WO2015181288A1 - Depolarising optical device - Google Patents

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WO2015181288A1
WO2015181288A1 PCT/EP2015/061830 EP2015061830W WO2015181288A1 WO 2015181288 A1 WO2015181288 A1 WO 2015181288A1 EP 2015061830 W EP2015061830 W EP 2015061830W WO 2015181288 A1 WO2015181288 A1 WO 2015181288A1
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WO
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filter
depolarization
optical
filters
reflection
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/061830
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French (fr)
Inventor
Myriam ZERRAD
Claude Amra
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite D'aix Marseille
Centre National D'etudes Spatiales
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique, Universite D'aix Marseille, Centre National D'etudes Spatiales filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/0816—Multilayer mirrors, i.e. having two or more reflecting layers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/201—Filters in the form of arrays

Definitions

  • the present invention relates to a depolarizing optical device. It is common for certain applications including space and / or satellite to ship detectors that will analyze in various ways collected optical flows.
  • optical flows in question here are collected after diffusion or reflection by the environment.
  • the diffusion or the reflection tends to polarize at least partially the light.
  • the polarized portion then has a state of polarization which is a function of the scattering medium and the measurement conditions.
  • a depolarizing optical device disposed upstream of the detector, that is to say a system for depolarizing the incident light, before it is measured by the sensor while maintaining the energy transported.
  • These devices are for example known by the name of polarization scrambler ("polarization scrambler" in English).
  • DOP degree of polarization
  • Optical sensors are followers and integrators, so temporal depolarization is an intrinsic feature of light and can not be easily controlled.
  • temporal depolarization is an intrinsic feature of light and can not be easily controlled.
  • spatial depolarization is another type of depolarization. This is induced by the integration by a single sensor of a multiplicity of distinct polarization states.
  • At least partial depolarization can be achieved by the scattering of light by a suitable rough surface.
  • the object of the present invention is to propose an effective depolarization optical device which makes it possible at least partially to overcome the aforementioned drawbacks.
  • the present invention provides an optical depolarization device, characterized in that it comprises a first and a second filter, the first filter being intended to receive incident light rays and the second filter is intended to receive rays. of light coming from the first filter, wherein the first filter has the same Fresnel coefficients in intensity on the two polarizations s and p and induces a phase shift of ⁇ / 4 between the two polarization modes s and p, in which the second filter of reflection has the same Fresnel coefficients in intensity on the two polarization s and p and induces a phase shift taking equi-distributed values between 0 and 2 ⁇ on the surface of the filter, the two filters being parallel and the proper axes of the second filter of reflection having undergone a rotation of 45 ° with respect to the proper axes of the first reflection filter.
  • the first and second filters are transmission filters each having the same intensity transmission coefficients on the two polarizations s and p.
  • the first and second filters are reflection filters each having the same intensity reflection coefficients on the two polarizations s and p.
  • the second filter is for example made in the form of a specular reflector.
  • the second filter may comprise on its surface areas, each zone inducing a phase shift between 0 and 2 ⁇ , the zones being contiguous to each other on the surface of the filter.
  • the size of said zones is between a fraction of wavelength and several meters.
  • the number of said zones is greater than or equal to two.
  • Each filter is for example substantially plane.
  • each filter is made according to a technique of optical thin-film type.
  • the invention also relates to an on-board detection system, in particular in the space domain and / or the aerial domain, characterized in that it comprises an optical depolarization device as defined above.
  • the invention also relates to a biomedical detection system characterized in that it comprises an optical depolarization device as defined above.
  • the invention further relates to a polarimetric calibration device, characterized in that it comprises an optical depolarization device as defined above.
  • FIG. 1 shows an optical depolarization device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic view from above of the second filter of the depolarization optical device according to the invention
  • FIG. 3 is a diagram making it possible to illustrate the relationships between the clean axes of the filters of the depolarization device
  • FIG. 4 shows a simplified example of a structure of a first filter such as a wedge filter
  • Figures 5 and 6-A and 6-B respectively reproduce in a first and a second table the structural characteristics of such a wedge filter according to the invention.
  • FIG. 1 shows an optical depolarization device 1 according to the invention according to a first embodiment.
  • This depolarization optical device 1 comprises a first 3 and a second 5 reflection filters, for example of square shape and arranged in series.
  • the two filters 3 and 5 are substantially planar.
  • incident light rays 7 are reflected by the first filter 3, then by the second filter 5 before being detected by an optical sensor 9.
  • the first filter 3 receives incident light rays. 7 and the second filter receives light rays 7 coming from the first filter 3.
  • the first reflection filter 3 has the same coefficients of
  • the second reflection filter 5 has the same Fresnel coefficients, that is to say the same reflection coefficient, in intensity on the two polarizations s and p and induces a phase shift between the two polarizations s and p which is a function of the position on the filter.
  • the phase shift introduced covers the range 0-2 ⁇ with spatial variations that can be defined according to a function (linear for example or according to any other distribution function), or in a random or pseudo-random manner.
  • the two filters 3 and 5 are parallel and the proper axes of the second reflection filter 5 have undergone a rotation of 45 ° with respect to the proper axes of the first reflection filter 3.
  • the second filter 5 is in the form of a specular reflector. More precisely, the incident light is completely reflected without loss of energy and the reflected rays have undergone different phase shifts in each zone of the reflected beam. All these rays are then integrated together by the sensor.
  • the filter 5 comprises on its surface areas z, i and j being natural numbers.
  • each zone z is represented by way of example as a small square, the zones z being contiguous with each other on the surface of the filter.
  • Each zone z induces on the light incident on this second filter 5 a phase difference between 0 and 2 ⁇ .
  • the distribution of the phase difference between the various zones z is arbitrary (random, pseudo-random or following a function), but covers the whole of the interval between 0 and 2 ⁇ with equi-distributed values over this interval.
  • the size of said zones z is between a fraction of wavelength and several meters (this one is to be defined according to the intended application) and the number of said zones z is greater than or equal to two.
  • Each of the filters 3 and 5 can be produced by optical thin film type techniques.
  • interference filters evaporation, electron gun, sputtering, magnetron, plasma, gel-sol techniques, which are closer to chemistry, or which do not require vacuum,
  • the deposits can also be replaced by diffractive optics, or micro-optics, photonic crystals or metamaterials, or even volume and holographic filters
  • ⁇ / 4
  • This filter is intended to balance the energy between the states s 2 and p 2 of polarization which are the proper axes of the filter 5 (parallel to x 2 and y 2 ).
  • the two filters have their own axes (ie the reference frame in which are defined all the quantities in question - field, phase shift, reflection coefficient, etc.) offset by a rotation of 45 ° as shown in FIG. the marks (O ⁇ and (0 2 x 2 , y 2 ), so that the axis x 2 is between the axis x i and the axis y r
  • the direction of rotation has no influence that This field El just reflected by the first filter 3 can be written for all (x 2 , y 2 ) in the second frame of the second filter 5 as follows: for a polarization s:
  • E'IP (x 2 , y 2 ) - E 1P (x 2 , y 2 ) - E 1S (x 2 , y 2 )
  • E 2S (- ⁇ ) - E 1S ( x 2> y 2) - r 2s ( x 2 ⁇ 2) + - E 1P ( x 2 - Y 2) - r 2s ( x 2 - Vl) for a polarization p:
  • E 2P (x 2 , y 2 ) - E 1P (X 2 , y 2 ) .r 2 p (x 2 , y 2 ) - E 1S (x 2 , y 2 ) .r 2P (x 2 , y 2) )
  • the local fields are defined in the same way at the level of the sensor 9, but this integrating the sum of the fields, the degree of polarization measured is zero.
  • ⁇ ⁇ is the polarization rate of the light arriving on the filter
  • the reflection on the two filters 3 and 5 completely depolarizes any incident light whose polarized portion is polarized in a linear manner, without loss of energy and without deformation of the wavefront. Indeed, the sensor 9 sees only depolarized light.
  • the first filter 3 by a blade ⁇ / 8 which exists commercially and the second filter 5 by a wedge filter formed of a stack of thin layers, which satisfies the equations posed above.
  • FIG. 4 shows a simplified one-dimensional diagram of a wedge filter, with a multitude of superposed layers (C 1 to C 10) each having their specific refractive index n and whose thickness is constant or increases linearly as a function of abscissa x. It was limited to ten layers for illustration purposes, but of course "can be considered a much higher number of layers.
  • FIGS. 5 and 6-A and 6-B reproduce in a first and a second table the structural characteristics of such a wedge filter which has the same Fresnel coefficients, that is to say in this case the same reflection coefficient, in intensity on the two polarizations s and p and induces a phase shift of ⁇ / 4 between the two modes of polarization s and p.
  • this wedge filter is composed of a stack of fifty-four individual layers, each layer having a refractive index N determined.
  • the stacking can be done by deposition of thin layers as described above.
  • the depolarization device 1 described above finds, for example, an application in an on-board detection system, particularly in the space and / or aerial domain, for example for a space application or for aerial surveillance of land surfaces or a system biomedical detection.
  • the reflection filters 3 and 5 can be replaced by transmission filters having properties similar to those of the reflection filters, but this time in transmission. It is therefore understood that by the two filters we obtain a depolarization device robust, simple to implement and very effective so that one could qualify the device according to the invention depolariser "perfect” or "near perfect”.

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Abstract

The invention concerns a depolarising optical device (1), characterised in that it comprises a first filter (3) and a second filter (5), the first filter (3) being intended to receive incident light rays and the second filter (5) being intended to receive light rays coming from the first filter (3), in which the first filter (3) has the same Fresnel intensity coefficients over both the s- and p- polarisations and induces a phase shift of π/4 between the two s- and p- polarisation modes, in which the second reflection filter (5) has the same Fresnel intensity coefficients over both the s- and p- polarisations and induces a phase shift that takes values distributed evenly between 0 and 2π on the surface of the filter, the two filters (3, 5) being parallel and the axes specific to the second reflection filter (5) having been rotated 45° relative to the axes specific to the first reflection filter (3).

Description

Dispositif optique dépolarisant  Depolarizing optics
La présente invention concerne un dispositif optique dépolarisant. II est courant pour certaines applications notamment spatiales et/ou satellitaires d'embarquer des détecteurs qui analyseront de diverses manières des flux optiques collectés. The present invention relates to a depolarizing optical device. It is common for certain applications including space and / or satellite to ship detectors that will analyze in various ways collected optical flows.
Les flux optiques dont il est question ici sont collectés après diffusion ou réflexion par l'environnement.  The optical flows in question here are collected after diffusion or reflection by the environment.
Or, la diffusion ou la réflexion tend à polariser au moins partiellement la lumière. La partie polarisée présente alors un état de polarisation qui est fonction du milieu diffusant et des conditions de mesure.  However, the diffusion or the reflection tends to polarize at least partially the light. The polarized portion then has a state of polarization which is a function of the scattering medium and the measurement conditions.
Cependant, la polarisation partielle voir complète de cette lumière influe sur les grandeurs mesurées et peut induire l'interprétation des résultats en erreur.  However, the partial or complete polarization of this light influences the measured quantities and can induce the interpretation of the results in error.
C'est pourquoi on cherche à utiliser un dispositif optique dépolarisant disposé en amont du détecteur, c'est-à-dire un système permettant de dépolariser la lumière incidente, avant qu'elle soit mesurée par le capteur tout en conservant l'énergie transportée. Ces dispositifs sont par exemple connus sous le nom de brouilleur de polarisation (« polarisation scrambler » en anglais).  Therefore, it is sought to use a depolarizing optical device disposed upstream of the detector, that is to say a system for depolarizing the incident light, before it is measured by the sensor while maintaining the energy transported. . These devices are for example known by the name of polarization scrambler ("polarization scrambler" in English).
Pour quantifier le degré de polarisation de lumière, il a été défini un paramètre DOP (degré de polarisation) pouvant prendre des valeurs dans un intervalle compris entre [0,1] qui a la particularité que DOP = 1 pour une lumière complètement polarisée et DOP=0 pour une lumière complètement dépolarisée.  To quantify the degree of polarization of light, it has been defined a DOP (degree of polarization) parameter that can take values in an interval between [0,1] which has the particularity that DOP = 1 for a completely polarized light and DOP = 0 for a completely depolarized light.
A ce jour, différents dispositifs optiques de dépolarisation sont connus. Ainsi on connaît des brouilleurs temporels de polarisation qui fonctionnent sur la base d'éléments optiques en mouvement ou de l'utilisation de cristaux liquides. Ces brouilleurs tendent à obtenir un DOP =0 selon une moyenne temporelle To date, different optical depolarization devices are known. Thus, temporal polarization jammers are known which operate on the basis of moving optical elements or the use of liquid crystals. These jammers tend to obtain a DOP = 0 according to a temporal average
Toutefois, de tels brouilleurs temporels de polarisation ne sont pas adaptés pour une application spatiale.  However, such temporal polarization jammers are not suitable for a spatial application.
Même pour une application terrestre, par exemple dans le domaine biomédical, le fait qu'il y a des éléments optiques en mouvement nécessitent un contrôle et une maintenance continue de sorte que de tels brouilleurs ne sont pas aisés à utiliser.  Even for terrestrial applications, for example in the biomedical field, the fact that there are moving optical elements requires continuous control and maintenance so that such jammers are not easy to use.
Les capteurs optiques sont suiveurs et intégrateurs, de ce fait, la dépolarisation temporelle est une caractéristique intrinsèque de la lumière et ne peut être contrôlée facilement. Il existe cependant un autre type de dépolarisation : la dépolarisation spatiale. Celle-ci est induite par l'intégration par un unique capteur d'une multiplicité d'états de polarisation distincts.  Optical sensors are followers and integrators, so temporal depolarization is an intrinsic feature of light and can not be easily controlled. There is, however, another type of depolarization: spatial depolarization. This is induced by the integration by a single sensor of a multiplicity of distinct polarization states.
Ainsi, on peut obtenir une dépolarisation au moins partielle par la diffusion de la lumière par une surface rugueuse appropriée.  Thus, at least partial depolarization can be achieved by the scattering of light by a suitable rough surface.
L'article "Polarization scramblers in Earth observing spectrometers: lessons learned from Sentinel-4 and 5 phases A/Bl" Jérôme Caron et al. Proceedings ICSO 2012, décrit également deux brouilleurs de polarisation connus sous le nom de MERIS SCRAMBLER et DUAL BABINET SCRAMBLER. Il s'agit d'un pseudo brouillage basé sur un changement d'état de polarisation lors de la propagation de la lumière dans des coins par exemple de silice biréfringente.  The article "Polarization scramblers in Earth observing spectrometers: lessons learned from Sentinel-4 and 5 phases A / Bl" Jérôme Caron et al. Proceedings ICSO 2012 also describes two polarization jammers known as MERIS SCRAMBLER and DUAL BABINET SCRAMBLER. This is a pseudo scrambling based on a change of polarization state during the propagation of light in corners for example of birefringent silica.
Cependant, en sortie de ces brouilleurs, on obtient de faisceaux multiples ce qui est un inconvénient dans le cadre de la détection par un capteur. Pour le DUAL BABINET SCRAMBLER, de fortes variations spectrales ont été observées. La présente invention a pour objet de proposer un dispositif optique de dépolarisation efficace qui permet de pallier au moins partiellement aux inconvénients précités. However, at the output of these jammers, multiple beams are obtained which is a disadvantage in the context of detection by a sensor. For the DUAL BABINET SCRAMBLER, strong spectral variations were observed. The object of the present invention is to propose an effective depolarization optical device which makes it possible at least partially to overcome the aforementioned drawbacks.
A cet effet, la présente invention propose un dispositif optique de dépolarisation, caractérisé en ce qu'il comprend un premier et un second filtres, le premier filtre étant destiné à recevoir des rayons de lumière incidents et le second filtre est destiné à recevoir des rayons de lumière venant du premier filtre, dans lequel le premier filtre possède les mêmes coefficients de Fresnel en intensité sur les deux polarisations s et p et induit un déphasage de π/4 entre les deux modes de polarisation s et p, dans lequel le second filtre de réflexion présente les mêmes coefficients de Fresnel en intensité sur les deux polarisation s et p et induit un déphasage prenant des valeurs équi-réparties entre 0 et 2π sur la surface du filtre, les deux filtres étant parallèles et les axes propres du deuxième filtre de réflexion ayant subis une rotation de 45° par rapport aux axes propres du premier filtre de réflexion. For this purpose, the present invention provides an optical depolarization device, characterized in that it comprises a first and a second filter, the first filter being intended to receive incident light rays and the second filter is intended to receive rays. of light coming from the first filter, wherein the first filter has the same Fresnel coefficients in intensity on the two polarizations s and p and induces a phase shift of π / 4 between the two polarization modes s and p, in which the second filter of reflection has the same Fresnel coefficients in intensity on the two polarization s and p and induces a phase shift taking equi-distributed values between 0 and 2π on the surface of the filter, the two filters being parallel and the proper axes of the second filter of reflection having undergone a rotation of 45 ° with respect to the proper axes of the first reflection filter.
Ainsi, on obtient un dispositif de dépolarisation efficace, ceci sans mouvements mécaniques et sans modification apparente du front d'onde.  Thus, an effective depolarization device is obtained without mechanical movements and without apparent modification of the wavefront.
Le dispositif selon l'invention peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :  The device according to the invention may furthermore have one or more of the following characteristics taken alone or in combination:
Selon un mode de réalisation, les premier et second filtres sont des filtres de transmission possédant chacun les mêmes coefficients de transmission en intensité sur les deux polarisations s et p.  According to one embodiment, the first and second filters are transmission filters each having the same intensity transmission coefficients on the two polarizations s and p.
Selon un autre mode de réalisation, les premier et second filtres sont des filtres de réflexion possédant chacun les mêmes coefficients de réflexion en intensité sur les deux polarisations s et p. Le second filtre est par exemple réalisé sous la forme d'un réflecteur spéculaire. According to another embodiment, the first and second filters are reflection filters each having the same intensity reflection coefficients on the two polarizations s and p. The second filter is for example made in the form of a specular reflector.
Le second filtre peut comprendre à sa surface des zones, chaque zone induisant un déphasage compris entre 0 et 2ττ, les zones étant contigùes les unes aux autres sur la surface du filtre. The second filter may comprise on its surface areas, each zone inducing a phase shift between 0 and 2ττ, the zones being contiguous to each other on the surface of the filter.
Selon un aspect, la taille desdites zones est comprise entre une fraction de longueur d'onde et plusieurs mètres. In one aspect, the size of said zones is between a fraction of wavelength and several meters.
Selon un autre aspect le nombre desdites zones est supérieur ou égal à deux. Chaque filtre est par exemple sensiblement plan. In another aspect, the number of said zones is greater than or equal to two. Each filter is for example substantially plane.
Selon encore un autre aspect, chaque filtre est réalisé selon une technique de type couches minces optiques. According to yet another aspect, each filter is made according to a technique of optical thin-film type.
L'invention concerne également un système de détection embarqué, notamment dans le domaine spatial et / ou le domaine aérien caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique de dépolarisation tel que défini ci-dessus. The invention also relates to an on-board detection system, in particular in the space domain and / or the aerial domain, characterized in that it comprises an optical depolarization device as defined above.
L'invention concerne également un système de détection biomédical caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique de dépolarisation tel que défini ci-dessus. L'invention concerne en outre un dispositif d'étalonnage polarimétrique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique de dépolarisation tel que défini ci-dessus. The invention also relates to a biomedical detection system characterized in that it comprises an optical depolarization device as defined above. The invention further relates to a polarimetric calibration device, characterized in that it comprises an optical depolarization device as defined above.
D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description de l'invention, ainsi que des figures suivantes sur lesquelles :  Other advantages and characteristics will appear on reading the description of the invention, as well as the following figures in which:
la figure 1 montre un dispositif optique de dépolarisation selon l'invention, la figure 2 montre une vue schématique de dessus du deuxième filtre du dispositif optique de dépolarisation selon l'invention, FIG. 1 shows an optical depolarization device according to the invention, FIG. 2 shows a schematic view from above of the second filter of the depolarization optical device according to the invention,
la figure 3 est un schéma permettant d'illustrer les relations entre les axes propres des filtres du dispositif de dépolarisation,  FIG. 3 is a diagram making it possible to illustrate the relationships between the clean axes of the filters of the depolarization device,
la figure 4 montre un exemple simplifié d'une structure d'un premier filtre comme un filtre en coin,  FIG. 4 shows a simplified example of a structure of a first filter such as a wedge filter,
les figures 5 ainsi que 6-A et 6-B reproduisent respectivement dans un premier et un second tableau les caractéristiques structurelles d'un tel filtre en coin conforme à l'invention.  Figures 5 and 6-A and 6-B respectively reproduce in a first and a second table the structural characteristics of such a wedge filter according to the invention.
Sur toutes les figures, les éléments identiques portent les mêmes numéros de référence.  In all the figures, the identical elements bear the same reference numbers.
La figure 1 montre un dispositif optique de dépolarisation 1 selon l'invention selon un premier mode de réalisation.  FIG. 1 shows an optical depolarization device 1 according to the invention according to a first embodiment.
Ce dispositif optique de dépolarisation 1 comprend un premier 3 et un second 5 filtres de réflexion, par exemple de forme carrée et disposés en série. Les deux filtres 3 et 5 sont sensiblement plans. Comme on le voit sur la figure 1 , des rayons lumineux incidents 7 sont réfléchis par le premier filtre 3, puis par le second filtre 5 avant d'être détectés par un capteur optique 9. Ainsi, le premier filtre 3 reçoit des rayons lumineux incidents 7 et le second filtre reçoit des rayons de lumineux 7 venant du premier filtre 3. Le premier filtre de réflexion 3 possède les mêmes coefficients de This depolarization optical device 1 comprises a first 3 and a second 5 reflection filters, for example of square shape and arranged in series. The two filters 3 and 5 are substantially planar. As can be seen in FIG. 1, incident light rays 7 are reflected by the first filter 3, then by the second filter 5 before being detected by an optical sensor 9. Thus, the first filter 3 receives incident light rays. 7 and the second filter receives light rays 7 coming from the first filter 3. The first reflection filter 3 has the same coefficients of
Fresnel, c'est-à-dire dans le présent cas le même coefficient de réflexion, en intensité sur les deux polarisations s et p et induit un déphasage de π/4 entre les deux modes de polarisation s et p. Le second filtre de réflexion 5 présente les mêmes coefficients de Fresnel, c'est-à-dire le même coefficient de réflexion, en intensité sur les deux polarisations s et p et induit un déphasage entre les deux polarisations s et p qui est fonction de la position sur le filtre. Le déphasage introduit couvre la plage 0 - 2π avec des variations spatiales qui pourront être définies selon une fonction (linéaire par exemple ou suivant tout autre fonction de répartition), ou de manière aléatoire ou pseudo-aléatoire. Fresnel, that is to say in the present case the same reflection coefficient, in intensity on the two polarizations s and p and induces a phase shift of π / 4 between the two modes of polarization s and p. The second reflection filter 5 has the same Fresnel coefficients, that is to say the same reflection coefficient, in intensity on the two polarizations s and p and induces a phase shift between the two polarizations s and p which is a function of the position on the filter. The phase shift introduced covers the range 0-2π with spatial variations that can be defined according to a function (linear for example or according to any other distribution function), or in a random or pseudo-random manner.
Les deux filtres 3 et 5 sont parallèles et les axes propres du deuxième filtre de réflexion 5 ont subis une rotation de 45° par rapport aux axes propres du premier filtre de réflexion 3. The two filters 3 and 5 are parallel and the proper axes of the second reflection filter 5 have undergone a rotation of 45 ° with respect to the proper axes of the first reflection filter 3.
Le second filtre 5 est réalisé sous la forme d'un réflecteur spéculaire. Plus précisément, la lumière incidente est complètement réfléchie sans perte d'énergie et les rayons réfléchis ont subi des déphasages différents en chaque zone du faisceau réfléchi. Tous ces rayons sont ensuite intégrés ensemble par le capteur. The second filter 5 is in the form of a specular reflector. More precisely, the incident light is completely reflected without loss of energy and the reflected rays have undergone different phase shifts in each zone of the reflected beam. All these rays are then integrated together by the sensor.
A cet effet, comme on le voit sur la figure 2 schématiquement représenté, le filtre 5 comprend à sa surface des zones z , i et j étant des nombres naturels. Ici sur la figure 2, chaque zone z est représenté à titre d'exemple comme un petit carré, les zones z étant contigùes les unes aux autres sur la surface du filtre. For this purpose, as shown in Figure 2 schematically shown, the filter 5 comprises on its surface areas z, i and j being natural numbers. Here in FIG. 2, each zone z is represented by way of example as a small square, the zones z being contiguous with each other on the surface of the filter.
Chaque zone z induit sur la lumière incidente sur ce second filtre 5 un déphasage compris entre 0 et 2π. La répartition du déphasage entre les diverses zones z est quelconque (aléatoire, pseudo-aléatoire ou suivant une fonction), mais couvre l'ensemble de l'intervalle compris entre 0 et 2π avec des valeurs équi-réparties sur cet intervalle. La taille des dites zones z est comprise entre une fraction de longueur d'onde et plusieurs mètres (celle-ci est à définir en fonction de l'application visée) et le nombre desdites zones z est supérieure ou égal à deux. Chacun des filtres 3 et 5 peut être réalisé par des techniques de type couches minces optiques. Each zone z induces on the light incident on this second filter 5 a phase difference between 0 and 2π. The distribution of the phase difference between the various zones z is arbitrary (random, pseudo-random or following a function), but covers the whole of the interval between 0 and 2π with equi-distributed values over this interval. The size of said zones z is between a fraction of wavelength and several meters (this one is to be defined according to the intended application) and the number of said zones z is greater than or equal to two. Each of the filters 3 and 5 can be produced by optical thin film type techniques.
Ainsi on peut citer : Thus we can mention:
- les techniques de réalisation sous vide de filtres interférentiels: évaporation, canon à électrons, pulvérisation, magnetron, plasma..., - les techniques de sol gel, plus proches de la chimie, ou qui ne nécessitent pas le vide, the vacuum production techniques of interference filters: evaporation, electron gun, sputtering, magnetron, plasma, gel-sol techniques, which are closer to chemistry, or which do not require vacuum,
- les dépôts avec masques d'uniformité, mobiles ou immobiles, ou bien à travers des masques, - deposits with masks of uniformity, mobile or immobile, or through masks,
- les dépôts modifiés avec un processus de gravure humide ou réactive, - modified deposits with a wet or reactive etching process,
- les dépôts modifiés avec un éclairement sous flux lumineux - modified deposits with illumination under a luminous flux
- les dépôts impliquant les techniques de lithographie - deposits involving lithography techniques
- les dépôts peuvent aussi être remplacés par des optiques diffractives, ou des micro-optiques, des cristaux photoniques ou des métamatériaux, voire des filtres volumiques, holographiques the deposits can also be replaced by diffractive optics, or micro-optics, photonic crystals or metamaterials, or even volume and holographic filters
- les filtres linéairement variables, - linearly variable filters,
- des dépôts en incidence oblique, - oblique incidence deposits,
- des dépôts sur des échantillons en mouvement (aléatoire ou contrôlé), - une structuration spatiale des empilements - deposits on moving samples (random or controlled), - a spatial structuring of the stacks
Pour comprendre le fonctionnement de l'invention, on considère que la fonction de filtrage du premier filtre 3 est donnée dans son repère (x^ et pour toutes les valeurs x^ yi par pour une polarisation s : ris (x^ = ejSls pour une polarisation p : rip (x^ y = ejSlp . tels que |ôls- δ1ρ| =π/4 To understand the operation of the invention, it is considered that the filter function of the first filter 3 is given in its frame (x ^ and for all the values x ^ y i by for a polarization s: r is (x ^ = e jSls for a polarization p: r ip (x ^ y = e jSlp such that | ô ls - δ 1ρ | = π / 4
Ce filtre a pour objet d'équilibrer l'énergie entre les états s2 et p2 de polarisation qui sont les axes propres du filtre 5 (parallèles à x2 et y2). L'ensemble des états de polarisation pris par le faisceau réfléchi dans un repère (Ο^ x^ y est alors donné par les équations suivantes: pour une polarisation s : Eis (x^ y^ = Eos (x^ y^ ejSls pour une polarisation p : Eip (x^ y = Eop (x^ y^ ejSlp . This filter is intended to balance the energy between the states s 2 and p 2 of polarization which are the proper axes of the filter 5 (parallel to x 2 and y 2 ). The set of polarization states taken by the reflected beam in a frame (Ο ^ x ^ y is then given by the following equations: for a polarization s: E is (x ^ y ^ = E os (x ^ y ^ e jSls for a polarization p: E ip (x ^ y = E op (x ^ y ^ e jSlp .
La fonction de filtrage du second filtre 5 est donnée dans son repère (02 x2, y2) et pour toutes les valeurs x2, y2 comprises entre [0 et L], où L est par exemple une dimension latérale du second filtre 5 par pour une polarisation s : r2s (x2, y2) = e ihs Xl ,yi) pour une polarisation p : r2p (x2, y2) = e ihp Xl ,yi) . The filter function of the second filter 5 is given in its reference (0 2 x 2 , y 2 ) and for all the values x 2 , y 2 between [0 and L], where L is for example a lateral dimension of the second 5 by filter for a polarization s: r 2s (x 2 , y 2 ) = e ihs Xl, yi) for a polarization p: r 2p (x 2 , y 2 ) = e ihp Xl, yi) .
Où les fonctions de répartition f2s et f sont telles que le déphasage δ(χ 2, y2)= lf2p(x2,y2) - f 2s(x 2.y2)l présente des valeurs équi- réparties sur la plage [0-2π]. Un exemple de réalisation serait f2p(x2,y2)=2*7r*x2/L f,Ay,)=o en tout point Where the distribution functions f 2s and f are such that the phase shift δ (χ 2, y 2) = lf 2p (x 2, y 2) - f 2s (x 2 · y 2) l is equitable values spread over the range [0-2π]. An example of realization would be f 2p (x 2 , y 2 ) = 2 * 7r * x 2 / L f, Ay, ) = o in every respect
Les deux filtres ont des axes propres (i.e. le référentiel dans lequel sont définis toutes les grandeurs dont il est question ici - champ, déphasage, coefficient de réflexion....) décalés par une rotation de 45° comme représenté à la figure 3 montrant les repères (O^ et (02 x2, y2), de sorte que l'axe x2 est compris entre l'axe xi et l'axe yr Le sens de rotation n'a pas d'influence que cette application. Le champ El venant d'être réfléchi par le premier filtre 3 peut s'écrire pour tout (x2, y2) dans le second repère du second filtre 5 de la façon suivante : pour une polarisation s : The two filters have their own axes (ie the reference frame in which are defined all the quantities in question - field, phase shift, reflection coefficient, etc.) offset by a rotation of 45 ° as shown in FIG. the marks (O ^ and (0 2 x 2 , y 2 ), so that the axis x 2 is between the axis x i and the axis y r The direction of rotation has no influence that This field El just reflected by the first filter 3 can be written for all (x 2 , y 2 ) in the second frame of the second filter 5 as follows: for a polarization s:
E'is ( -Ύι) =— EIS ( -ΎΙ) +— EIP ( -ΎΙ) pour une polarisation p : E 'is (-Ύι) = - E IS (-ΎΙ) + - E IP (-ΎΙ) for a polarization p:
E'IP (x2,y2) =— E1P (x2,y2)—— E1S (x2,y2) E'IP (x 2 , y 2 ) = - E 1P (x 2 , y 2 ) - E 1S (x 2 , y 2 )
Après réflexion par le filtre 5, le champ E2 s'écrit alors : pour une polarisation s : After reflection by the filter 5, the field E2 is then written: for a polarization s:
E2S ( -Ύΐ) =— E1S (x2>y2)-r2s(x2^2)+— E1P (x2 - Y2)-r2s(x2 - Vl ) pour une polarisation p : E 2S (-Ύΐ) = - E 1S ( x 2> y 2) - r 2s ( x 2 ^ 2) + - E 1P ( x 2 - Y 2) - r 2s ( x 2 - Vl) for a polarization p:
E2P (x2,y2) =— E1P (X2,y2).r2p(x2,y2)—— E1S (x2, y2).r2P(x2,y2) Les champs locaux sont définis de la même manière au niveau du capteur 9, mais celui - ci intégrant la somme des champs, le degré de polarisation mesuré est nul. E 2P (x 2 , y 2 ) = - E 1P (X 2 , y 2 ) .r 2 p (x 2 , y 2 ) - E 1S (x 2 , y 2 ) .r 2P (x 2 , y 2) ) The local fields are defined in the same way at the level of the sensor 9, but this integrating the sum of the fields, the degree of polarization measured is zero.
Plus précisément, le degré de polarisation du champ réfléchi par le second filtre avec la fonction de filtrage définie ci-dessus et détecté par le capteur 9 est donné par : More precisely, the degree of polarization of the field reflected by the second filter with the filtering function defined above and detected by the sensor 9 is given by:
DOP = il - 4- ' L DOP = il - 4- 'L
V (i + A >~  V (i + A> ~
Où βχ est le taux de polarisation de la lumière arrivant sur le filtreWhere β χ is the polarization rate of the light arriving on the filter
5, En calculant le taux de polarisation β{ de cette lumière incidente sur le filtre 5, c'est-à-dire la lumière venant être réfléchie par le premier filtre 3, on trouve que /?, =1 par construction du filtre 3, de sorte que le degré de polarisation DOP =0. 5, By calculating the polarization rate β { of this light incident on the filter 5, that is to say the light that is reflected by the first filter 3, we find that /, = 1 by construction of the filter 3 , so that the degree of polarization DOP = 0.
On comprend donc que la réflexion sur les deux filtres 3 et 5 permet de dépolariser complètement toute lumière incidente dont la partie polarisée est polarisée de façon linéaire, ceci sans perte d'énergie et sans déformation du front d'onde. En effet, Le capteur 9 ne voit que de la lumière dépolarisée. It is therefore understood that the reflection on the two filters 3 and 5 completely depolarizes any incident light whose polarized portion is polarized in a linear manner, without loss of energy and without deformation of the wavefront. Indeed, the sensor 9 sees only depolarized light.
Pour donner un exemple d'une réalisation concrète, on peut par exemple réaliser le premier filtre 3 par une lame λ/8 qui existe dans le commerce et le second filtre 5 par un filtre en coin formé d'un empilement de couches minces, qui satisfait aux équations posées ci- dessus. To give an example of a concrete embodiment, it is possible for example to make the first filter 3 by a blade λ / 8 which exists commercially and the second filter 5 by a wedge filter formed of a stack of thin layers, which satisfies the equations posed above.
La figure 4 montre un schéma simplifié unidimensionnel d'un filtre en coin, avec une multitude de couches superposées (C l à C10) ayant chacune leur indice spécifique de réfraction n et dont l'épaisseur est constante ou augmente linéairement en fonction de l'abscisse x. On s'est limité à dix couches pour des raisons d'illustration, mais bien entendu» on peut envisager un nombre bien supérieur de couches. FIG. 4 shows a simplified one-dimensional diagram of a wedge filter, with a multitude of superposed layers (C 1 to C 10) each having their specific refractive index n and whose thickness is constant or increases linearly as a function of abscissa x. It was limited to ten layers for illustration purposes, but of course "can be considered a much higher number of layers.
Les figures 5 ainsi que 6-A et 6-B reproduisent dans un premier et un second tableau les caractéristiques structurelles d'un tel filtre en coin qui présente les mêmes coefficients de Fresnel, c'est-à-dire dans le présent cas le même coefficient de réflexion, en intensité sur les deux polarisations s et p et induit un déphasage de π/4 entre les deux modes de polarisation s et p. On constate que ce filtre en coin est composé par un empilement de cinquante-quatre couches individuelles, chaque couche possédant un indice, de réfraction N déterminé. FIGS. 5 and 6-A and 6-B reproduce in a first and a second table the structural characteristics of such a wedge filter which has the same Fresnel coefficients, that is to say in this case the same reflection coefficient, in intensity on the two polarizations s and p and induces a phase shift of π / 4 between the two modes of polarization s and p. It can be seen that this wedge filter is composed of a stack of fifty-four individual layers, each layer having a refractive index N determined.
Ainsi, la première couche possède un indice de réfraction de N=l,8, la deuxième couche un indice de réfraction de N=2, l , la troisième couche un indice de réfraction N=l ,45 , la quatrième couche un indice de réfraction de N=2,25 et ainsi de suite. Thus, the first layer has a refractive index of N = 1.8, the second layer has a refractive index of N = 2.1, the third layer has a refractive index of N = 1.45, the fourth layer has a refractive index of refraction of N = 2.25 and so on.
L'empilement peut se faire par dépôt de couches minces tel que décrit ci-dessus. The stacking can be done by deposition of thin layers as described above.
Comme matériau, on peut utiliser des diélectriques classiques en couches minces, comme du Ta O. (M=2, l ), du SiO2 (N=l,45), du PbF, (M- 1 ,8) pour citer quelques exemples. Selon, des technologies récentes, on peut aussi déposer deux matériaux dans des proportions arbitraires pour obtenir l'indice de réfraction souhaité. En combinant ainsi du TaO,. et du SiO ,, on peut obtenir n'importe quel indice compris entre N= 2,1 et 1 ,45. As the material there may be used conventional dielectric thin film, such as Ta O. (M = 2, l) of SiO 2 (N = l, 45) of PbF, (M- 1, 8) to name a few examples. According to recent technologies, it is also possible to deposit two materials in arbitrary proportions to obtain the desired refractive index. By thus combining TaO ,. and SiO 2 can be any index between N = 2.1 and 1.45.
Les figures 6-A et 6-B présentent un second tableau qui montre l'épaisseur de chaque couche individuelle pour une position x donnée, du filtre en coin. Comme l'épaisseur de chaque couche augmente linéairement pour les couches 1 à 7 et est constante pour toutes les autres couches, on a seulement reproduit le tableau pour les valeurs de x= Ou m, 20000nmt 40000nm et 60000nm. Ainsi, la couche 1 (Cl) possède à la position x=0nm une épaisseur de 19t3nm qui augmente pour atteindre 26,0nm pour x= 60000nm, La couche 2 (C2) est déposée que la couche 1 (Cl) et possède à la position x=Gnm une épaisseur de 6 G, On m qui augmente pour atteindre 89,2em pour x= CiOOOOnm. La couche 3 (C3) est déposée que la couche 2 (C2) et possède à la position x-~0nm une épaisseur de 252sOnm. qui augmente pour atteindre 340, 7nm pour x= ôOOOOnm, et ainsi de suite jusqu'à la couche 54 (C54). Figures 6-A and 6-B show a second table showing the thickness of each individual layer for a given position x, of the wedge filter. As the thickness of each layer increases linearly for layers 1 to 7 and is constant for all other layers, the table has only been reproduced for the values of x = 0 m, 20000 nm t 40000 nm and 60000 nm. Thus, the layer 1 (Cl) has at the position x = 0nm a thickness of 19 t 3nm which increases to reach 26.0 nm for x = 60000 nm, The layer 2 (C2) is deposited as the layer 1 (Cl) and has at the position x = Gnm a thickness of 6 G, One m which increases to reach 89.2em for x = CiOOOOnm. The layer 3 (C3) is deposited as the layer 2 (C2) and has at the position x- ~ 0nm a thickness of 252 s Onm. which increases to 340, 7nm for x = 80,000 nm, and so on up to layer 54 (C54).
Bien entendu, il ne s'agit ici qu'un exemple de réalisation pour démontrer la faisabilité de la présente invention. Pour le second filtre 5 bidimensionnel, on obtient aisément la structure des. couches avec leur épaisseur et l'indice de réfraction en résolvant par les moyens de calcul les équations présentées ci-dessus. Of course, this is only an example embodiment to demonstrate the feasibility of the present invention. For the second two-dimensional filter, the structure of the two is easily obtained. layers with their thickness and the refractive index by solving by the means of calculation the equations presented above.
Le dispositif de dépolarisation l décrit ci-dessus trouve par exemple une application dans un système de détection embarqué, notamment dans le domaine spatial et / ou le domaine aérien par exemple pour une application spatiale ou pour la surveillance aérienne des surfaces terrestres ou encore un système de détection biomédical. The depolarization device 1 described above finds, for example, an application in an on-board detection system, particularly in the space and / or aerial domain, for example for a space application or for aerial surveillance of land surfaces or a system biomedical detection.
II peut également être intégré dans un dispositif d'étalonnage polarimétrique afin de faciliter l'étalonnage. Selon une variante, on peut remplacer les filtres de réflexion 3 et 5 par des filtres de transmission ayant des propriétés analogues que celles des filtres de réflexion, mais cette fois en transmission. On comprend donc que par les deux filtres on obtient un dispositif de dépolarisation robuste, simple à mettre en œuvre et très efficace de sorte que l'on pourrait qualifier le dispositif selon l'invention de dépolariseur « parfait » ou « quasi-parfait ». It can also be integrated in a polarimetric calibration device to facilitate calibration. According to one variant, the reflection filters 3 and 5 can be replaced by transmission filters having properties similar to those of the reflection filters, but this time in transmission. It is therefore understood that by the two filters we obtain a depolarization device robust, simple to implement and very effective so that one could qualify the device according to the invention depolariser "perfect" or "near perfect".

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (1) optique de dépolarisation, caractérisé en ce qu'il comprend un premier (3) et un second (5) filtres , le premier filtre (3) étant destiné à recevoir des rayons de lumière incidents et le second filtre (5) est destiné à recevoir des rayons de lumière venant du premier filtre (3), dans lequel le premier filtre (3) possède les mêmes coefficients de Fresnel en intensité sur les deux polarisations s et p et induit un déphasage de π/4 entre les deux modes de polarisation s et p, dans lequel le second filtre de réflexion (5) présente les mêmes coefficients de Fresnel en intensité sur les deux polarisation s et p et induit un déphasage prenant des valeurs équi-réparties entre 0 et 2π sur la surface du filtre, les deux filtres (3, 5) étant parallèles et les axes propres du deuxième filtre de réflexion (5) ayant subis une rotation de 45° par rapport aux axes propres du premier filtre de réflexion (3). 1. Apparatus (1) optical depolarization, characterized in that it comprises a first (3) and a second (5) filters, the first filter (3) being intended to receive incident light rays and the second filter ( 5) is intended to receive rays of light coming from the first filter (3), in which the first filter (3) has the same Fresnel coefficients in intensity on the two polarizations s and p and induces a phase shift of π / 4 between the two polarization modes s and p, in which the second reflection filter (5) has the same Fresnel coefficients in intensity on the two polarizations s and p and induces a phase shift taking equi-distributed values between 0 and 2π on the surface of the filter, the two filters (3, 5) being parallel and the own axes of the second reflection filter (5) having undergone a rotation of 45 ° with respect to the proper axes of the first reflection filter (3).
2. Dispositif optique de dépolarisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier (3) et second (5) filtres sont des filtres de transmission possédant chacun les mêmes coefficients de transmission en intensité sur les deux polarisations s et p. 2. optical depolarization device according to claim 1, characterized in that the first (3) and second (5) filters are transmission filters each having the same intensity transmission coefficients on the two polarizations s and p.
3. Dispositif optique de dépolarisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les premier (3) et second (5) filtres sont des filtres de réflexion possédant chacun les mêmes coefficients de réflexion en intensité sur les deux polarisations s et p. 3. depolarization optical device according to claim 1, characterized in that the first (3) and second (5) filters are reflection filters each having the same intensity reflection coefficients on the two polarizations s and p.
4. Dispositif optique de dépolarisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second filtre (5) est réalisé sous la forme d'un réflecteur spéculaire. 4. depolarization optical device according to claim 3, characterized in that the second filter (5) is in the form of a specular reflector.
5. Dispositif optique de dépolarisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le second filtre (5) comprend à sa surface des zones (z ), chaque zone (z ) induisant un déphasage compris entre 0 et 2π, les zones (z ) étant contigùes les unes aux autres sur la surface du filtre (5). 5. optical depolarization device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the second filter (5) comprises on its surface areas (z), each zone (z) inducing a phase shift between 0 and 2π, the zones (z) being contiguous with each other on the surface of the filter (5).
6. Dispositif optique de dépolarisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que la taille desdites zones (z ) est comprise entre une fraction de longueur d'onde et plusieurs mètres. 6. optical depolarization device according to claim 5, characterized in that the size of said zones (z) is between a fraction of wavelength and several meters.
7. Dispositif optique de dépolarisation selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le nombre desdites zones (z ) est supérieure ou égal à deux. 7. depolarization optical device according to claim 5 or 6, characterized in that the number of said zones (z) is greater than or equal to two.
8. Dispositif optique de dépolarisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque filtre (3, 5) est sensiblement plan. 8. optical depolarization device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that each filter (3, 5) is substantially plane.
9. Dispositif optique de dépolarisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque filtre (3,5) est réalisé selon une technique de type couches minces optiques. 9. depolarization optical device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that each filter (3,5) is made according to an optical thin film type technique.
10. Système de détection embarqué, notamment dans le domaine spatial et / ou le domaine aérien caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 10. On-board detection system, in particular in the space and / or aerial domain, characterized in that it comprises a device (1) according to any one of claims 1 to 9.
11. Système de détection biomédical caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 11. Biomedical detection system characterized in that it comprises a device (1) according to any one of claims 1 to 9.
12. Dispositif d'étalonnage polarimé trique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 12. A polarimetric calibration device, characterized in that it comprises a device (1) according to any one of claims 1 to 9.
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