FR2787186A1

FR2787186A1 - Multiple beam Michelson interferometer for analysis of narrow spectra, especially for use in satellite based interferometers, has one or more mirrors with multiple mirror planes arranged to generate different beam paths

Info

Publication number: FR2787186A1
Application number: FR9815590A
Authority: FR
Inventors: Paul Vermande
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES
Priority date: 1998-12-10
Filing date: 1998-12-10
Publication date: 2000-06-16
Anticipated expiration: 2018-12-10
Also published as: FR2787186B1

Abstract

One or both of the mirrors (M1, M2) of the interferometer has a number of plane parallel reflecting surfaces (in the form of a stepped mirror) with each plane displaced along the incident beam direction (F1 or R2). In this way multiple reflected beams are generated each having a beam path difference related to the displacement of the mirror planes.

Description

INTERFEROMETRE MULTIVOIES DE TYPE MICHELSON ET SESMULTIVOISER INTERFEROMETER OF MICHELSON TYPE AND ITS

APPLICATIONS, NOTAMMENT POUR L'ANALYSE DES SPECTRES APPLICATIONS, ESPECIALLY FOR SPECTRA ANALYSIS

ETROITS.NARROW.

L'invention concerne un interféromètre à faisceaux séparés de type Michelson et des applications de cet interféromètre, notamment pour l'analyse des spectres The invention relates to a Michelson-type separated beam interferometer and to applications of this interferometer, in particular for spectral analysis.

étroits dans un grand domaine spectral. narrow in a large spectral range.

L'interféromètre de Michelson classique comprend deux miroirs plans associés à une séparatrice en sorte qu'un faisceau incident pénétrant dans la pupille d'entrée de l'interféromètre produit un couple de faisceaux séparés et parallèles émergeant de la pupille de sortie et qui présentent entre eux une différence de marche que l'on The classic Michelson interferometer comprises two plane mirrors associated with a splitter so that an incident beam penetrating the entrance pupil of the interferometer produces a pair of separate and parallel beams emerging from the exit pupil and presenting between them a difference of course that we

peut faire varier en déplaçant l'un des miroirs. can vary by moving one of the mirrors.

Cet interféromètre permet entre autre de déterminer la This interferometer makes it possible, among other things, to determine the

nature exacte d'une radiation monochromatique. exact nature of a monochromatic radiation.

Un but de la présente invention est de réaliser un interféromètre multivoies, c'est-à-dire qui fournisse, à partir d'un même faisceau incident, une pluralité de couples de faisceaux émergents présentant des différences An object of the present invention is to provide a multi-path interferometer, that is to say which provides, from the same incident beam, a plurality of pairs of emerging beams having differences.

de marches fixes et distinctes.fixed and distinct steps.

Une conséquence importante d'un tel interféromètre est de pouvoir fonctionner en statique, les variations de la différence de marche étant obtenues sans nécessiter le An important consequence of such an interferometer is that it can operate in static mode, variations of the difference in operation being obtained without requiring the

déplacement d'un miroir par translation ou inclinaison. displacement of a mirror by translation or inclination.

Cette possibilité est particulièrement avantageuse lorsque l'interféromètre doit être utilisé à bord d'un satellite, par exemple pour l'observation de l'atmosphère This possibility is particularly advantageous when the interferometer is to be used on board a satellite, for example for the observation of the atmosphere

terrestre.earthly.

L'interféromètre de l'invention est essentiellement caractérisé en ce que l'un au moins des miroirs présente une pluralité de surfaces réfléchissantes planes et parallèles décalées suivant la direction du faisceau qui tombe sur ce miroir, en sorte que ce miroir fournisse une i: --- [ pluralité de faisceaux réfléchis présentant entre eux des The interferometer of the invention is essentially characterized in that at least one of the mirrors has a plurality of flat and parallel reflecting surfaces offset in the direction of the beam falling on the mirror, so that the mirror provides a: --- [plurality of reflected beams having between them

différences de marche liées à ces décalages. market differences related to these shifts.

Dans une réalisation préférée, l'autre miroir de l'interféromètre présente également une pluralité de surfaces réfléchissantes planes et parallèles décalées In a preferred embodiment, the other mirror of the interferometer also has a plurality of offset planar and parallel reflecting surfaces.

suivant la direction du faisceau qui tombe sur ce miroir. following the direction of the beam that falls on this mirror.

Dans un cas simple, les plans respectifs des surfaces In a simple case, the respective planes of the surfaces

réfléchissantes des deux miroirs sont orthogonaux. reflective of both mirrors are orthogonal.

Du fait de la multiplicité des couples de faisceaux émergents, la pupille de sortie est avantageusement divisée en autant de sous- pupilles qu'il y a de couples émergents et à chaque sous pupille peut être associé un détecteur d'une mosaïque de détecteurs, par exemple une Due to the multiplicity of emerging pairs of beams, the exit pupil is advantageously divided into as many sub-pupils as there are emerging couples and at each sub-pupil can be associated a detector of a mosaic of detectors by example a

mosaïque de diodes à transfert de charges. - mosaic of charge transfer diodes. -

On décrira ci-après des exemples de réalisation d'un interféromètre conforme à l'invention, en référence aux figures du dessin joint sur lequel: * la figure 1 est un schéma optique général de l'interféromètre, À la figure 2 est un schéma optique plus détaillé des miroirs de l'interféromètre selon un mode de réalisation, * la figure 3 est un schéma optique de l'image de l'un des miroirs sur l'autre miroir de l'interféromètre dans un exemple de réalisation, ò la figure 4 est un schéma de la pupille de sortie de l'interféromètre divisée en sous-pupilles, la figure 5 est une vue en perspective de l'un des miroirs selon un autre exemple de réalisation, a la figure 6 est un schéma optique de l'image d'un miroir conforme au type de la figure 5 sur l'autre miroir, selon un autre exemple de réalisation, * la figure 7 est une vue en perspective de l'autre miroir, À les figures 8 et 9 sont des schémas du procédé de réalisation de l'un des miroirs dans le cas o ce i IFi'- un ' miroir présente des groupes décalés de surfaces réfléchissantes étagées, Les figures 10 et 11 sont des schémas de réalisation des sous-pupilles, respectivement dans le cas o l'un des miroirs porte des groupes décalés de surfaces réfléchissantes étagées et dans le cas o il n'en comporte pas, et Examples of embodiments of an interferometer in accordance with the invention will be described below, with reference to the figures of the attached drawing in which: FIG. 1 is a general optical diagram of the interferometer; FIG. 2 is a diagram More detailed optical mirror of the interferometer according to one embodiment, * Figure 3 is an optical diagram of the image of one of the mirrors on the other mirror of the interferometer in an embodiment, ò the FIG. 4 is a diagram of the exit pupil of the interferometer divided into sub-pupils, FIG. 5 is a perspective view of one of the mirrors according to another exemplary embodiment, in FIG. 6 is an optical diagram of FIG. the image of a mirror according to the type of Figure 5 on the other mirror, according to another embodiment, * Figure 7 is a perspective view of the other mirror, In Figures 8 and 9 are diagrams of the process of producing one of the mirrors in the case o This mirror has staggered groups of stepped reflecting surfaces. FIGS. 10 and 11 are diagrams of the sub-pupil embodiments, respectively, in the case where one of the mirrors bears staggered groups of stepped reflecting surfaces. and in the case where it does not, and

la figure 12 est un schéma d'un spectre à étudier. Figure 12 is a diagram of a spectrum to be studied.

Sur la figure 1, les éléments sont les suivants: I: Ensemble des miroirs et de l'optique In Figure 1, the elements are as follows: I: Set of mirrors and optics

séparatrice/déflectrice de l'interféromètre. separator / deflector of the interferometer.

E: Optique d'entrée de l'interféromètre. E: Optical input of the interferometer.

S: Optique de sortie de l'interféromètre. S: Output optics of the interferometer.

D: Diaphragme percé d'un trou T occupé par une D: Diaphragm pierced with a hole T occupied by a

lentille.lens.

C: Collecteur qui focalise les rayons incidents vers le trou T. R: Ensemble de récepteurs (par exemple une C: Collector which focuses the incident rays towards the hole T. R: Set of receivers (for example a

mosaïque de diodes).mosaic of diodes).

Ce schéma est par exemple celui d'un dispositif embarqué à bord d'un satellite pour l'observation de This diagram is for example that of a device on board a satellite for the observation of

l'atmosphère terrestre.the earth's atmosphere.

Sur la figure 2, l'ensemble I est détaillé sur un In FIG. 2, the set I is detailed on a

exemple.example.

Il comprend: Un miroir (M1) qui présente un ensemble de surfaces réfléchissantes rectangulaires, planes, parallèles et verticales, décalées selon la direction (F1) du It comprises: A mirror (M1) which has a set of rectangular, flat, parallel and vertical reflecting surfaces offset in the direction (F1) of the

faisceau incident à ce miroir.beam incident to this mirror.

* Un miroir (M2) qui présente un ensemble de surfaces réfléchissantes rectangulaires, planes et parallèles et horizontales, décalées selon la * A mirror (M2) which presents a set of rectangular, flat, parallel and horizontal reflecting surfaces, offset according to the

direction (F2) du faisceau incident à ce miroir. direction (F2) of the beam incident to this mirror.

On a représenté également sur la figure 2, en traits interrompus l'image (M'1) du miroir (M1) donnée par la FIG. 2 also shows in dashed lines the image (M'1) of the mirror (M1) given by FIG.

lame séparatrice (L) sur (M2).separating blade (L) on (M2).

Dans l'exemple représenté sur la figure 2 le miroir (Ml) présente des surfaces réfléchissantes (1, 2, 3)dont les images sont repérées (1', 2', 3') respectivement et le miroir (M2) est constitué également de trois surfaces réfléchissantes (1, 2, 3). Le nombre des surfaces réfléchissantes peut varier d'une réalisation à l'autre et il n'est pas nécessaire d'avoir le même nombre de surfaces réfléchissantes pour le miroir (Ml) et pour le miroir (M2), sauf si l'on In the example shown in FIG. 2, the mirror (M1) has reflective surfaces (1, 2, 3) whose images are identified (1 ', 2', 3 ') respectively and the mirror (M2) is also constituted three reflecting surfaces (1, 2, 3). The number of reflective surfaces may vary from one embodiment to another and it is not necessary to have the same number of reflective surfaces for the mirror (Ml) and for the mirror (M2), unless one

désire utiliser une mosaique carrée de récepteurs. wants to use a square mosaic of receivers.

La figure 3 est relative au cas o les miroirs (Ml) et (M2) sont constitués chacun de quatre surfaces réfléchissantes 1 à 4, disposée en sorte que: * la surface 1 de (M2) et l'image (1') de la surface 1 de (Ml) sont superposés, * la surface 1 de (M2) et l'image 4' de la surface 4 de (Ml) sont décalés de 3p/2 si p/2 est l'intervalle FIG. 3 relates to the case where the mirrors (M1) and (M2) each consist of four reflecting surfaces 1 to 4, arranged so that: * the surface 1 of (M2) and the image (1 ') of the surface 1 of (M1) are superimposed, * the surface 1 of (M2) and the image 4 'of the surface 4 of (M1) are shifted by 3p / 2 if p / 2 is the interval

entre deux surfaces successives de Mi. between two successive surfaces of Mi.

* la surface 2 de (M2) et l'image 1' de la surface 1 * the surface 2 of (M2) and the image 1 'of the surface 1

de (Ml) sont décalés de 4p/2.of (Ml) are shifted by 4p / 2.

Vu de la sortie de l'interféromètre, la répartition From the output of the interferometer, the distribution

des sous-pupilles dans la pupille est donnée figure 4. sub-pupils in the pupil is given in FIG.

Le nombre indiqué dans chaque sous-pupille est la différence de marche exprimée en pas d'échantillonnage p. Un tel dispositif ne produit pas de différence de The number indicated in each sub-pupil is the walking difference expressed in p sampling steps. Such a device does not produce a difference in

marche x =np Ax.walk x = np Ax.

Pour y remédier on modifie le miroir (Ml) en sorte que les surfaces réfléchissantes de ce miroir soient constituées par des groupes décalés comprenant chacun plusieurs surfaces réfléchissantes verticales étagées To remedy this, the mirror (Ml) is modified so that the reflecting surfaces of this mirror are constituted by offset groups each comprising a plurality of vertical reflecting surfaces

dans la direction (Fj) avec un pas égal à Ax /2. in the direction (Fj) with a pitch equal to Ax / 2.

Dans ce cas, l'image (M'I) du miroir (Ml) sur le miroir (M2) est telle que- représentée sur la figure 6 (o pour la simplification de la figure, on s'est placé dans In this case, the image (M'I) of the mirror (Ml) on the mirror (M2) is as shown in FIG. 6 (o for the simplification of the figure, it is placed in

w ul _ ---w--w ul _ --- w--

le cas o le miroir (MI) présente trois (k = 3) groupes the case where the mirror (MI) has three (k = 3) groups

de trois surfaces réfléchissantes. three reflective surfaces.

On a supposé que le miroir (M2) est constitué de surfaces réfléchissantes décalées avec un pas égal à k p/2. La figure 7 est une vue en perspective d'un miroir It has been assumed that the mirror (M2) consists of reflecting surfaces shifted with a pitch equal to k p / 2. Figure 7 is a perspective view of a mirror

(M2) qui forme quatre surfaces réfléchissantes. (M2) which forms four reflecting surfaces.

Les miroirs (M1) et (M2) peuvent être réalisés en superposant des lames à faces parallèles qui sont réfléchissantes en surface dans le cas du miroir (M1) et réfléchissantes sur la tranche dans le cas du miroir (M2). Pour réaliser les groupes de surfaces réfléchissantes du miroir (MI), il est commode d'appliquer sur chaque lame du miroir des couches réfléchissantes (CI, C2) lNX d'épaisseur -, successives et dégradées en sorte que chaque couche appliquée ne recouvre que partiellement la couche précédente, comme cela est schématisé sur les The mirrors (M1) and (M2) can be made by superimposing parallel-faced plates which are reflecting on the surface in the case of the mirror (M1) and reflecting on the wafer in the case of the mirror (M2). In order to achieve the groups of reflecting surfaces of the mirror (MI), it is convenient to apply on each mirror plate reflective layers (CI, C2) lNX of thickness -, successive and degraded so that each applied layer covers only partially the previous layer, as is schematized on the

figures 8 et 9.Figures 8 and 9.

Dans le cas d'un miroir (M1) constitué de k groupes de surfaces réfléchissantes comportant chacun 3 surfaces réfléchissantes et d'un miroir (M2) comportant autant de surfaces réfléchissantes que le miroir (M1), le nombre des croisements entre une surface réfléchissante de (M.) et une surface réfléchissante de (M2) est donc (3k) 2 et c'est aussi le nombre de sous-pupilles:un tel interféromètre est donc l'équivalent de (3k)2 In the case of a mirror (M1) consisting of k groups of reflecting surfaces each having 3 reflecting surfaces and a mirror (M2) having as many reflective surfaces as the mirror (M1), the number of crossings between a reflecting surface of (M.) and a reflecting surface of (M2) is therefore (3k) 2 and this is also the number of sub-pupils: such an interferometer is therefore the equivalent of (3k) 2

interféromètres classiques de Michelson. classic Michelson interferometers.

Avec les notations portées sur les figures 5 et 7, étant donné que le décalage entre deux surfaces réfléchissantes consécutives de E. est k p/2 et que le décalage entre les surfaces successives les plus éloignés l'une de l'autre de (E2) est (k-1) p/2, la différence de marche est With the notations shown in FIGS. 5 and 7, since the offset between two consecutive reflective surfaces of E. is kp / 2 and the difference between the most distant successive surfaces of (E2) is (k-1) p / 2, the difference is

I ri T-I ri T-

{(3k - I)k P +(k -1) PA+ 2 soit (3k2-1) p + Ax La répartition des souspupilles dans la pupille est alors telle que représentée sur la figure 10 (dans le cas o k = 3), à comparer à la répartition (figure 11) correspondant au cas o le miroir (Mj) ne comporte pas de {(3k - I) k P + (k -1) PA + 2 is (3k2-1) p + Ax The distribution of the subpupils in the pupil is then as shown in FIG. 10 (in the case of ok = 3), compare to the distribution (Figure 11) corresponding to the case where the mirror (Mj) does not include

couches appliquées.applied layers.

Un interféromètre conforme à l'invention permet d'acquérir des spectres à très haute résolution avec un excellent rapport signal/bruit sur un intervalle spectral étroit qui peut être sélectionné par des moyens classiques (monochromateur, filtre, Pérot-Fabry) sur une grande plage. La figure 12 est un exemple d'un tel spectre S<V> v= dont la caractéristique essentielle est d'être nul en dehors d'un intervalle Av, centré sur v0 et beaucoup plus faible que v0 La perte d'énergie liée à la division de la pupille en sous-pupilles est largement compensée par le temps d'intégration qui est égal au temps d'observation puisque à chaque instant on saisit la totalité de l'interférogramme alors qu'avec un interféromètre classique, le temps d'intégration est égal au temps d'observation divisé par le nombre d'échantillons An interferometer in accordance with the invention makes it possible to acquire very high resolution spectra with an excellent signal / noise ratio over a narrow spectral interval that can be selected by conventional means (monochromator, filter, Pérot-Fabry) over a wide range . FIG. 12 is an example of such a spectrum S <V> v = whose essential characteristic is to be zero outside an interval Av, centered on v0 and much weaker than v0 The energy loss related to the division of the pupil into sub-pupils is largely compensated by the integration time, which is equal to the observation time since at each moment the entire interferogram is captured, whereas with a conventional interferometer the time of integration is equal to the observation time divided by the number of samples

nécessaires pour explorer le spectre. necessary to explore the spectrum.

La réduction de la pupille a par ailleurs pour effet The reduction of the pupil also has the effect

de grossir la tache de diffraction.to enlarge the diffraction spot.

Dans le cas particulier de l'observation de l'atmosphère depuis un satellite, on peut fixer comme limite l'égalité entre le pixel et le premier anneau In the particular case of the observation of the atmosphere from a satellite, one can fix as limit the equality between the pixel and the first ring

noir.black.

L'interféromètre multivoies de l'invention convient particulièrement pour l'analyse des spectres étroits car en spectroscopie par transformée de Fourier on peut obtenir des spectres, quand ils sont étroits, avec beaucoup moins d'échantillons que n'en exige la théorie classique. Un nombre d'échantillons inférieur à 1 000 environ est convenable et compatible avec les possibilités technologiques de réalisation de l'interféromètre de l'invention. The multichannel interferometer of the invention is particularly suitable for the analysis of narrow spectra because in Fourier transform spectroscopy spectra can be obtained when they are narrow, with much fewer samples than is required by classical theory. A number of samples of less than about 1,000 is suitable and compatible with the technological possibilities of producing the interferometer of the invention.

Claims

CLAIMS CATIONS

1) Michelson type interferometer, which comprises two plane mirrors (M1, M2) associated with a separator (L) so that an incident beam penetrating the entrance pupil of the interferometer produces a pair of separate and parallel beams emerging from the exit pupil and which have a difference in operation between them, characterized in that at least one (Ml or M2) of the mirrors has a plurality of plane and parallel reflecting surfaces (1, 2, 3 ... ) shifted in the direction (Fi or F2) of the beam falling on the mirror, so that the mirror provides a plurality of reflected beams having between them

market differences related to these shifts.

2) interferometer according to claim 1, wherein the two mirrors (Ml, M2) each have a plurality of plane and parallel reflective surfaces (1, 2, 3 ...) offset in the direction of the beam that falls

on the mirror.

3) Interferometer according to claim 1 or 2, the respective planes of the reflecting surfaces (1, 2,

3 ...) of the two mirrors (M1, M2) are orthogonal.

4) Interferometer according to one of claims 1 to

3 whose reflective surfaces (1, 2, 3 ...) of the two mirrors (MI, M2) are respectively vertical and horizontal.

Interferometer according to one of claims 1 to

4, of which one (M) of the mirrors has shifted groups of reflecting surfaces (1, 2, 3 ...) each comprising a plurality of stepped reflecting surfaces (10,

11, 12; 20, 21, 22; 30, 31, 32; ...)

An interferometer according to claim 5 wherein each of said groups (1, 2, 3 ...) has three reflecting surfaces (10, 11, 12, 20, 21, 22;

31, 32 ...) stepped with a constant pitch (Ax / 2).

7) Interferometer according to one of claims 1 to

6 or the mirrors are constituted by stacks of reflective strips. 8) interferometer according to claim 7, one of which (M,) mirrors is constituted by stacking reflective plates on the surface and the other mirror (M2) is constituted by stacking with shifting blades

reflective on the slice.

9) Interferometer according to one of claims 1 to

8 whose mirrors (M ,, M2) are fixed.

Interferometer according to one of claims 1 to

9, whose exit pupil is divided into as many sub-pupils as there are pairs of emerging beams, each sub-pupil being conjugated to a

detector of a mosaic (R) of detectors.

11) Application of an interferometer according to one of

Claims 1 to 10 for the analysis of narrow spectra.

12) Application according to claim 11 to

the observation of the earth's atmosphere.

13) The application of claim 12, wherein the interferometer is embarked aboard a

satellite and its fixed mirrors.