object, typically for example a light-emitting diode "LED" at a specific wavelength relative to the desired object, whose we want to capture the light spectrum.
  • a device for illuminating the object typically for example a light-emitting diode "LED" at a specific wavelength relative to the desired object, whose we want to capture the light spectrum.

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Abstract

The invention relates to a compact spectrometry device that comprises first means (10) for capturing a light beam transmitted from a multi-spectral light source, second means (20) for separating the different spectral components of said beam, and third means (30) for acquiring said components, characterised in that the first means, the second means and the third means are integrated in a single unitary component comprising a longitudinal axis, the second means further including an array structure having a variable pitch along said longitudinal axis so as to implement a focusing function of the different spectral components on the third acquisition means, the third acquisition means being stacked at the surface of the second means.

Description

Dispositif de spectrométrie compact et procédé de fabrication Compact spectrometry device and method of manufacture
Le domaine de l'Invention est celui des dispositifs pour faire de la spectrométrie, et de manière plus spécifique celui des spectromètres compacts et transportables. De manière générale, un spectromètre est un objet qui permet de mettre en évidence la composition spectrale d'une source de lumière entrant dans un tel dispositif, c'est à dire de décomposer la lumière et d'obtenir les longueurs d'onde spécifiques ou une partie des longueurs d'onde constituant le faisceau lumineux. Pour séparer les différentes longueurs d'onde d'un faisceau lumineux, on peut utiliser soit le phénomène de dispersion de la lumière (via un prisme par exemple), soit le phénomène de diffraction (via un réseau par exemple).The field of the invention is that of devices for making spectrometry, and more specifically that of compact and transportable spectrometers. In general, a spectrometer is an object that makes it possible to highlight the spectral composition of a light source entering such a device, that is to say to decompose the light and to obtain the specific wavelengths or a portion of the wavelengths constituting the light beam. To separate the different wavelengths of a light beam, it is possible to use either the light scattering phenomenon (via a prism for example) or the diffraction phenomenon (via a network for example).
De tels phénomènes de dispersion ou de diffraction ne sont utilisables que si la lumière est collimatée, c'est-à-dire si tous les rayons lumineux sont parallèles.Such phenomena of dispersion or diffraction are usable only if the light is collimated, that is to say if all the light rays are parallel.
Dans le domaine de l'optique, le terme « spectromètre » désigne en pratique une grande famille d'instruments permettant de balayer un large éventail de longueurs d'onde. De ce fait, il existe une variété de techniques employées pour mesurer chaque bande du spectre électromagnétique. De nombreux spectromètres sont proposés dans les domaines visible ou proche visible (Ultraviolet et Infrarouge).In the field of optics, the term "spectrometer" in practice refers to a large family of instruments for scanning a wide range of wavelengths. As a result, there are a variety of techniques used to measure each band of the electromagnetic spectrum. Many spectrometers are available in the visible or near visible areas (Ultraviolet and Infrared).
Une configuration traditionnelle pour réaliser un spectromètre consiste, par exemple, à utiliser un dispositif de Czerny-Turner, illustré en figure 1. Un faisceau lumineux polychromatique issu de la source A traverse une fente d'entrée B. La fente est située au point focal d'un miroir incurvé (le collimateur C, généralement un miroir sphérique), si bien que tous les rayons réfléchis par le miroir sont parallèles. La quantité d'énergie lumineuse disponible pour l'utilisation dépend d'une part de l'énergie du faisceau issu de la source lumineuse traversant la fente, et d'autre part de la "largeur" du faisceau divergent qui se réfléchit sur le miroir.A traditional configuration for making a spectrometer consists, for example, in using a Czerny-Turner device, illustrated in FIG. 1. A polychromatic light beam originating from source A passes through an input slot B. The slot is located at the focal point a curved mirror (the collimator C, usually a spherical mirror), so that all the rays reflected by the mirror are parallel. The amount of light energy available for use depends on the one hand on the energy of the beam coming from the light source passing through the slot, and on the other hand on the "width" of the diverging beam reflected on the mirror. .
Le faisceau parallèle polychromatique est alors dispersé par le prisme ou diffracté par le réseau ou le cristal D, puis est collecté par un autre miroir E qui le focalise sur la fente de sortie F. Dans le cas d'un prisme ou d'un réseau, les différentes longueurs d'onde sont séparées au niveau de la fente de sortie (si le faisceau est dans le visible, les différentes couleurs sont séparées), chacune arrivant à un point différent de la fente.The polychromatic parallel beam is then dispersed by the prism or diffracted by the grating or the crystal D, and is then collected by another mirror E which focuses it on the exit slot F. In the case of a prism or a grating , the different wavelengths are separated at the level of the exit slot (if the beam is in the visible, the different colors are separated), each arriving at a different point of the slot.
On peut ainsi réaliser un spectromètre utilisant un montage optique composé d'un réseau en réflexion et d'une paire de miroirs concaves sphériques. Dans un tel dispositif, le faisceau entrant (souvent par une fente) est collimaté par le premier miroir, si bien que tous les rayons réfléchis sont parallèles, sur le réseau de diffraction qui disperse la lumière de manière chromatique et sépare ainsi angulairement les différentes longueurs d'ondes composant le faisceau. Le réseau renvoie les rayons vers un second miroir qui focalise les longueurs d'ondes séparées sur le dispositif de sortie (barrette CCD par exemple).It is thus possible to produce a spectrometer using an optical assembly composed of a reflection grating and a pair of spherical concave mirrors. In such a device, the incoming beam (often by a slot) is collimated by the first mirror, so that all the reflected rays are parallel, on the diffraction grating which disperses the light chromatically and thus angularly separates the different lengths. of the waves composing the beam. The network returns the rays to a second mirror that focuses the separate wavelengths on the output device (CCD array for example).
Dans ce type de configuration, la largeur de la gamme de longueurs d'onde du faisceau dépend des propriétés du système permettant la dispersion de la lumière (pas du réseau) mais aussi de la distance focale du collimateur utilisé : plus la distance focale est grande, plus la gamme de longueurs d'onde est étroite.In this type of configuration, the width of the wavelength range of the beam depends on the properties of the system allowing the dispersion of the light (not the network) but also on the focal length of the collimator used: the greater the focal distance is the longer the wavelength range is narrow.
La réalisation d'un spectromètre de faible largeur de gamme (type monochromateur) de très haute résolution peut de ce fait avoir des collimateurs de distance focale voisine de 2 mètres. La fabrication de tels monochromateurs nécessite donc d'apporter une attention toute particulière à la stabilité thermique et à la stabilité mécanique, ce qui se traduit par des coûts de réalisation élevés.The realization of a low-range spectrometer (monochromator type) of very high resolution can therefore have collimators of focal length close to 2 meters. The manufacture of such monochromators therefore requires special attention to thermal stability and mechanical stability, which results in high realization costs.
Afin de diminuer cette distance focale importante, mais aussi d'augmenter la largeur spectrale et/ou la résolution, différentes solutions ont été proposées. Il est notamment connu de remplacer le réseau par des réseaux holographiques avec des réseaux de détecteurs à deux dimensions par exemple (demande de brevet WO9424527A1 ). Dans ce cas, le dispositif utilisé consiste à collimater (via une lentille ou un assemblage de lentilles) le faisceau d'entrée (dans le cas présent par une fibre optique) sur une structure composée de plusieurs réseaux holographiques qui réalisent la séparation en longueurs d'onde. Les rayons sont ensuite envoyés sur un dispositif (une lentille ou un assemblage de lentilles) qui les focalise sur un détecteur.In order to reduce this important focal length, but also to increase the spectral width and / or the resolution, various solutions have been proposed. It is notably known to replace the network with holographic gratings with two-dimensional detector arrays for example (patent application WO9424527A1). In this case, the device used consists in collimating (via a lens or a lens assembly) the input beam (in this case by an optical fiber) on a structure composed of several holographic gratings which realize the separation into lengths of d 'wave. The rays are then sent to a device (a lens or a lens assembly) which focuses them on a detector.
Toutefois si les solutions existantes ont permis de restreindre la taille des spectromètres il n'en reste pas moins que ces dernières utilisent encore la configuration classique, avec les fonctions de collimation et de séparation des longueurs d'onde. De plus, les composants utilisés restent toujours onéreux.However, although the existing solutions have made it possible to restrict the size of the spectrometers, the latter still use them. still the classical configuration, with the functions of collimation and separation of wavelengths. In addition, the components used are still expensive.
L'invention vise à pallier les problèmes cités précédemment en proposant un dispositif encore plus compact et à moindre coût, et ce en proposant un dispositif monolithique qui permet de s'affranchir des fonctions de collimation des faisceaux.The invention aims to overcome the problems mentioned above by proposing an even more compact device and at a lower cost, and this by proposing a monolithic device that makes it possible to dispense with the collimation functions of the beams.
Plus précisément la présente invention a pour objet un dispositif compact de spectrométhe comportant des premiers moyens pour capturer un faisceau lumineux émis depuis une source lumineuse multi-spectrale, des seconds moyens pour séparer les différentes composantes spectrales dudit faisceau et des troisièmes moyens pour acquérir lesdites composantes spectrales caractérisé en ce que les premiers moyens, les seconds moyens et les troisièmes sont intégrés dans un même composant monolithique comportant un axe principal , les seconds moyens comportant en outre une structure de réseau présentant un pas variable selon ledit axe principal de manière à réaliser une fonction de focalisation des différentes composantes spectrales sur lesdits troisièmes moyens d'acquisition et les troisièmes moyens étant empilés à la surface des seconds moyens. Selon une variante de l'invention, le réseau intègre des fonctions de collimation en direction des moyens d'acquisition desdites composantes spectrales permettant de s'affranchir de moyens supplémentaires de collimation.More specifically, the subject of the present invention is a compact spectrometer device comprising first means for capturing a light beam emitted from a multi-spectral light source, second means for separating the different spectral components of said beam and third means for acquiring said components. spectral characterized in that the first means, the second means and the third are integrated in the same monolithic component comprising a main axis, the second means further comprising a network structure having a variable pitch along said main axis so as to achieve a focusing function of the different spectral components on said third acquisition means and the third means being stacked on the surface of the second means. According to a variant of the invention, the network integrates collimation functions towards the means for acquiring said spectral components making it possible to dispense with additional means of collimation.
Selon une variante de l'invention, les premiers moyens pour capturer le faisceau lumineux comportent un guide optique.According to a variant of the invention, the first means for capturing the light beam comprise an optical guide.
Selon une variante de l'invention, les premiers moyens pour capturer le faisceau lumineux comportent une fibre optique.According to a variant of the invention, the first means for capturing the light beam comprise an optical fiber.
Selon une variante de l'invention, le composant monolithique comporte deux lames insérant au moins une partie du guide optique et un matériau photosensible pour séparer les composantes spectrales.According to a variant of the invention, the monolithic component comprises two blades inserting at least a portion of the optical guide and a photosensitive material for separating the spectral components.
Selon une variante de l'invention, les seconds moyens pour séparer les composantes spectrales comprennent un film de matériau photosensible.According to a variant of the invention, the second means for separating the spectral components comprise a film of photosensitive material.
Selon une variante de l'invention, le matériau photosensible comporte un polymère. Selon une variante de l'invention, les seconds moyens pour séparer les composantes spectrales comportent un réseau de strates d'indice optique faisant un angle de l'ordre de 45° avec l'axe longitudinal du composant monolithique.According to a variant of the invention, the photosensitive material comprises a polymer. According to a variant of the invention, the second means for separating the spectral components comprise an array of optical index strata making an angle of the order of 45 ° with the longitudinal axis of the monolithic component.
Selon une variante de l'invention, la structure réseau présente unAccording to a variant of the invention, the network structure presents a
ÀmoyenÀmoyen
Amoyen = pas moyen de l'ordre de avecAmoyen = no way around with
2«xsin— 4 λ moyen : une longueur d'onde moyenne définie dans le domaine des longueurs d'onde d'émission de la source multi-spectrale ; - n l'indice optique du matériau photosensible.2 "xsin-4λ means: a mean wavelength defined in the range of emission wavelengths of the multi-spectral source; the optical index of the photosensitive material.
Selon une variante de l'invention, les troisièmes moyens d'acquisition desdites composantes spectrales sont distribués en contact avec lesdits seconds moyens, le long de l'axe longitudinal du composant monolithique.According to a variant of the invention, the third acquisition means of said spectral components are distributed in contact with said second means, along the longitudinal axis of the monolithic component.
Selon une variante de l'invention, les troisièmes moyens d'acquisition sont de type capteur CCD.According to a variant of the invention, the third acquisition means are of the CCD sensor type.
L'invention a aussi pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif compact de spectrométrie selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend :The subject of the invention is also a method for manufacturing a compact spectrometry device according to the invention, characterized in that it comprises:
- la réalisation d'une couche de matériau photosensible ;the production of a layer of photosensitive material;
- l'enregistrement holographique d'un réseau à pas variable dans ladite couche de matériau photosensible par interférences de deux faisceaux optiques d'écriture ; - le couplage avec les premiers moyens de capture du faisceau de lumière ;the holographic recording of a variable pitch network in said layer of photosensitive material by interferences of two optical write beams; coupling with the first means of capturing the light beam;
- le couplage avec lesdits troisièmes moyens d'acquisition.coupling with said third acquisition means.
Selon une variante de l'invention, l'enregistrement holographique est réalisé par interférences d'un premier faisceau convergent et d'un second faisceau divergent de manière à réaliser le réseau de pas variable.According to a variant of the invention, the holographic recording is made by interference of a first convergent beam and a second diverging beam so as to achieve the variable pitch network.
Selon une variante de l'invention, les moyens d'acquisition sont couplés aux seconds moyens par collage. Selon une variante de l'invention, les moyens d'acquisition sont couplés aux seconds moyens par report mécanique et serrage.According to a variant of the invention, the acquisition means are coupled to the second means by gluing. According to a variant of the invention, the acquisition means are coupled to the second means by mechanical transfer and clamping.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :The invention will be better understood and other advantages will become apparent on reading the description which follows given by way of non-limiting example and by virtue of the appended figures among which:
- la figure 1 illustre un exemple de spectromètre selon l'art connu ;FIG. 1 illustrates an example of a spectrometer according to the known art;
- la figure 2 schématise un spectromètre compact selon l'invention ;FIG. 2 schematizes a compact spectrometer according to the invention;
- la figure 3 illustre un exemple de spectromètre selon l'invention ;FIG. 3 illustrates an exemplary spectrometer according to the invention;
- la figure 4 illustre des moyens d'enregistrement d'un réseau « chirpé » utilisé dans un spectromètre selon l'invention.FIG. 4 illustrates means for recording a "chirped" network used in a spectrometer according to the invention.
Le spectromètre selon l'invention comporte comme schématisé en figure 2, des premiers moyens 1 pour capturer et illuminer le spectromètre.The spectrometer according to the invention comprises, as shown diagrammatically in FIG. 2, first means 1 for capturing and illuminating the spectrometer.
Typiquement ces premiers moyens peuvent être de type fibre optique. Cette fibre optique est couplée aux seconds moyens 2 destinés à séparer les composantes spectrales et qui comportent le réseau holographique à pas variable. Des moyens 3 de capture des différentes composantes spectrales sont couplés aux moyens 2 et peuvent typiquement être de type barrette ou matrice CCD.Typically, these first means may be of the optical fiber type. This optical fiber is coupled to the second means 2 for separating the spectral components and which comprise the holographic network with variable pitch. Means 3 for capturing the different spectral components are coupled to the means 2 and can typically be of the CCD array or matrix type.
Selon l'invention, le réseau holographique intègre les fonctions de collimation en direction des moyens de capture permettant de s'affranchir de moyens supplémentaires de collimation.According to the invention, the holographic network integrates the collimation functions in the direction of the capture means making it possible to dispense with additional means of collimation.
Pour ce faire il est proposé d'utiliser un réseau holographique dit « chirpé ».To do this it is proposed to use a so-called "chirped" holographic network.
La technique permettant de réaliser ce type de composant est basée sur une méthode holographique impliquant l'interférence de deux faisceaux gaussiens cohérents sur un substrat recouvert d'une couche de résine photosensible comme décrit dans les articles suivants : C. Budzinski, R.The technique for producing this type of component is based on a holographic method involving the interference of two coherent Gaussian beams on a substrate coated with a layer of photoresist as described in the following articles: C. Budzinski, R.
Grunwald, I. Pinz, D. Schàfer and H. Schόnnagel, " Apodized outcouplers for unstable resonators", SPIE, Vol. 1500, 264-274 (1991 ). J. -F. Lepage, R. Massudi, G. Anctil, S. Gilbert, M. Piché, N. McCarthy, "Apodizing holographie gratings for the modal control of diode lasers", Appl. Opt. 36, 4993-4998 (1997).Grunwald, I. Pinz, D. Schafer and H. Schnnagel, "Apodized outcouplers for unstable resonators", SPIE, Vol. 1500, 264-274 (1991). J.-F. Lepage, R. Massudi, G. Anctil, S. Gilbert, M. Piché, N. McCarthy, "Apodizing Holography gratings for the modal control of diode lasers ", Appl Opt 36, 4993-4998 (1997).
Le "chirp" (ou la variation spatiale du pas) est induit en imposant une courbure supplémentaire au front d'onde d'un des deux faisceaux d'écriture. Ainsi il est proposé dans la présente invention de remplacer des lentilles optiques positionnées classiquement entre le réseau holographique et le détecteur CCD par un réseau holographique dit « chirpé » incorporant la fonction lentille de sortie et ce de manière à pouvoir réaliser une intégration totale de l'ensemble au sein d'un unique dispositif monolithique. Pour ce faire, le bloc optique est une fine couche déposée sur le détecteur et comportant un réseau holographique chirpé dans lequel on a pu enregistrer les fonctions optiques de collimation des lentilles disposées avant et après le réseau. Le fait que le réseau holographique soit chirpé permet ainsi de s'affranchir des composants optiques de collimation traditionnelles (lentilles) qui permettent de focaliser le faisceau sortant de la fibre optique sur le bloc optique et de focaliser les longueurs d'onde de sortie du bloc optique sur le détecteur. En pratique, on utilise les lentilles cylindriques à l'enregistrement du réseau pour pouvoir s'affranchir de ses fonctions, les fonctions collimation sont ainsi directement enregistrées dans le réseau.The "chirp" (or the spatial variation of the pitch) is induced by imposing an additional curvature on the wavefront of one of the two writing beams. Thus, it is proposed in the present invention to replace optical lenses conventionally positioned between the holographic grating and the CCD detector by a so-called "chirped" holographic grating incorporating the output lens function and this so as to be able to achieve a total integration of the together within a single monolithic device. To do this, the optical block is a thin layer deposited on the detector and having a chirped holographic network in which it was possible to record the optical collimation functions of the lenses arranged before and after the network. The fact that the holographic grating is chirped thus makes it possible to dispense with conventional optical collimation components (lenses) that make it possible to focus the beam coming out of the optical fiber on the optical block and to focus the output wavelengths of the block optical on the detector. In practice, the cylindrical lenses are used to record the network in order to be freed from its functions, the collimation functions are thus directly recorded in the network.
Exemple de réalisation d'un spectromètre compact selon l'invention :Exemplary embodiment of a compact spectrometer according to the invention
La figure 3 illustre un premier mode de réalisation de l'invention d'un spectromètre compact. Ce dispositif est essentiellement constitué par : - une fibre optique 10 destinée à collecter et guider la lumière ;Figure 3 illustrates a first embodiment of the invention of a compact spectrometer. This device consists essentially of: an optical fiber intended to collect and guide the light;
- un bloc optique 20 dans lequel est inscrit holographiquement un réseau en volume ;an optical unit 20 in which a volume network is holographically registered;
- un détecteur 30 des différentes longueurs d'onde de sortie.a detector 30 of different output wavelengths.
Le bloc optique est un bloc de matériau photosensible qui a pour fonction de séparer et guider les différentes longueurs d'onde du faisceau entrant. Un des moyens de réalisation de ce bloc peut être, par exemple, l'utilisation de deux lames 21 et 22 de verre espacées d'une épaisseur au moins égale au diamètre de cœur de la fibre optique comme illustré en figure 3. La fibre optique étant glissée entre ces deux lames, un matériau photosensible 23 peut être coulé entre les lames et l'ensemble, ou le réseau seul, peut être ensuite enregistré holographiquement.The optical block is a block of photosensitive material whose function is to separate and guide the different wavelengths of the incoming beam. One of the embodiments of this block may be, for example, the use of two blades 21 and 22 spaced apart glass of a thickness at least equal to the core diameter of the optical fiber as shown in Figure 3. The optical fiber being slipped between these two blades, a material photosensitive 23 may be cast between the blades and the assembly, or the network alone, can then be recorded holographically.
Nous allons décrire ci-après un exemple de technique d'enregistrement permettant de réaliser au sein de la couche photosensible un réseau « chirpé ».We will describe below an example of recording technique to achieve within the photosensitive layer a network "chirped".
Dans le cas d'un spectromètre fonctionnant dans le domaine visible dans la bande de longueurs d'onde : 400nm - 600nm, on est amené à définir un pas moyen de réseau d'enregistrement : Pour que les longueurs d'onde sortent perpendiculairement au sens de propagation du faisceau dans le bloc optique, la période que l'on enregistre est donc égale à l'expression suivante :In the case of a spectrometer operating in the visible range in the wavelength band: 400 nm - 600 nm, it is necessary to define an average recording network step: so that the wavelengths leave perpendicular to the direction of propagation of the beam in the optical block, the period that is recorded is therefore equal to the following expression:
pour la longueur d'onde minimale ;for the minimum wavelength;
pour la longueur d'onde maximale ;
Figure imgf000009_0001
for the maximum wavelength;
Figure imgf000009_0001
λmoyenλmoyen
Λmoyen =Λmean =
- pour la longueur d'onde moyenne. z,nxsi •n — π - for the average wavelength. z, nxsi • n - π
44
Les angles d'enregistrement du pas moyen du réseau θs et ©R sont définis tels que :The recording angles of the mean network pitch θs and © R are defined as:
Figure imgf000009_0002
Figure imgf000009_0002
ΘS = ΘR --ΘS = ΘR -
22
Où λi est la longueur d'onde d'inscription et n est l'indice moyen du matériau. θs et ΘR sont les angles d'incidence respectifs des ondes sphériques R et S. Les angles min et max des ondes sphériques R et S sont définis par :
Figure imgf000010_0001
Where λi is the inscription wavelength and n is the average index of the material. θ s and Θ R are the respective angles of incidence of the spherical waves R and S. The min and max angles of the spherical waves R and S are defined by:
Figure imgf000010_0001
— π
Figure imgf000010_0002
- π
Figure imgf000010_0002
Les deux ondes sphériques R et S respectivement convergentes et divergentes comme schématisées en figure 4 permettent de réaliser l'enregistrement. Ces ondes R et S se propagent dans le bloc 20 de matériau photosensible de façon à former un angle de 45° entre l'axe Ox et l'axe Oy.The two spherical waves R and S respectively convergent and divergent as shown diagrammatically in FIG. 4 make it possible to perform the recording. These R and S waves propagate in the block 20 of photosensitive material so as to form an angle of 45 ° between the axis Ox and the axis Oy.
Les plans des strates sont à 45° par rapport à l'axe Ox. Les points R et S sont dans le plan focal de lentilles cylindriques.The planes of the strata are at 45 ° to the Ox axis. The points R and S are in the focal plane of cylindrical lenses.
Le matériau photosensible en volume reçoit une onde sphérique S avec un angle d'incidence moyen θs et une onde sphérique R avec un angle d'incidence moyen ΘR comme définit précédemment.The volume-sensitive material receives a spherical wave S with a mean angle of incidence θ s and a spherical wave R with a mean angle of incidence Θ R as previously defined.
Le réseau enregistré dans le bloc optique 20 est ensuite couplé sur le détecteur 30 de telle manière que les points A et B correspondant aux longueurs d'onde minimale et maximale soient fixés aux deux extrémités du détecteur. Un des moyens de coupler le détecteur peut être d'utiliser un collage ou encore de rapporter la pièce par différentes techniques de mécanique (vissage, contrainte par serrage, indexation, etc.).The grating recorded in the optical block 20 is then coupled to the detector 30 so that points A and B corresponding to the minimum and maximum wavelengths are attached to both ends of the detector. One of the means of coupling the detector may be to use a bonding or to report the piece by different mechanical techniques (screwing, clamping stress, indexing, etc.).
Avantageusement, la séparation spatiale du spectre de la lumière capturée, réalisée par le bloc optique, est linéaire. Avantageusement, le réseau holographique dit « chirpé » enregistré comprend des strates successives qui peuvent être à faces parallèles entre elles et étant inclinées par rapport à l'axe longitudinal du bloc pour renvoyer les rayons vers le détecteur. Avantageusement, le capteur CCD couplé au réseau holographique de diffraction peut être de type linéaire ou matriciel.Advantageously, the spatial separation of the spectrum of the captured light, carried out by the optical block, is linear. Advantageously, the holographic grating known as "chirped" comprises successive layers which may have faces parallel to one another and being inclined with respect to the longitudinal axis of the block in order to return the rays to the detector. Advantageously, the CCD sensor coupled to the holographic diffraction grating may be of linear or matrix type.
Dans le cas d'utilisation d'un réseau matriciel, il est possible d'enregistrer des réseaux avec des chemins optiques particuliers pour augmenter le couplage avec le capteur matriciel, ce qui permet d'obtenir une meilleure résolution par augmentation du chemin optique parcouru.In the case of use of a matrix network, it is possible to record networks with particular optical paths to increase the coupling with the matrix sensor, which makes it possible to obtain a better resolution by increasing the optical path traveled.
L'invention présente notamment un intérêt dans le cadre d'architecture secondaire comprenant un dispositif d'éclairage de l'objet, typiquement par exemple une diode électroluminescente « LED » à une longueur d'onde spécifique par rapport à l'objet désiré, dont on souhaite capturer le spectre lumineux. The invention particularly has an interest in the secondary architecture framework comprising a device for illuminating the object, typically for example a light-emitting diode "LED" at a specific wavelength relative to the desired object, whose we want to capture the light spectrum.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif compact de spectrométrie comportant des premiers moyens (10) pour capturer un faisceau lumineux émis depuis une source lumineuse multi-spectrale, des seconds moyens (20) pour séparer les différentes composantes spectrales dudit faisceau et des troisièmes moyens (30) pour acquérir lesdites composantes caractérisé en ce que les premiers moyens, les seconds moyens et les troisièmes sont intégrés dans un même composant monolithique comportant un axe longitudinal, les seconds moyens comportant en outre une structure de réseau présentant un pas variable selon ledit axe longitudinal de manière à réaliser une fonction de focalisation des différentes composantes spectrales sur lesdits troisièmes moyens d'acquisition et les troisièmes moyens étant empilés à la surface des seconds moyens.A compact spectrometry device comprising first means (10) for capturing a light beam emitted from a multi-spectral light source, second means (20) for separating the different spectral components of said beam and third means (30) to acquire said components characterized in that the first means, the second means and the third are integrated in the same monolithic component comprising a longitudinal axis, the second means further comprising a network structure having a variable pitch along said longitudinal axis so as to achieve a function of focusing the different spectral components on said third acquisition means and the third means being stacked on the surface of the second means.
2. Dispositif compact de spectrométrie selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le réseau intègre des fonctions de collimation en direction des moyens d'acquisition desdites composantes spectrales permettant de s'affranchir de moyens supplémentaires de collimation.2. Compact spectrometry device according to claim 1, characterized in that the network integrates collimation functions towards the acquisition means of said spectral components to overcome additional means of collimation.
3. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les premiers moyens pour capturer le faisceau lumineux comportent un guide optique.3. compact spectrometry device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the first means for capturing the light beam comprise an optical guide.
4. Dispositif compact de spectrométrie selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premiers moyens pour capturer le faisceau lumineux comportent une fibre optique.4. Compact spectrometry device according to claim 3, characterized in that the first means for capturing the light beam comprise an optical fiber.
5. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le composant monolithique comporte deux lames (21 ,22) insérant au moins une partie du guide optique5. compact spectrometry device according to one of claims 3 or 4, characterized in that the monolithic component comprises two blades (21, 22) inserting at least a portion of the optical guide
(10) et un matériau photosensible (23) pour séparer les composantes spectrales. (10) and a photosensitive material (23) for separating the spectral components.
6. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les seconds moyens pour séparer les composantes spectrales comprennent un film de matériau photosensible.6. Compact spectrometry device according to one of claims 1 to 5 characterized in that the second means for separating the spectral components comprise a film of photosensitive material.
7. Dispositif compact de spectrométrie selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau photosensible comporte un polymère.7. compact spectrometry device according to claim 6, characterized in that the photosensitive material comprises a polymer.
8. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les seconds moyens pour séparer les composantes spectrales comportent un réseau de strates d'indice optique faisant un angle de l'ordre de 45° avec l'axe longitudinal du composant monolithique.8. Compact spectrometry device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the second means for separating the spectral components comprise an array of optical index plies forming an angle of the order of 45 ° with the longitudinal axis of the monolithic component.
9. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la structure réseau présente un9. Compact spectrometry device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the network structure has a
λmoyenλmoyen
Λmoyen = pas moyen de l'ordre de π avec :Λmiddle = not average of the order of π with:
2«xsin λ moyen : une longueur d'onde moyenne définie dans le domaine des longueurs d'onde d'émission de la source multi-spectrale ; n l'indice optique du matériau.2 "xsin λ mean: a mean wavelength defined in the range of emission wavelengths of the multi-spectral source; n the optical index of the material.
10. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les troisièmes moyens d'acquisition desdites composantes spectrales sont distribués en contact avec lesdits seconds moyens, le long de l'axe longitudinal du composant monolithique.10. compact spectrometry device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the third acquisition means of said spectral components are distributed in contact with said second means, along the longitudinal axis of the monolithic component.
11. Dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les troisièmes moyens d'acquisition sont de type capteur CCD. 11. Compact spectrometry device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the third acquisition means are of the CCD sensor type.
12. Procédé de fabrication d'un dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 1 à 1 1 , caractérisé en ce qu'il comprend :12. A method of manufacturing a compact spectrometry device according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that it comprises:
- la réalisation d'une couche de matériau photosensible ; - l'enregistrement holographique d'un réseau à pas variable dans ladite couche de matériau photosensible par interférences de deux faisceaux optiques d'écriture ;the production of a layer of photosensitive material; the holographic recording of a variable pitch network in said layer of photosensitive material by interferences of two optical write beams;
- le couplage avec les premiers moyens de capture du faisceau de lumière ; - le couplage avec lesdits troisièmes moyens d'acquisition.coupling with the first means of capturing the light beam; coupling with said third acquisition means.
13. Procédé de fabrication d'un dispositif compact de spectrométrie selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'enregistrement holographique est réalisé par interférences d'un premier faisceau convergent et d'un second faisceau divergent de manière à réaliser le réseau de pas variable.13. A method of manufacturing a compact spectrometry device according to claim 12, characterized in that the holographic recording is performed by interference of a first convergent beam and a second diverging beam so as to achieve the network of steps variable.
14. Procédé de fabrication d'un dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 12 ou 13, caractérisé en ce que les moyens d'acquisition sont couplés aux seconds moyens par collage.14. A method of manufacturing a compact spectrometry device according to one of claims 12 or 13, characterized in that the acquisition means are coupled to the second means by gluing.
15. Procédé de fabrication d'un dispositif compact de spectrométrie selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que les moyens d'acquisition sont couplés aux seconds moyens par report mécanique et serrage. 15. A method of manufacturing a compact spectrometry device according to one of claims 12 to 14, characterized in that the acquisition means are coupled to the second means by mechanical transfer and clamping.
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