2.2 Description du banc de mesure
2.2.2 Le spectromètre
2.2.2.2 Le système d’imagerie des miroirs
La combinaison optique d’imagerie : Le système d’imagerie des miroirs projette l’image de l’interférogramme sur le détecteur placé derrière lui. On récupère ensuite dans l’image des zones appelées super-pixels qui fournissent le signal de chaque échantillon de
l’interférogramme. Le système optique doit donc être défini de telle sorte que la conju- gaison entre les miroirs et le détecteur soit possible. En particulier, le grandissement doit permettre d’obtenir les super-pixels dans l’image.
Compte tenu des différences de marche générées par les miroirs, le système d’ima- gerie doit avoir une profondeur de champ suffisante. La profondeur de champ est la capacité d’un système optique à observer une scène dans sa profondeur, c’est-à-dire à pouvoir fournir l’image nette de points situés à des distances différentes. L’image doit rester nette pour toutes les marches des miroirs, de la plus proche à la plus éloignée du système d’imagerie. La profondeur de champ doit donc être de l’ordre de 36 mm. Les dimensions des miroirs à échelettes sont données au paragraphe 2.3.1.1. La profondeur de champ est fonction de l’ouverture et de la longeur focale du sytème. Elle est, en plus du grandissement, un critère de définition important. Le grandissement du système est défini à partir de la dimension des objets et de celle des pixels du détecteur. Dans notre cas, les objets sont des carrés de 4× 4 mm2 formés par le croisement des miroirs à
échelettes. La taille des pixels du détecteur est de 30 µm de côté. Un grandissement de 1/10 permet de conjuguer les objets sur des super-pixels de 13× 13 pixels.
La combinaison optique est obtenue par l’association de deux doublets. Elle est télé- centrique. Le diaphragme de champ est au foyer du deuxième doublet. La télécentricité assure une même gamme d’incidence des faiceaux lumineux pour chaque point image en sortie du système. Les incidences sur le filtre passe-bande placé juste en avant du détecteur sont donc identiques sur toute la surface du filtre. La télécentricité confère de plus au système un grandissement constant avec la profondeur de champ. Le grandisse- ment de la combinaison est fixé par le rapport des longueurs focales des deux doublets. Le diamètre du diaphragme de champ contrôle le champ du système. Le demi-angle au sommet du cône de champ est égal à 3,8 mrad. Pour un satellite en orbite polaire à 700 km d’altitude, le cône de champ intercepte au sol un cercle de diamètre égal à 5 km. La figure 2.5 représente les différents états interférométriques dans le champ. Les calculs sont effectués à la longueur d’onde moyenne de mesure et pour une différence de marche en incidence normale de 6 cm.
Le schéma optique du système d’imagerie, représenté sur la figure 2.6, diffère de celui présenté dans le chapitre précédent (paragraphe 1.2.3.4, figure 1.27). Les miroirs ne sont pas au foyer du premier doublet. Cependant, la fonction principale d’imagerie des échelettes reste assurée. Il a été choisi de ne pas mettre les miroirs au foyer du premier doublet pour des raisons d’encombrement : le système est ainsi plus représentatif d’un instrument embarqué.
La figure 2.7 est une vue resserrée de la combinaison optique entre le diaphragme de champ et le détecteur. Le diaphragme de champ est positionné au foyer du premier doublet. Un obturateur a été rajouté en avant du deuxième doublet. Il sera utilisé pour étalonner l’instrument, en particulier pour déterminer le courant d’obscurité (fond noir). Le tableau 2.2 rassemble les différentes caractéristiques des composants du système d’imagerie de l’interférogramme.
Le filtre passe-bande : La sélection de la bande spectrale se fait en bout de chaîne instrumentale, en avant du détecteur (voir figure 2.7). Le lien entre la largeur de la
−1 −0.5 0 0.5 1 Signal interférometrique −0.003−0.002−0.001 0 0.001 0.002 0.003 Incidence (rad) −0.003 −0.002 −0.001 0 0.001 0.002 0.003 Incidence (rad)
Fig. 2.5 – Interférences dans le champ de la maquette. Les calculs sont effectués pour la longueur d’onde moyenne de mesure (1,6 µm) et pour une différence de marche en incidence normale de 6 cm. On peut se reporter à la figure 1.23 qui représente les interférences dans un champ 4 fois plus grand.
Caractéristiques des composants
Longueur focale du premier doublet 528,6 mm
Diamètre du premier doublet 140 mm
Largeur du diaphragme 4 mm
Longueur focale du deuxième doublet 51,5 mm
Diamètre du deuxième doublet 25 mm
Caractéristiques de la combinaison
Grandissement 1/10
Ouverture numérique ∼ 0,3
Champ sélectionné (demi-angle au sommet) 3,8 mrad
Diamètre de la zone de mesure à 700 km 5 km
Fig.2.6 – Vue d’ensemble de la combinaison optique
bande spectrale de mesure et le pas d’échantillonnage de l’interférogramme a été décrit au paragraphe 1.1.2.2. Le filtre que nous utilisons a une largeur de ∆λ = 5,6 nm autour de λ0 = 1573 nm, soit ∆σ = 22,5 cm−1 autour de σ0 = 6357 cm−1. Il est situé dans
une bande d’absorption du dioxyde de carbone. Il a été réalisé sur mesure pour nos applications. La figure 2.8 montre une superposition du profil du filtre normalisé et de la transmission atmosphérique dans la bande spectrale considérée. Le filtre intercepte près d’une dizaine de raies d’absorption du dioxyde de carbone.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 6340 6345 6350 6355 6360 6365 6370 6375 Transmission Nombre d’onde (cm−1) T atmosphère T filtre
Fig. 2.8 – Profil du filtre passe-bande normalisé, superposé à la transmission de l’atmosphère dans la bande spectrale considérée.
L’application du critère de Shannon-Nyquist, connaissant la largeur de la bande spectrale de mesure ∆σ = 22,5 cm−1
, implique un pas d’échantillonnage maximal de l’interférogramme égal à :
δmaxe = 1
2 ∆σ = 222 µm
La hauteur des petites échelettes doit être au plus de 111 µm géométrique.
Le filtre est réalisé en utilisant la technique du dépôt de couches minces. C’est un filtre interférentiel, dont la transmission sélective est assurée par des interférences à ondes multiples, comparables à celles générées par un interféromètre de Fabry-Pérot. La transmission d’un tel composant présente une périodicité. Le filtre laisse en fait passer plusieurs bandes spectrales. Pour sélectionner correctement le flux incident, un deuxième filtre appelé filtre de réjection est également placé dans le faisceau. Il est situé juste en avant du deuxième doublet (voir la figure 2.1). La transmission d’un filtre interférentiel varie avec l’incidence des rayons incidents. Nous comprenons là l’intêret d’assurer une plage d’incidence des rayons constante pour tous les points du filtre. C’est
ce que fait la combinaison optique télécentrique. De plus, l’incidence moyenne sur le filtre doit être réglée avec soin. Une incidence trop différente de l’incidence normale nominale se traduit par un décalage de la bande passante vers les courtes longueurs d’onde et une dégradation du profil de transmission. Dans ce cas, les mesures ne sont plus correctement centrées sur la bande spectrale d’intérêt. La transmission n’a plus une bande passante aussi nette : les flancs sont beaucoup moins raides et la zone de transmission beaucoup moins plate.
Le filtre de réjection permet d’annuler les rebonds de transmission du filtre passe- bande. C’est également un filtre passe-bande, mais il est plus large, de manière à ne pas affecter la transmission de l’autre. L’association des deux filtres donne finalement la fenêtre spectrale de mesure. Le tableau 2.3 récapitule les principales caractéristiques du filtre passe-bande étroit.
Filtre passe-bande
Nombre d’onde central 6357 cm−1
Longueur d’onde centrale 1573 nm
Largeur de la bande spectrale 22,5 cm−1
5,6 nm
Tab. 2.3 – Caractéristiques du filtre passe-bande étroit
Le détecteur matriciel : Le détecteur est une matrice d’InGaAs, un semi conducteur composé d’indium, de gallium et d’arsenic. Les propriétés de celui-ci sont connues pour la détection dans le proche infrarouge. Les détecteurs InGaAs sont largement utilisés dans les bandes télécom (autour de 1550 nm). Un tel composant correspond bien à notre besoin de mesure autour de 1573 nm.
La matrice du détecteur est une matrice 256×320 pixels (on en récupère exactement 251× 318). La taille des pixels est de 30 µm de côté. Le facteur de grandissement du système optique détermine le nombre de pixels dans l’image de chaque zone appelée super-pixel. Dans notre cas, un super-pixel comprend 13× 13 pixels. On passe d’une zone de 4× 4 mm2 sur les miroirs à une zone d’environ 0,4× 0,4 mm2 sur le détecteur.
Le grandissement du système est de 1/10. Une garde de 5 pixels sur les bords des super- pixels est ménagée lors de la phase de traitement des images. Dans chaque dimension on réserve 2 pixels de marge d’un côté et 3 de l’autre. Cette dissymétrie est prise en compte lors de l’alignement mécanique du détecteur. On ajuste plus finement les bords ayant le moins de pixels de garde. Les super-pixels exploités comptent donc 8× 8 pixels de manière à s’affranchir d’éventuels effets de bord.
Le détecteur est de type CMOS. Chaque pixel peut être lu indépendamment par adressage. Il se différencie des détecteurs CCD pour lesquels la lecture se fait par trans- fert de charges. Les niveaux en sortie du détecteur sont codés sur 12 bits (entre 0 et 4095 comptes numériques).
La matrice de détection est en fait celle d’une caméra du commerce sensible au proche infrarouge à laquelle on a retiré l’objectif. On n’a pas accès à l’électronique de
traitement et de numérisation du signal des pixels. Le détecteur se comporte comme une « boîte noire » dont on étalonne le fonctionnement (voir le chapitre 3).
Le tableau 2.4 récapitule les caractéristiques du détecteur. Détecteur InGaAs
Nombre de pixels 251× 318
Taille des pixels 30× 30 µm2
Tailles des super-pixels 13× 13 pixels
Tab. 2.4 – Caractéristiques du détecteur