BE1020754A3 - Dispositif de focalisation et de centrage d'un faisceau lumineux destine a l'optimisation de systemes spectrometriques. - Google Patents

Description

DISPOSITIF DE FOCALISATION ET DE CENTRAGE D'UN FAISCEAU LUMINEUX DESTINÉ À L'OPTIMISATION DE SYSTÈMES SPECTROMÉTRIQUES

Objet de 1’invention

[0001] La présente invention se rapporte à un dispositif optique permettant d'optimiser , les analyses spectrométriques en maximisant la quantité de lumière entrant dans le spectromètre.

[0002] Un tel dispositif présente un intérêt notamment dans le cas de mesures LIBS (Laser Induced Breakdown

Spectroscopy) à distance.

Arrière-plan technologique et état de la technique

[0003] Lorsqu'on veut connaître rapidement la composition d'un matériau, l'analyse de la lumière émise par celui-ci après une excitation appropriée (laser, rayonnement infrarouge, création d'un plasma, etc.) est souvent utilisée. Cette analyse se fait souvent à l'aide d'un spectromètre qui est équipé d'une fente d'entrée à travers laquelle la lumière entre dans l'appareil. Cette lumière est ensuite décomposée en ses différentes longueurs d'onde constitutives et l'intensité de chacune de celles-ci est mesurée.

[0004] La Demanderesse a déjà protégé plusieurs améliorations relatives à des installations d'analyse chimique d'un bain porté à haute température utilisant une tête d'analyse par spectroscopie laser-plasma de type LIBS.

[0005] Le document WO 2008/067620 divulgue une installation de contrôle en ligne et en temps réel d'un bain pour le revêtement au trempé à chaud d'une bande métallique au moyen d'un métal fondu, en particulier de contrôle de la composition chimique du bain et de la présence de mattes en surface du bain, comprenant : - un système d'analyse par spectroscopie laser-plasma de type LIBS, comprenant un laser puisé à haute densité de puissance apte à émettre à distance un faisceau de lumière focalisé dans une région de composition chimique à analyser, située à la surface du bain ou dans la masse de celui-ci, pour créer un plasma localement et comprenant un spectromètre pour l'analyse spectrale de la lumière émise par ledit plasma ; - un dispositif pour diriger le faisceau laser vers ladite région à analyser, et éventuellement focaliser celui- ci ; une caméra associée à une source de lumière, de préférence diffuse, pour acquérir une image du bain à un endroit de celui-ci où l'on souhaite surveiller la présence de mattes ; - un système de contrôle, associé au système d'analyse et à la caméra, implanté dans un ordinateur, de préférence un PC, pour effectuer un traitement d'image, le stockage de données d'analyse chimique selon la méthode LIBS précitée et la gestion des mouvements du faisceau laser ; - un système d'avertissement d'un opérateur ou de commande d'un dispositif mécanique robotisé d'élimination des mattes à la surface du bain, ledit système étant couplé au système de contrôle.

[0006] Dans le document WO 2009/138399, le laser est déporté latéralement grâce à un tube le prolongeant et terminé par une lentille focalisatrice du faisceau et grâce à une fibre optique dont une extrémité se trouve au niveau de la lentille focalisatrice.

[0007] Le document WO 2010/081807 divulgue une installation munie d'un capteur destiné à l'analyse chimique d'un bain porté à haute température dans un environnement poussiéreux. Le dispositif de refroidissement et de protection contre les fumées comprend une embase horizontale située au-dessus du bain à analyser et supportant un caisson étanche contenant des éléments sensibles à protéger. L'installation comprend des moyens de refroidissement faisant écran au rayonnement émanant du bain et assurant l'évacuation de la chaleur transmise par conduction. Les moyens de refroidissement comprennent un circuit de refroidissement par eau situé dans l'embase horizontale et au moins quatre radiateurs à eau formant une enceinte autour du caisson étanche et montés pivotants sur l'embase au moyen de charnières.

[0008] On obtient donc par ce type de technique un spectre de longueurs d'onde à partir duquel il est possible d'identifier les constituants du matériau. Il faut noter que plus la fente du spectromètre est étroite, moins la lumière pénètre mais plus précise est la décomposition en longueurs d'onde. Pour optimiser l'analyse et le rapport signal sur bruit, il faut donc amener le maximum de lumière sur cette fente d'entrée. Généralement, une fibre optique est utilisée dans ce but.

[0009] Afin d'optimiser le système, on utilise une optique plus ou moins complexe qui collecte la lumière émise et la focalise sur l'extrémité libre de la fibre.

[0010] Ceci ne pose pas de problèmes particuliers pour des équipements de laboratoire pour lesquels la source de lumière est toujours située à une position fixe par rapport à la fibre optique et au spectromètre.

[0011] Cependant, il existe des cas où la position de cette source peut varier. C'est notamment fréquent lors d'analyses à distance de type LIBS, au cours desquelles un faisceau laser crée un plasma à la surface du matériau à analyser, lors de mesures industrielles en ligne de production. C'est par exemple le cas lors de mesures sur des métaux liquides dont le niveau dans un réservoir ou une rigole de coulée peut varier au cours du temps. Dans un tel cas, il faut pouvoir collecter la lumière et la focaliser sur l'extrémité de la fibre optique, malgré les changements de position de la source lumineuse. Dans l'état actuel de la technique, la méthode généralement utilisée consiste à s'assurer que le déplacement de la surface à mesurer reste perpendiculaire au faisceau laser. Ainsi, si la surface à mesurer se déplace, le système optique de collecte de la lumière du plasma LIBS va focaliser celle-ci sur un axe perpendiculaire à la section de la fibre optique. Il suffit alors, par exemple, de déplacer une lentille le long de cet axe pour ramener le point focal sur l'extrémité de la fibre.

[0012] Cependant, il n'est pas toujours possible de maintenir le faisceau laser rigoureusement perpendiculaire à la surface, si bien que la focalisation peut se faire à côté de l'extrémité de la fibre, en fonction du déplacement de ladite surface. Ceci est d'autant plus critique qu'on travaille à grande distance. Aucun dispositif connu dans l'état de la technique ne permet de résoudre facilement et en temps réel ce problème technique.

[0013] Si, de plus, on veut analyser plusieurs raies spectrales simultanément avec une résolution suffisante, il faut parfois utiliser plusieurs spectromètres en parallèle, chacun couvrant une gamme spectrale déterminée. Pour amener la lumière du plasma sur les « n » spectromètres, on utilise généralement une fibre optique ou un faisceau de fibres qui se divise en « n » parties, chacune allant vers un spectromètre différent.

[0014] Bien que cette méthode soit efficace, elle conduit, pour chaque spectromètre, à une diminution de la quantité de lumière reçue d'un facteur « n ». Il est évidemment possible de diviser le faisceau en « n » parties inégales pour amener plus de lumière sur' le spectromètre qui analyse la raie la moins sensible ou celle pour laquelle on a besoin du plus de précision. De toute manière, il en résulte une perte de sensibilité plus ou moins importante par rapport au cas où chaque spectromètre recevrait toute la lumière collectée.

Buts de 11 invention

[0015] La présente invention vise à optimiser la collecte de lumière émanant d'une source et destinée à être caractérisée par spectrométrie dans le cas où la position relative de cette source par rapport au(x) spectromètre(s) peut fluctuer.

[0016] Un but de l'invention est, d'une part, de s'assurer de la focalisation correcte de la lumière de manière optimale sur l'extrémité d'une (ou de plusieurs) fibre(s) optique(s) connectée (s) au(x) spectromètre(s), en centrant le faisceau de lumière à analyser sur la fente d'entrée du (ou des) spectromètre (s) indépendamment des déplacements relatifs entre la source et le (s) spectromètre(s). Cette optimisation est d'autant plus importante dans le domaine UV où l'atténuation des fibres optiques est non négligeable.

[0017] Un but de l'invention est, d'autre part, de répartir de manière optimale la lumière entre les différents spectromètres lors de 1'emploi de plusieurs de ceux-ci pour une analyse simultanée de plusieurs raies spectrales.

[0018] Un autre but de l'invention est, dans le cas où plusieurs spectromètres sont nécessaires, de maximiser la quantité de lumière arrivant sur chacun des spectromètres par un filtrage adapté.

Principaux éléments caractéristiques de l'invention

[0019] La présente invention se ' rapport à un dispositif pour optimiser la focalisation et le centrage d'un faisceau lumineux incident à l'entrée d'au moins un spectromètre d'analyse, ledit faisceau lumineux devant être focalisé sur l'extrémité d'une fibre optique connectée audit spectromètre, comprenant : un système optique de collecte de lumière, de focalisation et de réglage comprenant des lentilles et/ou des miroirs ou un télescope, définissant un point focal ; une couronne diffusante entourant le faisceau laser au niveau de l'extrémité de la fibre optique ; un détecteur sensible à la position, faisant face à cette couronne sans faire obstacle au faisceau lumineux incident, pour déterminer la zone de la couronne éclairée par le faisceau lumineux ; des moyens d'ajustement du système optique précité permettant de centrer le point focal et d'amener celui-ci à l'extrémité de la fibre optique, en fonction de la détection de la zone d'incidence du faisceau lumineux sur. la couronne.

[0020] Selon des modalités de réalisation particulières de l'invention, le dispositif comprend en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, selon une combinaison appropriée : la couronne diffusante est réalisée en matériau lambertien ; la couronne diffusante est réalisée en téflon ou en Spectralon® ; le détecteur sensible à la position est un détecteur 4 quadrants, dans lequel chaque zone est séparée des autres zones par un écran perpendiculaire à la surface du détecteur ; le détecteur sensible à la position est un jeu de deux photodiodes séparées par un écran ; le détecteur sensible à la position est un PSD ou une caméra matricielle ; la couronne diffusante est remplacée par un détecteur sensible à la position ; le détecteur sensible à la position est muni d'un orifice qui laisse passer le faisceau lumineux lorsque celui-ci est correctement aligné ; le détecteur sensible à la position est associé à un séparateur de faisceau situé dans le chemin optique du faisceau incident et qui sert à dévier une partie de celui-ci vers le détecteur ; le dispositif est combiné avec n-1 (n entier > 1) filtres dichroiques qui séparent la lumière incidente en n gammes de longueur d'onde adaptées à n spectromètres respectifs ; le dispositif est associé à une seule fibre optique connectée à un seul spectromètre, le dispositif étant conçu pour que la focalisation soit obtenue simultanément sur tous les spectromètres ; le système de collecte de lumière, de focalisation et de réglage est muni d'une lentille montée sur une table de translation selon trois axes, ladite lentille rendant le faisceau lumineux parallèle et le dirigeant vers au moins un miroir dichroïque, deux faisceaux émergents étant redirigés vers deux systèmes de focalisation respectifs sur l'extrémité libre et fixe d'une fibre optique connectée à un spectromètre, ladite extrémité de chaque fibre étant entourée d'un détecteur sensible à la position et présentant un trou central permettant à la lumière d'atteindre l'extrémité de la fibre au moment où le faisceau est centré ; chaque détecteur sensible à la position est remplacé par un réflecteur lambertien entourant l'extrémité de la fibre, un détecteur déporté captant la lumière réfléchie par le réflecteur sans intercepter le faisceau de lumière incidente ; - la lentille est fixe, une table de translation étant associée à l'extrémité libre de chaque fibre.

Brève description des figures

[0021] La figure 1 décrit schématiquement le principe du dispositif selon l'invention permettant d'optimiser la quantité de lumière arrivant à l'entrée des spectromètres. Elle reprend un système de centrage combiné au principe de séparation par miroirs dichroiques.

[0022] La figure 2 montre un exemple simplifié de réalisation d'un système de centrage par mesure de la réflexion du faisceau de lumière sur une surface lambertienne.

Description détaillée de l'invention

[0023] L'invention se rapporte à un système optique de focalisation de la lumière provenant de la source à analyser. Celui-ci est constitué d'un système de lentilles et/ou de miroirs, tel qu'un télescope par exemple. Le point focal, dans une position de référence de la source, est réglé de manière à tomber sur l'extrémité d'une fibre optique connectée au spectromètre d'analyse. Au niveau de celle-ci, se trouve un dispositif permettant de détecter et/ou d'évaluer la position du faisceau lumineux par rapport à ladite extrémité.

[0024] Ce dispositif est conçu pour se différentier selon que la quantité de lumière focalisée est élevée ou non. Dans le premier cas, le dispositif est constitué d'une couronne en matériau à réflexion diffuse. Celui-ci sera de préférence un matériau lambertien, c'est-à-dire qui diffuse toutes les longueurs d'onde de la même manière dans toutes les directions. Des exemples d'un tel matériau sont le téflon et le Spectralon®. En face de cette couronne, un détecteur sera placé de manière à ne pas faire écran au faisceau de lumière incidente. Ce détecteur doit être tel qu' il permet de déterminer la zone de la couronne sur laquelle arrive le faisceau lumineux. Il sera avantageusement constitué d'un détecteur 4 quadrants dont chaque zone sera séparée des autres par un écran perpendiculaire à sa surface. De la sorte, si, par exemple, la lumière tombe sur la partie supérieure droite du réflecteur, le quadrant supérieur droit du détecteur recevra plus de lumière que les autres puisqu' il sera plus proche de la zone éclairée et que les écrans atténueront la lumière rediffusée vers les autres quadrants.

[0025] Il sera ainsi possible d'agir sur le dispositif de focalisation, en déplaçant une lentille pu un miroir, par exemple, de manière à déplacer à son tour le point focal dans la bonne direction. Lorsque l'éclairage relatif de tous les détecteurs devient tel que le faisceau lumineux est centré sur la fibre optique, il est alors facile d'amener le point focal sur l'extrémité de la dite fibre par ajustement de l'optique en contrôlant le signal sur le spectromètre et en s'assurant qu'il atteigne un maximum.

[0026] Il faut noter que cette . procédure pourra être itérative en fonction de la méthode choisie pour déplacer le point focal. Par ailleurs, le détecteur peut être simplifié si, par construction du système optique, le point focal ne peut se déplacer que selon un seul axe parallèle à la section de la fibre. On peut alors remplacer le détecteur 4 quadrants par un jeu de 2 photodiodes séparées par un écran. D'autres dispositifs tels que des PSD (Position Sensitive Device) ou une caméra matricielle peuvent également être utilisés.

[0027] Si la quantité de lumière focalisée est trop faible pour activer le détecteur après réflexion sur un matériau diffusant, on remplace la couronne réflectrice par un détecteur 4 quadrants, un PSD ou un jeu de photodiodes. Il faut alors que ce dispositif soit muni d'un trou qui permette le passage de la lumière vers la fibre lorsque le faisceau est aligné. Le fonctionnement du système de focalisation est le -même que dans le cas précédent.

[0028] Selon une variante de ce système, on introduit un « beam sampler », comme par exemple un miroir semi-transparent, dans le chemin optique afin de dévier une partie du faisceau vers le détecteur, qui peut alors être placé ailleurs qu' autour de la fibre et ne doit plus comporter de trou central. Il faut cependant s'assurer lors de la mise au point que, lorsque le faisceau est bien centré sur la fibre, la portion déviée tombe bien au centre du détecteur.

[0029] L'avantage de cette technique alternative consiste en des détecteurs plus simples, mais elle présente l'inconvénient d'un système plus complexe et de la perte d'une partie de la lumière qui doit être déviée vers le détecteur. Cette perte est d'ailleurs d'autant plus importante que le détecteur est moins sensible.

[0030] Dans le cas où plusieurs spectromètres sont nécessaires afin de permettre l'analyse, avec une résolution suffisante, de plusieurs raies spectrales situées dans des gammes de longueurs d'onde différentes, ce dispositif sera avantageusement combiné avec un système de filtres dichroïques. Ceux-ci sépareront la lumière en « n » gammes de longueurs d'onde adaptées aux « n » spectromètres. De cette manière toute la lumière utile pour chaque spectromètre sera dirigée efficacement au bon endroit, ce qui permet d'augmenter la sensibilité de la mesure par rapport au cas d'un faisceau de fibres multiples.

[0031] Dans le cas de plusieurs spectromètres, le dispositif de centrage décrit plus haut pourra n'être associé qu'à une seule fibre allant vers un seul des spectromètres, pour autant que la focalisation soit obtenue simultanément sur tous les spectromètres pour la même position d'un dispositif de réglage commun (miroir ou lentille mobile par exemple).

[0032] Les divers dispositifs individuels décrits ci- dessus sont connus de l'homme de l'art (détecteurs 4 quadrants, PSD, filtres dichroïques, etc.) mais leur utilisation combinée et la disposition proposée ici pour obtenir le résultat recherché sont originales à la connaissance de l'inventeur.

Description de formes d'exécution préférées de l'invention

[0033] Le dispositif proposé selon un exemple de forme d'exécution préférée de l'invention est décrit à la figure 1. Il permet d'optimiser la quantité de lumière, provenant d'un plasma LIBS, répartie sur deux spectromètres analysant deux gammes de longueurs d'onde différentes.

[0034] Le plasma est généré par un faisceau laser focalisé par exemple sur la surface d'un métal liquide dont le niveau peut varier au cours du temps. La lumière est collectée par un dispositif optique 1 qui peut par exemple être constitué d'un télescope comprenant un miroir parabolique lb et un miroir de renvoi secondaire la. Le système de collecte de la lumière est bien connu en soi de l'homme de l'art et ne fait pas partie de la présente invention. La lumière est ainsi focalisée en amont d'un élément de réglage 2 constitué d'une lentille montée sur un dispositif de translation 9 permettant de la déplacer selon 3 axes. Cet élément de réglage 2 rend le faisceau parallèle et le dirige sur un miroir dichroique 3 qui effectue une séparation en fonction de la longueur d'onde. Les deux faisceaux émergents sont redirigés chacun sur un autre système de focalisation 4 qui focalise chaque faisceau correspondant sur l'extrémité d'une fibre optique 7 connectée à chacun des spectromètres respectifs 8.

L'extrémité libre de la fibre 7 est entourée d'un détecteur sensible à la position 5, tel qu'un PSD, un détecteur 4 quadrants ou un ensemble de photodiodes. Ce détecteur 5 présente un trou central permettant à la lumière d'atteindre l'extrémité de la fibre à partir du moment où le faisceau est centré. Il est en outre séparé en deux ou quatre parties, selon qu'on veut permettre un réglage selon un ou deux axes dans le plan du détecteur. La séparation se fait idéalement à l'aide d'au moins un écran perpendiculaire à la surface de ce détecteur. De cette manière, si, suite au déplacement de la position du plasma, le faisceau de lumière tombe à côté de l'extrémité de la fibre, la zone éclairée du détecteur reçoit plus de lumière que les autres, ce qui permet de localiser la position du faisceau et de régler le dispositif 2 de manière à ramener le faisceau lumineux sur l'extrémité de la fibre.

[0035] Une variante de ce dispositif utilise un réflecteur lambertien 5 entourant l'extrémité de la fibre, à la place du détecteur. Ce dernier est un détecteur déporté 6 de manière à capter la lumière réfléchie par le réflecteur 5 sans intercepter le faisceau de lumière incidente (cas de l'exemple de la figure 1).

[0036] Selon une autre variante, on utilisera des miroirs paraboliques hors-axe au lieu de lentilles.

[0037] Un exemple de mise en œuvre d'un système avec réflecteur lambertien 5 et deux diodes 10 séparées par un écran 11 est donné à la figure 2. Dans ce dispositif, la mise au point peut se faire selon un axe parallèle au plan du réflecteur (centrage) et selon un axe perpendiculaire à celui-ci (focalisation).

[0038] Il est également possible, selon une modalité d'exécution alternative, de laisser la lentille 2 fixe et de placer le dispositif de réglage, constitué par exemple de tables de translation 9, au niveau.de l'extrémité libre de chaque fibre 7 (voir figure 2, photo du bas).

Avantages de la méthode

[0039] Les avantages de la méthode selon l'invention sont principalement : la possibilité de collecter près de 100% de la lumière utile pour chaque spectromètre ; la possibilité de focaliser, quasiment en temps réel, la lumière sur le spectromètre même en cas de déplacement de la source lumineuse à analyser.

Liste des symboles de référence 1 Dispositif optique de collecte la Miroir de renvoi secondaire lb Miroir parabolique 2 Lentille de réglage 3 Miroir dichroïque 4 Système de focalisation 5 Réflecteur lambertien 6 Détecteur (déporté ou non) 7 Extrémité de la fibre optique 8 Spectromètre 9 Table de translation 10 Photodiodes 11 Ecran 12 Image focalisée du plasma

Claims (14)

1. Dispositif pour optimiser la focalisation et le centrage d'un faisceau lumineux incident à l'entrée d'au moins un spectromètre d'analyse (8), ledit faisceau lumineux devant être focalisé sur l'extrémité d'une fibre optique (7) connectée audit spectromètre (8), comprenant : un système optique de collecte de lumière, de focalisation et de réglage (1, la, lb, 2) comprenant des lentilles et/ou des miroirs ou un télescope, définissant un point focal ; une couronne diffusante (5) entourant le faisceau laser au niveau de l'extrémité de la fibre optique (7) ; un détecteur sensible à la position (6), faisant face à cette couronne (5) sans faire obstacle au faisceau lumineux incident, pour déterminer la zone de la couronne (5) éclairée par le faisceau lumineux ; des moyens d'ajustement (9) du système optique précité permettant de centrer le point focal et d'amener celui-ci à l'extrémité de la fibre optique (7), en fonction de la détection de la zone d'incidence du faisceau lumineux sur la couronne (5).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne diffusante (5) est réalisée en matériau lambertien.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couronne diffusante (5) est réalisée en téflon ou en Spectralon .

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur sensible à la position (6) est un détecteur 4 quadrants, dans lequel chaque zone est séparée des autres zones par un écran perpendiculaire à la surface du détecteur.

5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur sensible à la position (6) est un jeu de deux photodiodes (10) séparées par un écran (11).

6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur sensible à la position (6) est un PSD ou une caméra matricielle.

7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couronne diffusante (5) est remplacée par un détecteur sensible à la position (6).

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le détecteur sensible à la position (6) est muni d'un orifice qui laisse passer le faisceau lumineux lorsque celui-ci est correctement aligné.

9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le détecteur sensible à la position (6) est associé à un séparateur de faisceau situé dans le chemin optique du faisceau incident et qui sert à dévier une partie de celui-ci vers le détecteur.

10. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est combiné avec n-1 (n entier > 1) filtres dichroïques (3) qui séparent la lumière incidente en n gammes de longueur d'onde adaptées à n spectromètres (8) respectifs.

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu' il est associé à une seule fibre optique connectée à un seul spectromètre, le dispositif étant conçu pour que la focalisation soit obtenue simultanément sur tous les spectromètres.

12. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le système de collecte de lumière, de focalisation et de réglage est muni d'une lentille (2) montée sur une table de translation (9) selon trois axes, ladite lentille (2) rendant le faisceau lumineux parallèle et le dirigeant vers au moins un miroir dichroïque (3) , deux faisceaux émergents étant redirigés vers deux systèmes de focalisation (4) respectifs sur l'extrémité libre et fixe d'une fibre optique (7) connectée à un spectromètre (8), ladite extrémité de chaque fibre étant entourée d'un détecteur sensible à la position (6) et présentant un trou central permettant à la lumière d'atteindre l'extrémité de la fibre (7) au moment où le faisceau est centré.

13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que chaque détecteur sensible à la position (6) est remplacé par un réflecteur lambertien (5) entourant l'extrémité de la fibre (7), un détecteur déporté (6) captant la lumière réfléchie par le réflecteur sans intercepter le faisceau de lumière incidente.

14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que, alternativement, la lentille (2) est fixe, une table de translation (9) étant associée à l'extrémité libre de chaque fibre (7).