Appareil de spectrométrie à grande luminosité et fort pouvoir de résolution
L'invention est relative à la spectrométrie.
On sait que dans les spectromètres à fente, couramment utilisés, le signal obtenu, quand on balaie en longueurs d'onde, par rotation du système dispersif (prisme ou réseau), peut, dans le cas d'un spectre constitué par une raie infiniment fine - autrement dit lorsque le flux de rayonnement est monochromatique, c'est-à-dire que l'énergie est transportée sur une longueur d'onde unique - être représenté par un diagramme triangulaire, dans un système de coordonnées où sont portées en ordonnées les quantités d'énergie rayonnante traversant la fente de sortie, et en abscisses les positions angulaires du système dispersif, ou, ce qui revient au même, les positions, dans le plan de sortie, de l'image de la fente d'entrée, au cours du balayage par rapport à une origine quelconque, qui peut être la fente de sortie.
Les deux côtés obliques du triangle d'un tel diagramme sont représentatifs de l'accroissement et de la diminution de la quantité d'énergie rayonnante traversant la fente de sortie de part et d'autre de la position du système dispersif, pour laquelle l'image de la fente d'entrée est superposée en coïncidence avec la fente de sortie, ou position de réglage, et les points de raccordement de ces deux côtés avec l'axe des abscisses, de part et d'autre desquels le signal est nul, sont distants l'un de l'autre de deux fois la largeur de la fente d'entrée qui est celle de la fente de sortie, dans le cas, fréquent, où le grandissement de la partie du spectromètre interposée entre la fente d'entrée et la fente de sortie est égal à l'unité.
On sait que, pour de tels spectromètres à fente, le pouvoir Ide résolution est inversement proportionnel à la largeur de la fente et est ainsi d'autant plus grand que la fente est plus étroite ; la luminosité, déterminée par la quantité de flux de rayonnement qui traverse la fente de sortie pour la position de réglage, est cependant d'autant plus faible que ladite fente est plus étroite; le pouvoir de résolution et la luminosité sont ainsi, dans un spectromètre à fente, des qualités qui varient en sens inverse l'une de l'autre.
L'invention vise un appareil de spectrométrie à grande luminosité et fort pouvoir de résolution, comprenant un dispositif d'entrée et un dispositif de sortie dont chacun présente deux séries de zones différant entre elles par leur propriété d'acheminement à l'égard du rayonnement, les images des zones du dispositif d'entrée fournies par l'appareil par un rayonnement d'une longueur d'onde étant en coïncidence zone à zone avec les zones du dispositif de sortie pour la position de réglage du système dispersif correspondant à ladite longueur d'onde, et le flux de rayonnement fourni par une série de zones du dispositif de sortie variant relativement très rapidement lorsque le système dispersif est écarté d'un côté ou de l'autre de ladite position de réglage et ensuite seulement relativement très lentement.
Dans un tel appareil, au cours d'un balayage, comme indiqué ci-dessus, un flux de rayonnement issu du dispositif de sortie - à partir de la position de réglage du système dispersif, pour laquelle l'image du dispositif d'entrée est superposée en coïncidence avec le dispositif de sortie - diminue très rapidement à partir d'une valeur maximale, dans l'un et l'autre sens du balayage à partir de ladite position, comme dans un spectromètre à fente unique, mais sans atteindre la valeur nulle, laquelle est ensuite atteinte seulement après une diminution beaucoup moins rapide, l'axe des abscisses du diagramme représentatif du flux de rayonnement étant en fait atteint à une distance de l'abscisse correspondant à la position de réglage qui peut être plusieurs centaines de fois plus grande que pour le diagramme triangulaire du spectromètre à fente classique,
de même pouvoir de résolution, ou bien un tel flux de rayonnement issu du dispositif de sortie augmente très rapidement à partir d'une valeur nulle correspondant à la position de réglage, puis ensuite diminue très lentement jusqu'à la valeur nulle.
Un signal représenté par un diagramme de ce type ne peut donc pas être utilisé commodément comme signal spectrométrique, étant donné qu'il présente des amplitudes notables pour des positions du système dispersif très éloignées de la position de réglage pour la longueur d'onde considérée.
Jusqu'à présent, on a, dans un tel appareil, tiré parti de ces dispositifs d'entrée et de sortie, en prévoyant une organisation telle qu'elle fournisse à la sortie deux faisceaux de rayonnement dont la confrontation procure le signal spectrométrique, l'un des faisceaux, au cours du balayage considéré ci-dessus, transportant une énergie représentée par le premier diagramme à deux pentes de part et d'autre de la position de réglage, comme rappelé ci-dessus, et l'autre faisceau transportant une énergie qui, dans le même système de coordonnées, et au cours du même balayage, est représentée par le second diagramme mentionné ci-dessus qui coïncide sensiblement avec le premier pour les parties à faible pente de ce dernier, mais qui, pour les parties à pente élevée, a, en chaque abscisse,
un point représentatif symétrique de celui du premier diagramme par rapport à l'horizontale passant par les points de raccordement des parties à pente élevée avec les parties à pente faible.
Outre que la formation de deux faisceaux de sortie entraîne à la duplication des organes constitutifs du dispositif d'entrée ou du dispositif de sortie, la confrontation des deux énergies qu'ils transportent respectivement, pour l'obtention du signal électrique spectrométrique par l'intermédiaire d'un dispositif sensible au rayonnement, entraîne à des complications. Dans certains cas, on prévoit deux cellules sensibles, ou bien deux parties d'un même capteur différentiel dont chacune des parties est affectée à un faisceau, mais la technique actuelle ne permet pas de réaliser deux cellules ou deux parties de capteur différentiel ayant des caractéristiques rigoureusement identiques et restant identiques dans le temps au cours du fonctionnement, ce qui introduit des erreurs difficiles, sinon impossibles à corriger, rendant l'appareil impropre à de nombreuses applications.
Dans d'autres cas, on utilise une même cellule qui reçoit en alternance le premier et le second faisceau, mais il faut alors prévoir, comme partie intégrante du spectromètre, des moyens de commutation grâce auxquels on dirige alternativement vers ladite cellule l'un ou l'autre des faisceaux. Ces moyens de commutation introduisent une certaine complication de fabrication et leur présence augmente l'encombrement du spectromètre.
En tous les cas, le principe même d'une analyse spectrométrique à l'aide de deux faisceaux distincts spatialement oblige à prévoir des moyens pour équilibrer les deux faisceaux au point de vue de leur chemin optique, cet équilibrage devant être réalisé avec d'autant plus de précision que c'est la comparaison des énergies transportées par les deux faisceaux qui fournit le signal spectrométrique.
La présente invention supprime ces limitations et évite ces inconvénients. L'appareil spectrométrique qu'elle a pour objet est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour déplacer l'image du dispositif d'entrée suivant un mouvement périodique par rapport au dispositif de sortie, la fréquence du mouvement périodique étant suffisamment grande pour que plusieurs déplacements périodiques aient lieu pendant le temps correspondant à la variation relativement rapide du flux de sortie résultant de l'écart du système dispersif à partir de sa position de réglage.
Pour un rayonnement tombant sur le dispositif d'entrée ayant comme longueur d'onde celle pour laquelle la position du système dispersif est la position de réglage pour ladite longueur d'onde, le dispositif de sortie fournit alors un flux de rayonnement transportant une énergie variable suivant une certaine loi, correspondant au mouvement périodique de l'image du dispositif d'entrée par rapport au dispositif de sortie, une des positions relatives de ladite image et du dispositif de sortie étant la superposition, c'est-à-dire une coïncidence zone à zone, tandis que pour tout rayonnement d'une longueur d'onde différente de la longueur d'onde de réglage et appartenant au spectre analysable par l'appareil dans cette position du système dispersif, bien qu'il y ait des parties d'image du dispositif d'entrée qui soient superposées avec le dispositif de sortie,
il n'y a pas de position de l'image du dispositif d'entrée pour laquelle cette image coïncide zone à zone avec le dispositif de sortie et l'énergie rayonnante transportée par le flux de sortie n'est pas soumise aux fluctuations périodiques.
L'invention prévoit des réalisations suivant lesquelles le mouvement périodique de l'image du dispositif d'entrée par rapport au dispositif de sortie est un mouvement de translation.
Bien que l'invention n'exclut pas, pour certaines applications, des réalisations suivant lesquelles ce mouvement périodique relatif a lieu dans la direction d'étalement du spectre, elle les subordonne à la condition suivant laquelle le mouvement périodique n'amène pas l'image du dispositif d'entrée, fournie par une longueur d'onde autre que la longueur d'onde de réglage, en superposition exacte avec le dispositif de sortie. En outre, si l'appareil doit fonctionner en balayage , c'est-à-dire si son système dispersif est entraîné d'une manière continue, le mouvement périodique relatif ne doit pas être parallèle à la direction d'étalement du spectre.
Un tel mouvement relatif peut être obtenu en imprimant un mouvement périodique au dispositif d'entrée ou bien en imprimant un mouvement périodique au dispositif de sortie, ou bien en imprimant un mouvement périodique à un dispositif optique interposé entre le dispositif d'entrée et le dispositif de sortie, comme un collimateur, ou au système dispersif lui-même.
L'invention prévoit également que le mouvement périodique relatif du dispositif de sortie et de l'image du dispositif d'entrée soit un mouvement de rotation, qui peut être un mouvement oscillant de faible ampli iule, ou bien un mouvement de rotation complète, continu.
La fréquence du mouvement périodique est choisie en fonction des applications envisagées, et notamment de la vitesse de balayage du spectre qu'on prévoit pour l'appareil, dans le cas de l'utilisation en balayage . Plus cette vitesse est grande, plus la fréquence choisie pour ledit mouvement périodique est grande.
Avec un appareil selon la présente invention donc, un signal spectrométrique est obtenu en faisant tomber sur un récepteur un faisceau unique, éliminant ainsi les difficultés inhérentes aux deux types de réalisation rappelés ci-dessus, tout en conservant les qualités simultanées de luminosité et de pouvoir séparateur qui sont attachées à ceux-ci.
Alors que les appareils spectrométriques fournisseurs de deux faisceaux de sortie spatialement distincts peuvent être considérés comme comportant un dispositif d'entrée ou un dispositif de sortie à deux effets, pour la fourniture de l'un et l'autre des faisceaux, un appareil spectrométrique selon l'invention comporte un dispositif d'entrée et un dispositif de sortie, l'un et l'autre à effet simple, pour la fourniture d'un faisceau de sortie unique.
Tandis que dans les appareils fournisseurs de deux faisceaux de sortie, ou bien le dispositif d'entrée ou bien le dispositif de sortie devait être dédoublé, ou alors l'un des dispositifs devait comporter des zones transparentes correspondant à la formation d'un premier faisceau et des zones réfléchissantes correspondant à la formation d'un second faisceau, l'appareil selon l'invention peut comporter un dispositif d'entrée et un dispositif de sortie simples l'un et l'autre et qui, l'un et l'autre, ne comprennent que des zones opératoires d'une seule nature, soit transparentes, soit réfléchissantes.
En outre, et selon une forme de réalisation, l'appareil selon l'invention peut comporter un seul dispositif à deux séries de zones, qui, d'une part, joue le rôle de dispositif d'entrée à la manière habituelle et, d'autre part, le rôle de dispositif de sortie grâce à l'application de moyens d'autocollimation.
Non seulement la construction et le réglage de l'appareil en sont considérablement simplifiés, mais les qualités intrinsèques en sont accrues.
Dans une réalisation, le mouvement relatif de l'image du dispositif d'entrée d'une part et du dispositif de sortie d'autre part est une translation suivant une direction différente de celle de l'étalement du spectre avantageusement perpendiculaire à celleci, dans la mesure où, bien entendu, un tel mouvement modifie spectroscopiquement la valeur du flux de rayonnement de sortie.
Dans la description, qui suit, faite à titre d'exemple, on se réfère au dessin annexé, dans lequel :
La fig. 1 est une vue schématique d'un appareil de spectrométrie selon l'invention, pour une forme de réalisation.
La fig. 2 est une vue schématique d'un dispositif d'entrée d'un tel appareil, pour un mode d'exécution.
La fig. 3 est une vue schématique d'un dispositif de sortie correspondant.
La fig. 4 est un schéma à plus petite échelle d'un dispositif de sortie avec une image superposée du dispositif d'entrée pour diverses positions au cours de son mouvement relatif.
La fig. 5 est une vue analogue à la fig. 4, mais pour une variante et montrant deux positions de l'image.
La fig. 6 est un diagramme.
La fig. 7 est un autre diagramme.
La fig. 8 montre les positions respectives du dispositif de sortie et de l'image du dispositif d'entrée pour un balayage du spectre au voisinage d'une position de réglage.
La fig. 9 est un diagramme.
La fig. 10 est un diagramme de signal spectrométrique avec une échelle d'ordonnées considérablement plus réduite que dans la réalité.
La fig. 1 1 est une vue analogue à la fig. 1 mais pour une autre forme de réalisation.
La fig. 12 est une vue simplifiée d'un dispositif entrant dans la constitution de l'appareil selon cette forme de réalisation.
La fig. 13 est une vue analogue à la fig. 12 mais pour une variante.
La fig. 14 est une vue de face d'un dispositif d'entrée et/ou de sortie.
La fig. 15 est un schéma explicatif.
On se réfère d'abord à la fig. 1. S est une source dont le rayonnement est à analyser spectrométriquement. Le flux de rayonnement P, issu de ladite source, tombe sur un dispositif d'entrée G. Le dispositif d'entrée G comporte deux séries de zones; les zones d'une série sont transparentes à l'égard du rayonnement et les zones de l'autre série sont opaques. Le dispositif d'entrée G se laisse ainsi traverser par une série de pinceaux P1, représentés schématiquement par une droite sur la fig. 1 dont chacun correspond à une zone transparente. Après réflexion sur un miroir collimateur M, les pinceaux P1 tombent sur le système dispersif qui, dans l'exemple, est un réseau R, monté à rotation autour d'un axe r.
De chacun des pinceaux P1, le réseau R fournit des pinceaux PI, représentés schématiquement par une droite sur la fig. 1, correspondant chacun à un rayonnement d'une longueur d'onde déterminée transportée par le pinceau P1. L'ensemble des pin ceaux P3 fourni par le système dispersif R à partir de la série de pinceaux P5 tombe, après nouvelle réflexion sur le miroir M, sur un dispositif de sortie
G'. Le dispositif de sortie G' comprend deux séries de zones, les zones d'une première série étant transparentes et les zones de la seconde série étant opaques.
Le dispositif d'entrée G et le dispositif de sortie
G' sont tels que, pour une longueur d'onde du rayonnement à analyser, l'image du dispositif d'entrée G, que fournissent les moyens optiques de l'appareil interposés entre le dispositif d'entrée G et le dispositif de sortie G', est - pour une position convenable du système dispersif R, ou position de réglage pour ladite longueur d'onde - superposée au dispositif de sortie G', les images des limites des zones du dispositif G étant superposées aux limites des zones du dispositif G'.
Les limites des zones sont telles, sur l'un et l'autre des dispositifs, qu'il existe, sur un dispositif, à la fois des zones très étroites, comptées parallèlement à la direction d'étalement du spectre, et des zones très larges, les largeurs des zones intermédiaires ne suivant pas une loi de proportionnalité, et le dessin constitué par les limites de zones étant tel qu'il n'est pas superposable à lui-même par une translation parallèle à la direction d'étalement du spectre.
Les pinceaux de sortie P3, qui traversent le dispositif de sortie G' par ses parties transparentes, sont acheminés par un miroir m et concentrés sur un récepteur D.
Avec un dispositif d'entrée et un dispositif de sortie comme défini ci-dessus, pour un rayonnement monochromatique tombant sur le dispositif d'entrée
G, les pinceaux P3, dont l'ensemble constitue le faisceau de sortie, transportent, dès que l'image du dispositif d'entrée aborde le dispositif de sortie, une énergie qui varie d'une manière relativement très lente lorsqu'on fait tourner le réseau R, et cela pour toutes les positions de ce dernier différentes de la position de réglage du réseau R pour la longueur d'onde du rayonnement monochromatique, et qui, au contraire, varie très brusquement au voisinage immédiat de ladite position de réglage.
Conformément à l'invention, un déplacement périodique est produit entre le dispositif de sortie G' et l'image, située dans le plan du dispositif G', du dispositif d'entrée G que fournissent les moyens optiques, que comprend l'appareil, interposés entre le dispositif d'entrée G et le dispositif de sortie G', ces moyens comportant, dans la réalisation montrée sur la fig. 1, le miroir M et le système dispersif R.
A cet effet, dans une première réalisation, on prévoit des moyens pour imprimer au dispositif d'entrée G un mouvement périodique dans son plan, par exemple comme schématisé par la double flèche f, le dispositif G' étant stationnaire.
La flèche f évoque un mouvement périodique rectiligne dans une direction perpendiculaire à la direction d'étalement du spectre.
Dans une variante, la direction de vibration relative peut être différente de la perpendicularité par rapport à la direction d'étalement du spectre.
La direction de vibration peut également être parallèle à la direction d'étalement du spectre, mais cette direction est exclue lorsque l'appareil doit fonctionner en balayage.
Selon une autre variante, le mouvement périodique est un mouvement de rotation autour d'un axe passant par le centre du dispositif d'entrée ou de sortie.
Le mouvement de rotation peut être un mouvement de va-et-vient, donc d'oscillation.
Ce peut être également un mouvement continu.
Selon une autre réalisation, on prévoit d'imprimer au dispositif de sortie G' un mouvement périodique dans son plan, comme schématisé par la double flèche f' représentée en trait pointillé, le dispositif d'entrée G restant alors stationnaire. Cette réalisation comporte également les variantes qui ont été définies ci-dessus relatives au mouvement du dispositif d'entrée G.
Selon encore une autre forme de réalisation, on prévoit d'imprimer au miroir M, ou à un autre dispositif optique que comporte l'appareil, un mouvement de rotation autour d'un axe (comme schématisé par la double flèche f) qui est parallèle à un plan d'étalement du spectre et dans le cas montré sur la figure, où le miroir M a une section transversale parabolique, également perpendiculaire à l'axe de la parabole, le dispositif d'entrée G et le dispositif de sortie G' étant alors stationnaires.
Selon encore une autre réalisation, on prévoit d'imprimer au système dispersif un mouvement d'oscillation de faible amplitude autour d'un axe tel que l'axe r, comme schématisé par la double ilè- che f't, le dispositif d'entrée G, le dispositif de sortie G' et le miroir M étant alors stationnaires, cette réalisation s'appliquant seulement dans le cas où l'appareil n'est pas destiné à fonctionner par balayage.
Dans une autre forme de réalisation, les dispositifs d'entrée et de sortie sont montés sur un cadre ou châssis commun qui est animé d'un mouvement périodique. On tire parti ici de l'inversion provoquée par la présence d'un miroir unique, ou par un nombre impair de dispositifs de renvoi optique, entre le dispositif d'entrée et le dispositif de sortie.
Le perfectionnement selon l'invention s'applique, d'une manière générale, aux appareils de speotromé- tne comportant, de part et d'autre du système dispersif, un dispositif d'entrée et un dispositif de sortie qui sont tels que l'appareil fournit d'un rayonnement monochromatique, lorsqu'on balaie en longueur d'onde, un flux de sortie dont énergie est représentable par un diagramme qui montre une partie à fai ble pente et une partie à forte pente, la partie à forte pente étant celle qui correspond aux positions du système dispersif très proches de la position de réglage pour ladite longueur d'onde.
Un appareil perfectionné selon l'invention comportant un tel dispositif d'entrée et un tel dispositif de sortie fournit alors, à la sortie du récepteur ou capteur, lorsqu'il reçoit un spectre composite, c'està-dire comportant des énergies suivant plusieurs longueurs d'onde, au cours d'un balayage suffisamment lent par rapport à la fréquence du mouvement relatif périodique caractéristique de l'invention, un signal qui n'est sensiblement pas affecté par le mou vement t périodique relatif en correspondance de cha- cune des énergies transportées sur une longueur d'onde différente de la longueur d'onde de réglage attachée à la position considérée du système dispersif et, au contraire, un signal variable suivant ladite fréquence en correspondance de l'énergie rayonnante transportée sur ladite longueur d'onde de réglage, de sorte que,
en reliant le récepteur à un amplificateur alternatif adapté à la fréquence du mouvement périodique, on obtient un signal d'une amplitude qui peut être très grande en correspondance de l'énergie transportée sur la longueur d'onde de réglage, les énergies de sortie correspondant aux autres longueurs d'onde n'étant pas transmises par l'amplificateur.
Dans un mode d'exécution qui a donné des résultats particulièrement avantageux, on a appliqué l'invention à un appareil spectrométrique dans lequel le dispositif d'entrée, constitué par une plaque, a ses zones des deux séries limitées par des arcs d'hyperboles d'une famille d'hyperboles équilatères, comme montré schématiquement sur la fig. 2. La partie opératoire dudit dispositif d'entrée est limitée par un carré 10, dont les côtés sont référencés 11, 12, 13 et 14 et le centre 0 du carré est placé sur l'axe optique de l'appareil.
Le premier quadrant, limité par les demi-médiatrices 15 et 16 du carré, qui appartiennent à la famille d'hyperboles équilatères, comprend des zones transparentes Z1, laissées sans hachures sur la figure, et des zones opaques zt, hachurées sur la figure, adjacentes et alternées, les limites entre les zones étant constituées par des arcs d'hyperboles équilatères H1, ayant les mêmes asymp- totes, et qui découpent sur le côté 12, parallèle à la demi-médiatrice 16, des segments égaux déterminant le pouvoir séparateur de l'appareil spectrométrique.
Les dispositions des arcs d'hyperboles dans les trois autres quadrants sont symétriques par rapport aux médiatrices ; la zone Z2 du quadrant symétrique du premier quadrant par rapport à la demi-médiatrice 15, et adjacente aux demi-médiatrices 15 et 17, est opaque; la zone Z8 du troisième quadrant, adjacente à la zone Z2, est transparente et la zone Z4, adjacente aux zones Z1 et Zs, est opaque. Un tel dispositif d'entrée a été décrit dans le brevet No 410460 au nom de la titulaire.
La représentation du dispositif d'entrée qui est donnée sur la fig. 2 est extrêmement schématique et en réalité un dispositif utilisé dans la pratique comporte un nombre de zones relativement considérable, qui est de plusieurs centaines.
Le dispositif de sortie G' est tel qu'il est superposable zone à zone à l'image que fournit l'appareil du dispositif d'entrée G. Pour un grandissement de l'appareil égal à l'unité, le dispositif de sortie G' a donc un contour 10' identique au contour 10 du dispositif d'entrée G et ses hyperboles H' reproduisent, à l'intérieur du carré 10', le même dessin que les hyperboles H forment à l'intérieur du carré 10. Dans la réalisation montrée sur la fig. 3, les zones d'une série ayant une propriété d'acheminement déterminée du dispositif de sortie sont placées de la même façon que les zones de la série du dispositif d'entrée ayant la même propriété d'acheminement: la zone Z'1 du premier quadrant du dispositif de sortie, adjacente aux demi-médiatrices 15' et 16', est transparente, comme l'est la zone Zt, etc.
Dans une variante, les emplacements sont inversés pour les zones des deux séries, c'est-à-dire que, selon cette variante, le dispositif d'entrée restant celui représenté sur la fig. 2, le dispositif de sortie selon la fig. 3 comporterait une zone Z'opaque, une zone
Z'4 transparente, etc.
Le dispositif de sortie est avantageusement obtenu par voie photographique à partir du dispositif d'entrée, la photographie étant effectuée à travers l'appareil.
Dans le cas où le dispositif d'entrée reçoit un rayonnement monochromatique, son image fournie par l'appareil se déplace par rapport au dispositif de sortie, lorsqu'on fait tourner le système dispersif R autour de l'axe r (balayage). On prévoit que le dispositif d'entrée G et le dispositif de sortie G' sont orientés dans leurs plans avantageusement de manière qu'une de leurs médiatrices soit dirigée parallèlement à la direction d'étalement du spectre ; dans ce cas, la direction d'étalement du spectre, schématisée par la double flèche de la fig. 3, F, est celle de la médiatrice 16'.
Avec un dispositif d'entrée et un dispositif de sortie tels que représentés schématiquement sur les fig. 2 et 3, l'invention prévoit des moyens pour imprimer d'une manière périodique un mouvement de translation perpendiculaire à la direction d'étalement du spectre, donc schématisé par la double flèche f' perpendiculaire à la double flèche F, à l'image du dispositif d'entrée par rapport au dispositif de sortie.
Ce déplacement peut être provoqué, comme déjà mentionné, par un mouvement du dispositif d'entrée
G, ou bien par un mouvement du dispositif de sortie G', ou bien par un mouvement de rotation oscillant du miroir M, ou bien par un mouvement de rotation oscillant du système dispersif R.
On considère d'abord, pour la facilité d'explications la condition suivant laquelle le dispositif d'entrée G reçoit un flux de rayonnement de longueur d'onde unique, le système dispersif étant dans la position pour laquelle ladite longueur d'onde est la longueur d'onde de réglage, c'est-à-dire que l'appareil fournit du dispositif d'entrée une image qui est superposée au dispositif de sortie, I'image d'une zone trans parente quelconque étant superposée en coïncidence avec une zone transparente du dispositif de sortie.
Pour cette superposition, toute l'énergie rayonnante ayant traversé le dispositif d'entrée traverse le dispositif de sortie, puisque les images des zones transparentes du dispositif d'entrée sont superposées chacune à chacune aux zones transparentes du dispositif de sortie.
Suivant un premier mode d'exécution, au cours du mouvement périodique de l'image du dispositif d'entrée G par rapport au dispositif de sortie G', une des positions extrêmes de l'image du dispositif d'entrée, schématisée en 121 sur la fig. 4 par celle d'un de ses côtés parallèles à la direction d'étalement du spectre, est la position de superposition en coïncidence avec le dispositif de sortie, la position schématisée en 12 étant celle correspondant à l'autre extrémité du mouvement périodique.
Selon un autre mode d'exécution (fig. 5), les positions d'extrémité 12t et 122 de l'image du dispositif d'entrée ne sont en coïncidence ni l'une ni l'autre avec le dispositif de sortie, la coïncidence se produisant pour une position intermédiaire de l'image du dispositif d'entrée.
Avantageusement, le dispositif mobile présente sur ses bords parallèles à la direction d'étalement du spectre deux bandes marginales très étroites qui sont masquées ou amputées, de sorte que, pour la position de réglage du système dispersif, le mouvement périodique relatif ne fasse pas sortir l'image du dispositif d'entrée de la surface du dispositif de sortie.
Sur la fig. 1 on a représenté schématiquement des est, dans le plan du dispositif de sortie, toute entière en dehors du dispositif de sortie, à gauche de celui-ci sur la fig. 8. On a schématisé par les traits tiretés horizontaux, parallèles à la direction de déplacement, ou direction d'étalement du spectre, les positions extrêmes de l'image du dispositif d'entrée au cours de la vibration, la disposition étant donc du type montré sur la fig. 5. Dans la condition II, l'image g2 du dispositif d'entrée est très proche de la superposition avec le dispositif de sortie. Cette superposition est atteinte dans la condition III, obtenue pour la position de réglage du système dispersif pour la longueur d'onde considérée.
Même en cette condition, toutefois, et selon l'invention, la superposition exacte n'est assurée que périodiquement en raison du mouvement périodique, à fréquence relativement élevée, qui existe entre le dispositif de sortie et l'image gX du dispositif d'entrée. La condition IV est analogue à la condition II, mais avec une symétrie de position par rapport à la position de réglage, et la condition
V est analogue à la condition I, mais avec une symétrie de position par rapport à la condition de réglage.
Un tel signal fourni par le récepteur D a alors l'allure montrée sur la fig. 9. Il est nul aussi longtemps qu'il n'y a pas de recouvrement entre l'image du dispositif d'entrée et le dispositif de sortie. Puis il croît lentement entre la position I et la position II au fur et à mesure que croît la surface commune entre le dispositif de sortie et l'image du dispositifs d'entrée.
Au voisinage de la condition de réglage, il varie d'une manière périodique, l'enveloppe de la courbe représentative de la variation ayant une pente considérablement plus élevée que celle du diagramme entre la position I et la position II, d'abord ascendante entre la position II et la position III, puis descendante entre la position III et la position IV, puis à partir de la position IV jusqu'à la position V, le signal décroît lentement pour reprendre une valeur nulle lorsqu'il n'y a plus de recouvrement entre l'image du dispositif d'entrée et le dispositif de sortie.
Par traitement électronique de ce signal, par exemple dans un amplificateur alternatif adapté à la fréquence de vibration, on peut obtenir un signal caractéristique de l'énergie rayonnante traversant le dispositif d'entrée, comme montré sur la fig. 10, l'abscisse du maximum étant caractéristique de la longueur d'onde considérée de l'énergie et permettant de localiser celle-ci dans le spectre, et l'ordonnée du maximum étant caractéristique de la quantité d'énergie transportée sur ladite longueur d'onde.
Le signal présent à la sortie de l'amplificateur est un signal spectrométrique triangulaire, à partir duquel on peut définir le pouvoir de résolution du spectromètre inversement proportionnel à la distance qui sépare les deux points situés à mi-hauteur des parties à pentes relativement très élevées du signal.
Avec un dispositif d'entrée et de sortie comme montré sur les fig. 2 et 3, l'appareil selon l'invention a un pouvoir de résolution égal à celui d'un spectromètre à fente classique ayant une fente dont la largeur est égale à la longueur du segment que définissent sur un des côtés du dispositif deux arcs d'hyperboles successifs.
La luminosité du spectromètre correspond cependant à l'énergie rayonnante qui traverse le dispositif de sortie pour la position de réglage du système dispersif et, en conséquence, est égale à l'énergie qui traverse le dispositif d'entrée, laquelle est égale à la moitié de l'énergie qui tombe sur ledit dispositif d'entrée (en raison de l'égalité du total des aires des zones transparentes et du total des aires des zones opaques), cette énergie étant, toutes choses égales d'ailleurs, considérablement plus élevée, plusieurs centaines de fois plus élevée, que celle d'un spectromètre à fente de même pouvoir de résolution.
Si p est la longueur du segment défini ci-dessus, déterminant le pouvoir séparateur, de bons résultats ont été obtenus en choisissant une amplitude de A vibration A telle que le rapport est compris entre 1/2 et 2. p
Avec un dispositif d'entrée ou de sortie limité par un carré ayant 30 mm de côté et avec un segment p de 0,1 mm, l'amplitude de vibration est ainsi comprise entre 0,05 mm et 0,2 mm.
L'invention prévoit également que la vibration, au lieu d'être une translation, soit une rotation ; lors- que la rotation est oscillante, une amplitude de l'ordre de 10 minutes d'arc conviendrait pour des dispositifs d'entrée et de sortie analogues à ceux qu'on a définis ci-dessus. Une telle disposition à mouvement d'oscillation s'applique alors avantageusement à des dispositifs d'entrée et de sortie dans lesquels les limites des zones de deux séries sont rectilignes.
La fréquence du mouvement de vibration est choisie en fonction du résultat recherché. L'invention prévoit à cet égard que la période de la vibration soit au minimum cinq fois plus faible et de préférence au moins dix fois plus faible que le temps mis par le spectromètre pour balayer une raie isolée, c'est-àdire le temps correspondant au déplacement du spectre d'une largeur égale au pouvoir de résolution. On peut sans difficulté assurer une fréquence de vibration très élevée en raison de la faible amplitude du mouvement alternatif et ainsi permettre des balayages en longueurs d'onde très rapides si nécessaire.
On se réfère maintenant à la fig. 11. Dans cette forme de réalisation, un dispositif unique H, jouant le rôle de dispositif d'entrée et de dispositif de sortie, a son centre c placé au foyer du miroir collimateur M. Il comporte une série de zones opaques g, réfléchissantes au moins par leur face opposée à celle tournée vers la source S, et une série de zones transparentes t. I1 est interposé entre la source à analyser S et le miroir collimateur M.
Du flux de rayonnement émanant de la source S, et schématisé par le rayon P, le dispositif d'entrée E fournit par traversée une série de pinceaux P1, lesquels sont réfléchis par le miroir collimateur M et, de chaque pinceau Pt, le réseau R fournit, par dispersion, lorsque le rayonnement émis par la source est polychroma tique, une multiplicité de pinceaux P2 correspondant chacun à une longueur d'onde contenue dans le pinceau PL considéré.
Les pinceaux P2 sont renvoyés par le miroir collimateur M sur le dispositif H et les zones réfléchissantes g de ce dernier fournissent, à partir des pinceaux P2 - la plaque constitutive du dispositif H n'étant pas tout à fait perpendiculaire à la direction des rayons P2 - des pinceaux P3 qui sont concentrés par le miroir m sur le récepteur D.
Les zones des deux séries que comporte le dispositif H répondent aux conditions générales qui ont été définies ci-dessus pour le dispositif d'entrée ou le dispositif de sortie de l'installation selon la fig. 1.
En outre, une condition supplémentaire - non impérative pour les dispositifs d'entrée et de sortie dans l'installation selon la fig. 1, mais qui peut cependant être satisfaite par eux comme c'est le cas d'ailleurs dans la réalisation des fig. 2 et 3 - consiste dans ce fait que la configuration des limites de zones est, pour une installation selon la fig. 11, un dessin qui présente un centre de symétrie qui est le centre du dispositif.
L'invention prévoit des réalisations d'un tel dispositif suivant lesquelles deux zones symétriques par rapport au centre ont la même propriété d'acheminement pour un flux de rayonnement, par exemple sont toutes deux transparentes ou toutes deux opaques et réfléchissantes, et également des réalisations suivant lesquelles deux zones placées symétriquement par rapport au centre de symétrie ont des propriétés d'acheminement différentes à l'égard du rayonnement; d'une zone transparente est alors symétrique une zone opaque réfléchissante, et inversement.
Les moyens optiques formateurs des pinceaux Pt et
P2 sont tels que pour un rayonnement monochromatique ils fournissent du dispositif H une image qui est superposée zone à zone avec ledit dispositif, constituant ainsi des moyens d'autocollimation.
La fig. 12 montre, par exemple, un dispositif H de même contour, à savoir un carré, et de même configuration de lignes limitant les zones, à savoir des arcs d'hyperboles équilatères, que dans les réalisations suivant les fig. 2 et 3 et appartenant au premier mode d'exécution: les zones 21 et 22, symétriques par rapport au centre c, sont toutes deux transparentes ; les zones 23 et 24, également symétriques par rapport au centre c, sont toutes deux réfléchissantes, ce qui est schématisé par des hachures croisées.
Le dispositif schématisé sur la fig. 13 appartient au second mode d'exécution: la zone 25 est transparente et la zone 26, symétrique de la zone 25 par rapport au centre c, est réfléchissante, ce qui a été schématisé par des hachures croisées ; la zone 27 est opaque et réfléchissante, et la zone 28, symétrique de la zone 27 par rapport au centre c, est transparente. C'est un dispositif selon ce mode d'exécution qui a été représenté sur la fig. 1 1
L'invention prévoit de donner au dispositif H et/ou à l'image qu'en fournit l'appareil, un mouvement de vibration.
Elle vise une première réalisation suivant laquelle ledit mouvement est assuré par un mouvement de vibration du miroir collimateur M ou d'un autre dispositif collimateur.
Sur la fig. 11, on a montré par la ligne en trait mixte un axe a, voisin de la surface utile du miroir, perpendiculaire à l'axe optique de ce dernier et parallèle au plan d'étalement du spectre, autour duquel le miroir M peut être animé d'un mouvement oscillant comme schématisé par la double flèche ft.
L'invention prévoit également une forme de réalisation suivant laquelle le dispositif unique H est animé d'un mouvement alternatif de translation suivant la flèche f, le déplacement de l'image du dispositif que fournit l'appareil par rapport audit dispositif étant double du déplacement du dispositif par rapport à une référence fixe et de sens opposé. Dans cette réalisation, donc, toutes choses égales d'ailleurs, l'amplitude du déplacement alternatif du dispositif peut être choisie moitié de celle des réalisations précédentes.
Avec la forme de réalisation montrée sur la fig.
11, comportant un dispositif comme selon la fig. 13, lorsque le système dispersif R est dans la position de réglage correspondant à une longueur d'onde contenue dans le flux émanant de la source S, et en l'absence d'un mouvement de vibration, à un pinceau P1 ayant traversé une partie transparente du dispositif
H correspond, après réflexion sur le miroir M, un pinceau P2 qui revient vers le dispositif H et le rencontre exactement suivant une zone réfléchissante de ce dernier, le pinceau réfléchi P3 acheminant vers le récepteur D toute l'énergie rayonnante du pinceau P.
Dans le cas où l'appareil selon la fig. 1 1 comporte un dispositif H du type montré sur la fig. 12, à un pinceau P1 ayant traversé le dispositif E et tombant sur le miroir M correspond, dans les mêmes conditions, un pinceau P2 qui, après nouvelle réflexion sur ledit miroir, traverse le dispositif E en une zone symétrique de celle de la traversée par le pinceau Pt, donc en une zone transparente dudit dispositif; ledit pinceau PO n'est donc pas acheminé vers le récepteur D.
Dans le cas où le pinceau P, transporte un rayonnement d'une longueur d'onde différente de celle qui est la longueur d'onde de réglage correspondant à la position du système dispersif, dans le domaine d'opérabilité du spectromètre, le pinceau
P2 qu'en fournit le système dispersif R et le miroir M tombe pour partie sur une zone transparente et pour partie sur une zone réfléchissante, de sorte que, toutes choses égales d'ailleurs, l'influence de l'énergie transportée sur cette longueur d'onde sur le récepteur D n'est pas la même que si cette longueur d'onde était la longueur d'onde de réglage.
La vibration relative entre le dessin que comporte le dispositif H et l'image dans son plan qu'en fournit l'appareil permet, dans des conditions analogues à celles qui ont été exposées ci-dessus, l'obtention d'un signal spectrométrique.
On obtient une grande stabilité de montage et de réglage, les moyens optiques mis en vibration étant éloignés suffisamment des autres moyens optiques pour que l'effet des vibrations ne se fasse pas sentir sur ces derniers.
L'ensemble est d'un faible encombrement, d'un faible poids et est particulièrement simple, en raison de l'unicité du dispositif jouant le rôle de dispositif d'entrée et de dispositif de sortie.
L'application d'un montage d'autocollimation permet de tirer meilleur parti des moyens collimateurs prévus dans un appareil de spectrométrie. On a sché- matisé sur la fig. 15 par un cercle 34 tracé dans le plan du dispositif d'entrée et/ou de sortie la région à l'intérieur de laquelle les aberrations géométriques introduites par lesdits moyens collimateurs sont acceptables, ainsi que les contours G d'un dispositif d'entrée et G' d'un dispositif de sortie inscrits dans cette région dans le cas de dispositifs distincts spatialement, et le contour d'un dispositif unique H permis par l'application de l'autocollimation et également inscrit dans cette région.
La comparaison de la surface intérieure au contour carré H et de la surface inténeure au contour G ou G' montre que, toutes choses égales d'ailleurs, l'application d'un montage à autocollimation permet d'aboutir à un appareil spectrométrique de luminosité plus élevée et ainsi de plus grande sensibilité.
Dans un procédé préféré de fabrication d'un dispositif unique jouant le rôle de dispositif d'entrée et de sortie d'un appareil de spectrométrie faisant appel à des moyens d'autocollimation, on réalise le dessin seulement d'une moitié dudit dispositif unique, limitée par une droite passant par le centre de symétrie, l'autre moitié étant obtenue par photographie de ladite première moitié à travers l'appareil, c'est-à-dire le ou les dispositifs collimateurs et le système dispersif. Pour cette photographie, le système dispersif est avantageusement disposé à sa position moyenne pour le domaine d'utilisation. On corrige ainsi à l'avance les aberrations introduites par l'appareil, cette correction s'appliquant tant à l'une des moitiés de l'organe qu'à l'autre moitié, en vertu du principe du retour inverse de la lumière.
Un tel mode d'exécution permet, avec un système dispersif déterminé, d'analyser un intervalle spectral relativement très large.
On se réfère maintenant à la fig. 14, relative à une forme de réalisation d'un dispositif spectrométrique à séries de zones qui peut être utilisée dans un appareil de spectrométrie selon l'invention. Dans cette forme de réalisation, le dispositif ou organe est composé de quatre quadrants 30, 31, 32, 33, dont chacun porte un dessin d'arcs d'hyperboles équilatères, analogue au dessin des quatre quadrants des réalisations suivant les fig. 2, 3 et 12, 13 ; dans la réalisation suivant la fig. 14, toutefois, la disposition relative des quatre quadrants est différente ; elle est telle que les côtés des quadrants avec lesquels les arcs d'hyperboles définissent des segments d'intersection les plus petits constituent les médiatrices du carré, tandis que, dans le cas des réalisations suivant les fig. 2, 3 et 12, 13, ils constituent les côtés des carrés.
Une telle réalisation permet de réduire l'influence des aberrations géométriques d'un miroir collimateur tel que le miroir M, les distances à l'axe optique du miroir des parties du dispositif où les lignes limites de zones sont très rapprochées l'une de l'autre étant, toutes choses égales d'ailleurs, plus petites que celles des réalisations suivant les fig. 2, 3 et 12, 13.
Un dispositif tel que montré sur la fig. 14 peut être utilisé dans un appareil spectrométrique comportant un dispositif d'entrée et un dispositif de sortie distincts, comme celui montré sur la fig. 1, dans un appareil spectrométrique comportant un dispositif unique ainsi que des moyens d'autocollimation, comme montré sur la fig. 11, et également dans un appareil qui ne comporte pas de moyens pour le déplacement périodique de l'image du dispositif d'entrée par rapport au dispositif de sortie.