CH623419A5 - - Google Patents

Description

La présente invention a pour objet un dispositif de photométrie. Elle trouve une application à la mesure de la densité optique de fluides (de liquides par exemple), et notamment à la mesure de la turbidité des eaux de rivière ou de réacteurs nucléaires, ou encore à la détection de polluants dans les liquides ou les gaz.

On connaît des dispositifs de photométrie constitués par une cuve contenant un volume du fluide à analyser et par des moyens optiques pour faire traverser ladite cuve par un faisceau de lumière. La mesure de l'atténuation due à la traversée de la cuve permet de calculer la densité optique du fluide et la concentration d'un des corps présents dans le fluide.

Ces dispositifs, s'ils conviennent bien dans certains cas, présentent néanmoins l'inconvénient d'offrir un faible parcours optique au faisceau lumineux, ce qui limite leur précision. On a donc proposé des dispositifs munis de deux miroirs, généralement plans, disposés de part et d'autre de la cuve de telle manière que le faisceau lumineux puisse aller et venir entre les miroirs et que le trajet optique soit allongé pour un même encombrement.

Le dispositif de la présente invention appartient à cette catégorie d'appareils, mais il est beaucoup plus performant en ce qui concerne la précision de la mesure qu'il permet d'effectuer, car les moyens optiques qu'il utilise sont tels que le trajet du faisceau lumineux dans le fluide à analyser est beaucoup plus grand que dans les dispositifs de l'art antérieur; ce trajet est par exemple de l'ordre du mètre pour une cuve dont la longueur est d'environ 10 cm, avec un écartement entre miroirs qui est de l'ordre d'une vingtaine de centimètres.

Ce résultat est obtenu parce que le nombre de réflexions du faisceau lumineux sur les miroirs peut être important dans l'invention et par exemple de l'ordre de 10. Or, dans les dispositifs de l'art antérieur, ce nombre est nécessairement limité à 3 ou 4 car, au-delà, le faisceau lumineux s'écarte de l'axe de l'appareil à un point tel qu'il ne vient plus frapper les miroirs de renvoi; de plus, comme ces miroirs sont plans, la section droite du faisceau s'élargit dans des proportions considérables, ce qui ne permet pas de détecter dans de bonnes conditions la lumière à la sortie de la cuve.

Pour éviter ces inconvénients, on utilise essentiellement, selon l'invention, d'une part, des miroirs concaves dont les centres de courbure sont légèrement décalés l'un par rapport à l'autre et, d'autre part, une lentille de champ disposée au voisinage desdits centres et qui conjugue optiquement les deux miroirs.

L'introduction du faisceau lumineux de mesure s'effectue au niveau de la lentille de champ par une optique dont la pupille de sortie est disposée au voisinage de la lentille de champ, donc au voisinage des centres de courbure. Or, on sait, conformément à des lois classiques en optique, que l'image d'un point objet situé au voisinage du centre de courbure d'un miroir sphérique est un point image tel que ledit centre de courbure est, en première approximation, le milieu du segment formé par le point objet et le point image. La pupille de sortie de l'optique d'entrée donne donc, après une première réflexion dans l'un des miroirs, une image qui donne à son tour, par réflexion sur le second miroir, une seconde image symétrique de la première par rapport au centre de courbure du second miroir, et ainsi de suite; on obtient donc, par le jeu des réflexions multiples sur les miroirs, une suite d'images toutes distinctes les unes des autres et qui sont sensiblement situées dans le plan contenant les centres de courbure. Une optique de sortie est alors disposée de telle manière que sa pupille d'entrée coïncide avec l'une de ces images. Autrement dit, les pupilles de sortie et d'entrée des optiques respectivement d'entrée et de sortie sont conjuguées optiquement par les miroirs, après un nombre quelconque, mais déterminé, de réflexions. Quant à l'optique de champ, son rôle est d'éviter que les rayons lumineux ne s'éloignent trop de l'axe du système.

Grâce à l'utilisation de cette optique de champ et à la conjugaison des pupilles d'entrée et de sortie, le nombre de réflexions peut être augmenté, ce qui allonge le trajet dans la cuve d'analyse, l'extraction de l'énergie lumineuse à la sortie du dispositif s'effectuant cependant dans d'excellentes conditions malgré la longueur dudit trajet. Ces deux caractéristiques confèrent donc au dispositif de l'invention une grande sensibilité que n'offrait aucun des dispositifs connus.

De manière plus précise, la présente invention a pour objet un dispositif de photométrie du genre de ceux qui comprennent deux miroirs se faisant face, des moyens d'introduction d'un faisceau lumineux entre lesdits miroirs, des moyens d'extraction dudit faisceau lumineux après réflexions multiples sur lesdits miroirs et des moyens pour introduire entre lesdits miroirs un fluide à mesurer, caractérisé en ce que les deux miroirs sont des miroirs concaves dont les centres de courbure sont légèrement décalés l'un par rapport

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à l'autre et en ce qu'il comprend une optique de champ par transmission disposée au voisinage desdits centres et qui conjugue optiquement les miroirs, les moyens d'introduction du faisceau lumineux consistant en une première optique ayant une pupille de sortie disposée au voisinage de l'optique de champ, les moyens d'extrac- s tion dudit faisceau lumineux consistant en une seconde optique ayant une pupille d'entrée disposée au voisinage de l'optique de champ, lesdites pupilles de sortie et d'entrée étant conjuguées optiquement par le jeu des réflexions multiples sur les miroirs.

Par centres de courbure légèrement décalés, on entend des 10 centres éloignés l'un de l'autre d'une distance faible par rapport aux rayons de courbure des miroirs, et par exemple inférieure au dixième desdits rayons, de telle sorte que le système optique travaille dans l'approximation de Gauss.

Bien que tout système optique qui est apte à introduire un 15 faisceau lumineux entre deux miroirs ou à l'en extraire puisse convenir (par exemple des systèmes à prismes ou à lentilles ou des systèmes à laser et à déflecteur), on utilise de préférence, pour constituer ces organes, des guides de lumière formés de conduits ou de faisceaux de fibres optiques. 20

De toute façon, les caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif en référence aux dessins annexés sur lesquels: 25

- La fig. 1 représente une coupe longitudinale du dispositif de l'invention;

- La fig. 2 est un schéma explicatif montrant la marche des rayons lumineux en l'absence d'optique de champ, dans un plan longitudinal; 30

- La fig. 3 est un schéma explicatif montrant la répartition des différentes images dans le plan de section droite contenant des centres de courbure;

- La fig. 4 est un autre schéma montrant la dimension desdites images dans ledit plan de section droite; 35

- La fig. 5 est un schéma représentant la marche des rayons lumineux dans un plan longitudinal, compte tenu de l'optique de champ ;

- La fig. 6 représente un schéma synoptique d'un analyseur photométrique à distance utilisant le dispositif de l'invention.

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Le dispositif représenté sur la fig. 1 comprend deux miroirs concaves Mi et M2 dont des centres de courbure, respectivement Ci et C2, sont légèrement décalés l'un par rapport à l'autre, d'une distance faible par rapport aux rayons de courbure desdits miroirs ; une optique de champ 2 est disposée au voisinage des centres Ct et C2 ; cette optique est constituée par au moins une lentille, par exemple plan-convexe. Une première fibre optique 4 constitue un moyen particulier d'introduction d'un faisceau de lumière entre les miroirs. Cette fibre possède une face de sortie 6 située dans l'optique de champ 2. Une seconde fibre optique 8 constitue un moyen par-ticulier d'extraction de la lumière; elle possède une face d'entrée 10. Les faces 6 et 10 des fibres optiques sont conjuguées optiquement par les réflexions multiples sur les miroirs Mi et M2. Cette caractéristique apparaîtra plus clairement par la suite. En cours de fonctionnement, la fibre 4 est reliée à une source de lumière 12 et la fibre 8 5J à un détecteur 14.

Combinés à ces moyens optiques se trouvent des moyens pour faire passer entre les miroirs le fluide dont on veut mesurer l'une des caractéristiques optiques, l'absorption par exemple. Ces moyens comprennent une enveloppe 16 fermée à une extrémité par le miroir 60 M2 et, sensiblement en son centre, par l'optique de champ 2; cette enveloppe est percée de deux ouvertures 18 et 20, respectivement pour l'entrée et la sortie du fluide; ce fluide est en général, mais non exclusivement, un liquide 22.

Le miroir M2 est en général fixe par rapport à l'enveloppe et le 65 miroir Mt, qui ne baigne pas dans le liquide 22, est muni de moyens de réglage de son orientation et de sa position ; ces moyens sont constitués, dans la variante illustrée, par des vis de réglage 24.

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Le miroir M2 peut être constitué par deux faces concentriques, la face externe, qui n'est pas au contact du liquide, étant recouverte d'un dépôt réfléchissant.

Le miroir Mj possède avantageusement une petite épargne 26 ménagée dans sa couche réfléchissante et qui sert à vérifier les réglages optiques. Dans certains cas, cette épargne peut être remplacée par une ouverture percée dans le miroir.

Si l'on désire utiliser le dispositif en immersion dans un liquide, on protège le système de réglage du miroir Mt par un boîtier étanche 28 et l'on prévoit des joints d'étanchéité 30 et 32 autour des fibres 4 et 8.

Il va de soi que, dans une autre variante, l'enceinte pourrait être fermée par les deux miroirs Mi et M2, auquel cas le liquide serait réparti de part et d'autre de la lentille de champ. Mais, pour éviter des problèmes d'étanchéité au niveau du miroir mobile, on préfère en général la variante illustrée qui permet de constituer une cuve avec des pièces fixes.

Pour décrire le fonctionnement d'un tel dispositif, il est commode de se référer aux schémas des fig. 2 à 4, qui montrent le trajet des rayons lumineux entre les miroirs et la répartition des différentes images de la pupille d'entrée du système.

Pour simplifier l'exposé du fonctionnement, on suppose, dans un premier temps, que la lentille de champ (qui est placée normalement entre les miroirs) n'existe pas. Tel est le cas sur la fig. 2 qui représente le trajet des rayons lumineux entre les miroirs projeté sur un plan longitudinal. Cette figure est tracée dans le cas où les centres de courbure Ci et C2 des miroirs sont exactement situés dans un même plan de section droite; mais il va de soi qu'ils pourraient être légèrement décalés par rapport à un tel plan.

Le point A0 représente la pupille d'entrée du système optique, c'est-à-dire, pratiquement, la face de sortie 6 du guide de lumière 4. Selon une loi de l'optique géométrique bien connue, l'image du point Ao dans le miroir Mi du centre Ci est un point Ai symétrique de A0 par rapport à Ci. L'image de A! dans le miroir M2, de centre C2, est un point A2 symétrique de Ai par rapport à C2. L'image de A2 est située en A3 symétrique de A2 par rapport à Ci, et ainsi de suite pour les autres images nées des autres réflexions.

La face d'entrée 10 de la fibre 8 coïncide avec l'une de ces images de la face de sortie 6 de la fibre d'entrée 4. Cette face 10 constitue donc la pupille de sortie de l'ensemble optique. Ainsi, la fibre de sortie est-elle disposée de telle sorte que les pupilles 6 et 10 soient conjuguées optiquement par le jeu des réflexions multiples.

Sur la fig. 2, cette conjugaison s'effectue après trois réflexions, mais il va de soi que ce nombre relativement faible n'est choisi ici que pour simplifier la figure et que, dans la pratique, il peut être avantageusement beaucoup plus grand, puisque le trajet optique, donc la sensibilité de l'appareil, croît avec le nombre de réflexions.

Dans un plan de section droite passant par les centres de courbure (ou au voisinage de ceux-ci, conformément à la réserve faite plus haut), la situation est celle des fig. 3 et 4. Sur la fig. 3, les points objet et image sont repérés dans un système d'axes yoz où o est le milieu du segment CiC2, dont la longueur est notée d. Le point objet Ao a pour coordonnées a et h. Il est aisé de voir que la suite des coordonnées des points image est la suivante:

- pour Ai: —a et —(d+h);

- pour A2:aet2d+h;

- pour A2„_i: —aet —(2n —l)d—h;

- pour A2n : a et 2nd+h.

L'écart entre deux images successives A2n et A2n+2 situées d'un même côté de la ligne des centres est de 2d. Or, il est souhaitable que ces images soient séparées de sorte que, si l'on désigne par D le diamètre hors tout de la fibre d'entrée 4 et par Du le diamètre utile de la face de sortie 6, la condition suivante doit être respectée:

2d>D/2+Du/2

L'écart entre deux images successives A2n et A2n+1 situées de part et

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d'autre de la ligne des centres est égal à 2a; pour séparer ces deux images, une seconde condition doit être respectée qui est:

2a>D/2+Du/2

Ces deux relations permettent de déterminer les valeurs limites inférieures de d et a, connaissant les dimensions de la fibre optique d'entrée. La situation limite qui correspond à l'égalité entre les deux membres des relations précédentes est illustrée par la fig. 3.

Comme les rayons lumineux s'écartent de plus en plus de l'axe après chaque réflexion, ils finissent par ne plus frapper les miroirs, de sorte que le nombre de réflexions se trouve limité. Pour l'augmenter et, par là même, pour obtenir un trajet optique très long, sans avoir recours à des miroirs de dimensions excessives, ce qui augmenterait le volume de liquide nécessaire, on place, selon l'invention, une optique de champ au voisinage des centres de courbure. La focale de cette optique est telle que les miroirs et M2 sont conjugués optiquement. Toutes les taches produites par les différentes images sur les miroirs sont alors confondues, comme il est représenté sur la fig. 5.

Le nombre de réflexions n'est alors plus limité que par la dégradation de l'image lorsque l'on s'éloigne du centre de courbure des miroirs et par la dimension de la lentille de champ qui reste, bien entendu, finie.

Après cette explication du fonctionnement de l'appareil on observera que ce dispositif est utilisable quel que soit l'indice d'optique du liquide à analyser.

A titre purement explicatif, le demandeur a réalisé un dispositif qui présentait les caractéristiques suivantes:

Rayon de courbure intérieur des miroirs 100 mm

Nombre de réflexions 9

Trajet optique dans la demi-cuve 1000 mm

Diamètre de la cuve du côté des fibres ^25 mm

Diamètre de la cuve du côté du miroir pour une divergence à la sortie de la fibre d'environ 20°.. =^35 mm

Diamètre extérieur des fibres ~5mm

Focale de la lentille de champ environ 50 mm

Diamètre utile des fibres ~3 mm

Volume de la cuve ~ 75 cm3

Les pertes dans la cuve sont principalement dues aux pertes subies à chaque réflexion sur les miroirs puisque leur coefficient de réflexion est inférieur à l'unité et aux pertes par réflexion sur les surfaces de verre traversées. Les pertes par aberrations géométriques et par absorption dans les verres peuvent être considérées comme négligeables. Pour un aller-retour dans la cuve, il se produit deux réflexions sur les miroirs et deux traversées des surfaces de verre. Avec des pertes par réflexion de 5% par miroir et des pertes de 5% par traversée (si l'une des faces de la lentille de champ est traitée par une couche antireflet), la densité optique pour un aller-retour est de 0,1 environ. Pour cinq allers-retours, soit un parcours de 1 m environ, la densité optique de la cuve est de 0,5.

Un tel dispositif permet d'effectuer des mesures de turbidité extrêmement fines avec une excellente reproductibilité (coefficient de corrélation de 0,999). Ainsi, il est possible, avec ce dispositif, de mettre en évidence une différence de turbidité entre l'eau distillée prise comme zéro et l'eau du robinet (environ 0,2 de densité optique) ou l'eau permutée (environ 0,05 de densité optique).

Un exemple d'application du dispositif est la mesure de la turbidité des eaux de rivières et des eaux de réacteurs nucléaires. Dans ce dernier cas, on peut indiquer que la limite de sensibilité avec la magnétite se situe aux environs d'une partie par milliard.

Un autre exemple est la mesure de la concentration en uranium d'une solution. Avec une cuve de 5 cm de parcours optique (cas des appareils connus de l'art antérieur), on obtient une limite de sensibilité à environ 0,1 g/1-1 pour 0,02 de densité optique. Avec le dispositif décrit, on obtient les résultats suivants:

Densité optique mesurée

Solution à 0,15 g-1_1 0,635

Dilution 1/2 soit 0,075 g-1 ~1 0,325

Dilution V4 soit 37,5 mg-1 ~1 0,172

Dilution Vs soit 18,75 mg • 1 ~1 0,088

Dilution Vi6 soit 9,37 mg-1 ~1 0,040

Dilution V32 soit 4,68 mg • 1 ~1 0,018

Dilution 764 soit 2,34 mg -1 ~1 0,002

Le même dispositif, muni de fibres optiques de 1 m de longueur éclairées par un laser à hélium-néon de 4 |iW permet la mesure de traces de nickel dans une solution, bien que le pic d'absorption du nickel soit décalé par rapport à la longueur d'onde du laser.

Sur la fig. 6 est représenté un schéma d'un analyseur photométrique à distance utilisant le dispositif de l'invention. Ce dispositif, repéré par la référence 34, plonge dans le liquide 36 à analyser. Il est alimenté par une source de lumière 38 reliée au dispositif 34 par une fibre optique 40. Le retour de la lumière s'effectue par une fibre 42 qui se divise en deux paquets de fibres 44 et 46. Un premier détecteur 48, réglé sur un pic d'absorption du corps à détecter, reçoit la lumière transmise par la fibre 46 à travers un coin optique 50. Un second détecteur 52, réglé sur la vallée de la courbe d'absorption, reçoit la lumière transmise par la fibre 44. Le coin 50 sert à équilibrer les deux voies de détection. Les signaux délivrés par des détecteurs 48 et 52 sont véhiculés par des connexions vers un ensemble de mesure 54, qui comprend notamment un colorimètre 56 recevant l'un ou l'autre des signaux de détection à travers un commutateur 58, qui est commandé par un circuit programmé 60. Cet ensemble comprend en outre des circuits d'alimentation et de régulation 62 de la source lumineuse 38 et un interrupteur 64 arrêt-marche.

Il va de soi que, si le système décrit travaille généralement en absorption, il peut tout aussi bien travailler en diffusion de la lumière, et cela avec tout fluide, liquide bien entendu, mais aussi gazeux.

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3 feuilles dessins

Claims (10)

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1. Dispositif de photométrie comprenant deux miroirs se faisant face, des moyens d'introduction d'un faisceau lumineux entre les-dits miroirs, des moyens d'extraction dudit faisceau lumineux après réflexions multiples sur lesdits miroirs et des moyens pour introduire entre lesdits miroirs un fluide à mesurer, caractérisé en ce que les deux miroirs sont des miroirs concaves dont les centres de courbure sont légèrement décalés l'un par rapport à l'autre et en ce qu'il comprend une optique de champ par transmission disposée au voisinage desdits centres et qui conjugue optiquement les miroirs, les moyens d'introduction du faisceau lumineux consistant en une première optique ayant une pupille de sortie disposée au voisinage de l'optique de champ, les moyens d'extraction dudit faisceau lumineux consistant en une seconde optique ayant une pupille d'entrée disposée au voisinage de l'optique de champ, lesdites pupilles de sortie et d'entrée étant conjuguées optiquement par le jeu des réflexions multiples sur les miroirs.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites première et seconde optiques sont constituées par des guides de lumière, notamment par des fibres optiques, lesdits guides ayant des faces respectivement de sortie et d'entrée confondues avec lesdites pupilles de sortie et d'entrée.

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REVENDICATIONS

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens pour introduire entre les miroirs un fluide consistent en une cuve constituée par une enveloppe fermée à une extrémité par l'un des miroirs et en son centre par l'optique de champ, ladite enveloppe étant munie d'un conduit d'entrée du fluide et d'un conduit de sortie dudit fluide.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le miroir fermant la cuve est constitué par une lame transparente à deux faces concentriques, la face externe étant revêtue d'une couche réfléchissante.

5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le miroir fermant la cuve est fixe par rapport au dispositif.

6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le miroir n'appartenant pas à la cuve est muni de moyens de réglage de son orientation et de sa position.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit miroir comprend une petite épargne ou une ouverture ménagée dans sa couche réfléchissante et utilisée au réglage de la cuve.

8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour introduire entre les miroirs un fluide consistent en une cuve constituée par une enveloppe fermée à ses deux extrémités par les deux miroirs, ladite enveloppe étant munie d'un conduit d'entrée du fluide et d'un conduit de sortie dudit fluide.

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 8, caractérisé en ce que lesdits conduits sont constitués par des ouvertures percées dans l'enveloppe, le dispositif pouvant alors travailler en immersion.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'optique de champ est constituée par au moins une lentille.