FR2493998A1 - Dispositif de transfert d'energie optique ne formant pas d'image - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE LES DISPOSITIFS D'OPTIQUE. UN DISPOSITIF DE TRANSFERT D'ENERGIE OPTIQUE COMPREND NOTAMMENT UN GUIDE DE LUMIERE A SECTION VARIABLE 40 ET UNE LENTILLE ASSOCIEE 28. LA COMBINAISON LENTILLEGUIDE DE LUMIERE EST PLACEE ENTRE DEUX PARTIES DISTINCTES DU DISPOSITIF QUI ONT LA MEME CAPACITE DE TRANSFERT D'ENERGIE OPTIQUE, MAIS DIFFERENT EN CE QUI CONCERNE L'OUVERTURE UTILE, LE FOYER DU FAISCEAU ET LES TAILLES DE PUPILLES. APPLICATION AUX SPECTROMETRES A INFRAROUGE.
Description
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La présente invention concerne de façon générale les dispositifs optiques et elle porte plus particulièrement sur de tels dispositifs qui sont employés dans les instruments qui font intervenir le transfert d'énergie optique entre des emplacements distincts dans l'espace. On connaît depuis de nombreuses années des dispositifs de transfert d'énergie optique qui combinent une série de lentilles et de miroirs, et ces dispositifs ont en fait joué un rôle important dans le développement commercial de certains types d'instrumentation analytique. Un exemple d'un tel instrument consiste en un spectromètre qui fait passer un faisceau lumineux dans une cellule d'échantillon pour mesurer le spectre d'absorption d'un gaz inconnu, dans une région de
longueur d'onde prédéterminée.
Deux caractéristiques importantes des types de dispositiÉ optiquesdécrits ici consistent en ce qu'ils doivent être capables de modifier l'ouvertureutMe f/ du faisceau pendant qu'il traverse le dispositif tout en assurant simultanéent l'adaptation pratique de la capacité de transfert d'énergie optique d'une partie de l'instrument à une autre, pour éviter les pertes d'énergie par dégradé de la périphérie. Ceci est particulièrement important dans les instruments d'optique du commerce d'aujourd'hui dans lesquels des limitations de taille et de coût conduisent à des exigences optiques qui varient considérablement entre des emplacements distincts dans l'espace
à l'intérieur de l'instrument.
Dans la présente description, on entend par le terme ouver-
ture utile f/F,le rapport qui définit habituellement les propriétés d'ad-
mittance de la lumière d'un objectif ou d'une lentille (rapport entre la distance focale et le diamètre de la pupille d'entrée de cet objectif ou de cette lentille). En fait, cette grandeur, qui est sans dimension, représente également l'angle de divergence de la lumière. Cependant, d'une façon plus
générale, le rapport peut également concerner un faisceau de lumière frap-
pant par exenmple le dispositif optique décrit dans la présente description.
Dans l'exemple particulier d'un spectromètre infirarouge il est souhaitable d'obtenir le niveau de signal le plus élevé à partir de la puissance de source disponible, en faisant passer le plus possible d'énergie infrarouge dans le dispositif, à travers la fente du monochromateur. Par conséquent, on utilise un faisceau d'entrée avec le plus grand angle solide ne sacrifiant pas la résolution spectrale (par exemple f/1,5 pour un spectromètre basé sur un filtre variable circulaire) ,pour former la première image (foyer du faisceau) de la source, au niveau de la fente. Cependant,, la divergence du faisceau lorsqu'il traverse la cellule est plus fortement limitée à cause des aberrations optiques et des exigences concernant la taille pratique de la cellule d'absorption elle-même et de l'optique associée. Le faisceau qui entre dans la cellule et
en sort a de façon caractéristique une ouverture f/4,5.
Le produit de l'aire de la fente par l'angle solide du faisceau au niveau de la fente établit la capacité de transfert d'énergie optique du spectromètreo Pour que l'instrument ait les meilleures performances, la capacité de transfert d'énergie optique dans d'autres parties du dispositif, comme la cellule d'absorption, doit être la même, de façon à maximiser la capacité de transfert d'énergie, bien que les exigences relatives à l'ouverture utile puissent varier laraemxent.Pour minimiser les pertes d'énergie par dégradé de la périphérie, les dimensions de pupille définies dans les parties respectives doivent être préservées, tandis que les angles solides des faisceaux, notablement différents dans diverses parties du dispositif, sont simultanément adaptéso Les dispositifs de transfert d'énergie optique de l'art antérieur présentent certains inconvénients. En particulier, lorsque des faisceaux à très grand angle, ou des faisceaux "rapides"interviennent, un dispositif lentilles/miroirs classique nécessite des lentilles puissantes (c'est-àdire de courte distance focale) pour produire une variation désirée de l'ouverture utile avec un dégradé périphérique minimalo Cependant, de telles lentilles produisent des aberrations et des réflexions de Fresnel, et sont donc elles-mêmes des sources de perte d'énergie pour le dispositif0 En outre, ces lentilles occupent de l'espace et des lentilles de champ comme des lentilles de focalisation sont nécessaires pour obtenir le résultat désiré, tout ceci
augmentant la taille et le poids d'ensemble de l'instrument.
L'invention supprime les inconvénients et les limitations de l'art antérieur par l'utilisation d'un guide de lumière à section variable et d'une lentille de champ associée en tant que dispositif de transfert d'énergie "central" dans un dispositif de transfert d'énergie optique du type ne formant pas d'image. CO consdère que le guide de lumière à section variable se trouve au centre du dispositif optique du fait qu'il adapte à ses extrémités des faisceaux ayant des exioences différentes relatives à l'ouverture utile, au cours du transfert d'énergie d'une partie du dispositif vers une autre. En coïncidence avec le transfert des foyers de faisceau, la coirbinaison lentille/
guide de lumière à section variable adapte les pupilles de la partie corres-
pondant à la petite extrémité aux pupilles de la partie correspondant à la
grande extrémité.
Dans un nmde de réalisation préféré de l'invention qu'on décrira ul-
térieurement en détail, un spectromètre infrarouge utilise un guide de lanière à section variable de section transversale rectangulaire en tant qu'élément de la liaison optique entre la source d'énergie infrarouge
monochromatique et la cellule d'absorption par l'échantillon.
Un foyer du faisceau de la source est formé par l'intermédiaire d'un faisceau "rapide" au niveau de l'ouverture correspondant à la petite extrémité du guide de lumière, qui fait fonction de fente de définition de filtre. Le faisceau qui sort par la grande extrémité du guide présente un angle solide qui est suffisamment réduit pour être adapté aux exigences optiques de la cellule qui sont essentiellement préétablies par l'aire de la pupille de limitation de la cellule (miroir objet), par l'aire du foyer du faisceau qui se trouve à la grande extrémité du guide et par la séparation entre eux. Ces quantités établissent la capacité de transfert d'énergie optique de la cellule d'absorption. La capacité de transfert d'énergie optique de la partie source/monochromateur est conçue de façon à 9tre
la même.
La pupille de limitation est transférée simultanément de l'autre côté du guide de lumière par un second élément optique, à savoir une lentille de champ adjacente à la grande extrémité du guide. La lentille, associée à la variation de section correctement choisie du guide de lumière,assure un transfert d'énergie pratiquement total entre les pupilles, ce qui maintient la capacité de transfert d'énergie optique dans tout le dispositif. De plus, l'utilisation d'un guide de lumière a section variable supprime la fonction de deux lentilles relativement puissantes (ou de miroirs équivalents) dans une structure lentilles/miroirs comparable. Ceci permet une construction plus simple et de plus faible encombrement qui
facilite la conception d'un instrument portable.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la
description qui va suivre de modes de réalisation et en se
référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma optique d'un dispositif de transfert d'énergie optique de l'art antérieur qui est utilisé en association avec un spectromètre; La figure 2 est un schéma optique d'un mode de réalisation préféré d'un dispositif de transfert d'énergie optique construit conformément à l'invention et également utilisé en association avec un spectromètre; La figure 3 est une vue en perspective d'un guide de lumière à section variable qui est destiné au mode de réalisation de la figure 2; La figure 4 est une représentation schématique du dispositif de transfert d'énergie optique de l'invention qui montre des techniques de -construction pour une combinaison lentille/guide de lumière à section variable permettant d'obtenir la capacité maximale de transfert d'énergie optique; La figure 5 est un diagramme des rayons traversant la combinaison lentille/guide de lumière du mode de réalisation de la figure 2; et La figure 6 est un schéma optique du dispositif de transfert d'énergie de la figure 2 utilisé en association avec
un cristal à réflexions internes multiples.
Une explication des disnositifs de transfert d'énergie optique de l'art antérieur; utilisés en combinaison avec des spectromètres, permettra de comprendre plus clairement la
structure et le fonctionnement du dispositif de l'invention.
On se reportera à la figure 1 qui représente sous forme schématique un spectromètre infrarouge classique 10 qui est constitué de trois ensembles principaux: une tête d'instrument 12, une cellule d'absorption pour l'échantillon 14, et un détecteur pyroélectrique 16. Le dispositif de transfert optique du spectromètre englobe ces trois ensembles. La tête 12 contient une source lumineuse 20, un miroir de source 21, et un filtre variable circulaire 22 qui produisent une première image S1 de la source de longueur d'onde infrarouge appropriée au niveau d'une fente de sortie rectangulaire 23. La figure montre également le dispositif de découpage tournant habituel 24 qui découpe le faisceau continu en une série d'impulsions pour permettre au détecteur et au dispositif de traitement de signal associé de réagir aux variations d'énergie qui les atteignent, tout en rejetant la plus grande partie du bruit électrique présent dans le dispositif. Entre la tête et la cellule d'échantillon, une lentille de focalisation au bromure d'argent 26 est placée de façon à produire une seconde image S2 de la source sur une fenêtre d'entrée 28 de la cellule d'échantillon. La fenêtre d'entrée consiste en fait en une lentille de champ qui dirige vers la lentille de focalisation une image P d'un miroir objet 30 placé à l'extrémité éloignée de la cellule, de façon que le miroir objet soit entièrement éclairé par le faisceau qui émerge de la fenêtre d'entrée, Le miroir objet est la pupille de limitation P1 de la cellule d'échantillon et, en liaison avec le foyer de faisceau associé au niveau de la fenêtre d'entrée de la cellules il définit la capacité de transfert d'énergie optique de l'ensemble du
dispositif optique.
Le miroir objet 30 réfléchit alors le faisceau vers la fenêtre de sortie 29 de la cellule, o se forme une troisième iage S3dela soure. Ie faisceau qui sort de la cellule 14 est finalement dirigé sur une lentille de détecteur 32 pour produire
une quatrième image de la source, S4, au niveau du détecteur 16.
La réponse qui est produite par cette image est ensuite traitée conformément à des techniques bien connues pour réaliser une analyse spectrale du gaz échantillon qui est contenu dans la cellule. Le faisceau qui entre dans la cellule 14 et en sort a une ouverture utile f/9 (par exemple f/4,5) qui est notablement supérieure à celle du faisceau qui est focalisé à travers la fente 23 (par exemple f/1,5). Dans ce cas, l'adaptation d'angle du faisceau pour le transfert d'énergie est accomplie par la lentille de focalisation 26, Comme il est représenté, la lentille 26 a une très courte distance focale et, de ce fait, elle est sujette à des aberrations chromatiques et autres ainsi qu'à des réflexions de surface, tout ceci entraînant une perte d'énergie dans le dispositif et, de façon correspondante, un moins bon rapport signal/bruit pour une puissance d'entrée donnéeo On voit également qu'en dépit du fait que l'image P de la pupille de limitation P1 est transmise hors de la cellule 14 au moyen de la lentille de champ 28 et est dirigée sur la lentille de focalisation 26, l'image de la pupille n'est pas transférée vers la partie d'entrée (c'est-à-dire la t9te d'instrument 12) du dispositif, comme le montre le rayon extrême projeté en arrière, 33, qui ne tombe pas sur le miroir de source. Ainsi, de nombreux rayons sont perdus dans le dispositif de transferto En l'absence d)une autre lentille de champ placée au niveau de la fente 23,0ud'rlie maGe nz de la taille du miroir de source 21, la capacité de transfert d'énergie optique se trouve réduite. I1 n'est pas réalisable en pratique d'éliminer ce dégradé périphérique gênant en prenant de telles mesures, du fait que les très courtes distances focales des composants optiques qui interviennent
produiraient d'autres pertes plus importantes.
On va maintenant considérer la figure 2 qui va permettre de comprendre plus complètement la structure du dispositif de transfert d'énergie optique de l'invention. La figure 2 montre également l'utilisation du système en combinaison avec un spectromètre et, pour snuligner particulièrement certains avantages du dispositif de transfert de l'invention, les deux spectromètres comportent des cellules d'absorption pour échantillon de longueur identique, tandis que les dimensions du reste de l'instrument sont proportionnées à cette longueur. On considérera plus perticulièrement la partie du faisceau qui va du dispositif de découpage/réseau de filtrage jusqu'à la fenêtre d'entrée 28 de la cellule. Le reste du dispositif, à l'exception de l'optique de détecteur qu'on décrira par la suite, est identique à ce qui a été décrit ci-dessus et, pour la facilité de la comparaison, on a conservé les mêmes numéros de référence pour les deux figures. On considère donc qu'aucune explication supplémentaire de ces
composants n'est nécessaire.
Comme le montre la figure 2, un guide de lumière à section variable 40 est placé dans le chemin du faisceau optique entre la tête 12 et la cellule d'absorption 14. Des guides de lumière à section variable de diverses configurations sont utilisés maintenant depuis un certain temps en tant que collecteurs ou concentrateurs d'énergie, et ils sont conçus le plus souvent de façon à recevoir par la grande extrémité les rayons lumineux qui proviennent d'une source, et à focaliser l'énergie optique sur un détecteur placé directement à la petite extrémité, la focalisation s'effectuant par réflexions internes à l'intérieur du guide. On pourra trouver des détails supplémentaires sur les propriétés et la structure de tels guides de lumière à section variable dans un article intitulé "Cone Channel Condenser Optics" par D.E. Williamson, publié dans la revue: Journal of the Optical Society of America, Vol. 42 n0 10, octobre 1952. Ainsi, l'article précité considère l'utilisation de guides de lumière à section variable en tant que point de terminaison du dispositif optique, et non en tant qu'élément d'un dispositif de transfert d'énergie. Cependant, dans le mode de réalisation considéré, le guide de lumière, qui comporte un canal intérieur creux 46 de section transversale rectangulaire (voir la figure 3), forme un canal fermé au centre du dispositif optique, et sa petite extrémité 42 coïncide avec un foyer du faisceau dans la tete et sa grande extrémité 44 coïncide avec le foyer du faisceau qui se trouve au niveau de la cellule. Plus précisément, la petite extrémité du guide fait saillie en direction du filtre 22 et touche presque ce dernier, de façon que sa position coïncide avec un foyer du faisceau (image S1 de la source). De plus, l'aire.de l'ouverture de la petite extrémité correspond à la section transversale de ce foyer du faisceau et fait donc fonction de fente de définition de filtre. D'autre part, la grande extrémité porte contre la fenêtre d'entrée de cellule/lentille de champ 28, qui est également un foyer du faisceau ayant une aire de section transversale identique à celle de l'ouverture de la grande extrémité. Après avoir traversé la cellule d'absorption 14 et s'être réfléchi sur le miroir objet 30, le faisceau est dirigé vers la fenêtre de sortie de la cellule, 29, qui concentre les rayons sur un second guide de lumière à section variable
, dont la grande extrémité 54 couvre la fenêtre de sortie.
Ce guide de lumière est de structure similaire au guide de lumière 40, mais du fait de la plus courte distance entre la fenêtre des sortie et le détecteur 16, il présente une plus forte variation de section. Il faut également noter que le détecteur est positionné directement à la petite extrémité 52 du guide. Ainsi, ce guide de lumière à section variable remplit la fonction d'un collecteur d'énergie du type mentionné ci-dessus et expliqué de façon très détaillée dans l'article précité, Une comparaison des figures 1 et 2 montre, outre l'élimination des lentilles de focalisation de grande puissance, qu'il est possible de raccourcir la distance entre la tête 12 et la cellule 14. De telles dimensions réduites ont non seulement pour effet d'améliorer la structure d'un instrument portable, mais également de réduire les perturbations dues.à l'atmosphère, en établissant des chemins de faisceaux optiques plus courts à l'extérieur de la cellule d'absorption. Tout en diminuant les dimensions linéaires, l'invention offre l'avantage supplémentaire, qu'on expliquera ci-après de façon plus détaillée, qui consiste à maximiser le transfert d'énergie
entre la source 20 et la cellule d'absorption.
La figure 3 montre les détails de la structure du guide de lumière à section variable 40. Ce guide est constitué par quatre pièces en matière thermoplastique incolore de 6,35 mm d'épaisseur, soit deux pièces supérieure et inférieure identiques
A et deux pièces de parois latérales à section variable-
identiques, 40B. Les pièces supérieure et inférieure comportent une languette centrale 43 qui s'étend sur toute la longueur de la pièce et qui est conçue de façon à positionner les parois latérales à section variable de telle manière qu'après assemblage, le canal intérieur creux 46 soit formé et que les surfaces extérieures du guide présentent un contour lisse. Les parois intérieures des quatre pièces qui définissent le canal sont dorées pour réduire les pertes par réflexion, ce qui améliore le transfert d'énergie avec un bon rendement dans le guide. Le rapport entre les hauteurs des ouvertures aux deux extrémités et les largeurs respectives, qui définit
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le grossissement M, et par conséquent la possibilité de variation de l'ouverture utile f/i qu'offre le guide, est maintenu constant. Dans ce mode de réalisation, l'ouverture de la grande extrémité 44 mesure 20 mm x 5 miu et l'ouverture de la petite extrémité 42 mesure 5 mm x 1,25 mm, ce qui fait qu'on a M = 4. Par conséquent, le guide de lumière accepte un faisceau d'ouverture utile f/1,5 et il augmente l'ouverture utile dans un rapport 4 en transformant le faisceau, à la
grande extrémité, en un faisceau d'ouverture utile f/6.
La figure 4 représente sous forme schématique les techniques de construction destinées à l'application de la combinaison d'un guide de lumière à section variable et-d'une lentille de champ à un dispositif de transfert d'énergie optique, de façon à adapter les paramètres optiques concernant les
lagrangiens et la capacité de transfert d'énergie du dispositif.
Ceci maximise le transfert d'énergie dans le dispositif et évite également un étalement indésirable du faisceau. Le schéma montre un guide de lumière à section variable et une lentille de champ positionnés au centre du dispositif de transfert, entre un foyer du faisceau S1 et une pupille P à droite de la ligne en pointillés A-A (partie correspondant à la petite extrémité du guide de lumière à section variable), et un foyer du faisceau S2 et une pupille P1 à gauche de la ligne en pointillés B-B (partie du dispositif qui correspond à la grande extrémité du guide de lumière à section variable). La séparation entre les composants optiques et la taille de ces composants sont indiquées sur le schéma. On utilise les aires -des foyers du faisceau et des pupilles (par exemple As, Ap, etc) pour établir la capacité de transfert d'énergie optique du dispositif. Du fait que la séparation entre le foyer du faisceau et la pupille est différente dans les deux parties, les exigences relatives à l'ouverture utile seront également différentes dans chaque partie. (Il faut noter qu'en dépit du fait que les propriétés d'image du foyer ne sont pas transférées dans le dispositif, à cause du brouillage des rayons lumineux par le guide de lumière à section variable, l'aspect de concentration de flux d'énergie est conservé de façon à produire le foyer du faisceau désiré.) La capacité de transfert d'énergie optique (E) du dispositif est définie par la quantité d'énergie disponible provenant de la source qui entre dans le dispositif par le foyer du faisceau à la petite extrémité du guide de lumière à section variable, et elle est donnée par l'expression 1A A As. Ap
PB - 2 (2)
PE (u-L>2 (1 en désignant par EPB la capacité de transfert d'énergie optique de la partie correspondant à la petite extrémité, les distances correspondantes étant définies de la manière indiquée sur la
figure 4.
Si on suppose que la partie du système qui correspond à la grande extrémité présente des contraintes géométriques et/ou optiques (par exemple, P1 est une pupille de limitation du dispositif), pour obtenir les meilleures performances le dispositif optique doit alors former dans cette partie une pupille conjuguée qui coïncide avec la pupille P dans la partie qui correspond à la petite extrémité. En considérant tout d'abord le cas dans lequel la lentille de champ seule est dans la position représentée et dans lequel le guide de lumière à section variable est absent du dispositif, on voit qu'une image de la pupille P1 sera formée en P et, par conséquent, que
2* A2 A.
(2) - u2 2 u v le terme 12 représentant par définition la capacité de v transfert d'énergie optique de la partie correspondant à la grande extrémité (EGE)B Si on choisit le guide de lumière à section variable de façon que son sommet (c'est-à-dire le point auquel les côtés du guide de lumière se rencontreraient s 'ils étaient prolongés) soitplacé dans -le plan de P, il s'ensuit que: i 11 2493998 As u AS As - = u L-2 ou en réarrangeant 2 = - L2 (3) AS (uL)2 u (uL)2 *1 La combinaison des équations (2) et (3) donne:
1 PE
EGE E-E (4)
(u-L)2 Par conséquent, l'énergie sera transmise vers P pratiquement sans dégradé périphérique, et la capacité de transfert d'énergie optique a été adaptée dans l'ensemble des
diverses parties du dispositif de transfert.
La figure 5 montre l'application de la combinaison lentille de champ/guide de lumière à section variable au système de spectromètre du mode de réalisation considéré, et montre un tracé qui remonte le chemin parcouru par trois rayons, à partir du bord inférieur du miroir objet 30. En utilisant la technique de développement de polygone qui est décrite dans l'article précité, on peut rédessiner ces rayons réfléchis sous la forme d'une série de lignes droites. Naturellement, ceci fait intervenir des rayons virtuels (qui ont été indiqués en traits continus maigres), ainsi que des rayons réels (en traits continus plus épais), qui traversent effectivement le guide. Le tracé de rayons montre clairement qu'avec le miroir source 21 placé au sommet du guide de lumière, la concentration d'énergie sur cette pupille est conjuguée avec des points placés de façon
symétrique sur le miroir objet et, par conséquent, la quasi-
totalité de l'énergie est transférée entre le miroir objet et le miroir source. Du fait de l'effet de brouillage, les rayons provenant de ce point particulier sur le miroir objet apparaissent en fait dans cette représentation bidimensionnelle à deux points coplanaires sur le miroir source, mais tous ces rayons (réels et virtuels) sont focalisés à ces deux points, indépendamment du nombre de réflexions à l'intérieur du guide de lumière. La préservation des dimensions de pupille, de cette manière, permet de réaliser les plus petites structures de miroir sans pertes de rayons dans le dispositif par dégradé périphérique. D'autre part, si un faible niveau de dégradé périphérique est acceptable (voir le dispositif qui est représenté sur la figure 1), on petit placer le miroir source plus près de la petite extrémité du guide de lumière à section variable,
pour réduire encore davantage la taille globale de l'instrument.
La figure 5 montre également qu'on peut changer la longueur du guide de lumière, en maintenant inchangées les positions du sommet et de la grande extrémité, et donc modifier la taille du foyer de faisceau de la petite extrémité et le rapport des ouvertures utiles à la grande extrémité et à la petite extrémité, On va maintenant considérer la figure 6 qui montre l'application du dispositif de transfert d'énergie de l'invention, en combinaison avec un cristal à réflexions internes multiples qui est utilisé pour effectuer des mesures avec réflexion totale atténuée. Le cristal à réflexions internes multiples présente la même structure générale que le type de cristal qui est décrit dans le brevet US 4 175 864, à l'exception du fait qu'on donne une forme convexe à la face d'entrée du cristal considéré ici. On obtient le chemin de lumière le plus court dans le cristal, et donc le plus petit cristal pour une capacité de transfert d'énergie optique donnée, si une image de source est placée à une extrémité du cristal et si une pupille est placée à l'autre extrémité0 On peut réaliser ceci en utilisant un guide de lumière a section variable en combinaison avec un cristal à réflexions internes multiples ayant une face d'entrée convexe. Le miroir source et la fente de sortie sont respectivement la pupille P et l'image de source S1 dans la partie correspondant à la petite extrémité du dispositif, tandis que la face d'entrée 62 et la face de sortie 64 du cristal sont l'image de source S2 et la pupille P1 dans la partie qui correspond à la grande extrémité. L'énergie est transférée de la source vers la face de sortie du cristal et, conformément aux principes décrits en détail ci-dessus, la hauteur du faisceau qui sort du cristal est définie pour permettre le transfert d'énergie pratiquement sans dégradé périphérique. Le fait de courber la face de sortie et de placer un guide de lumière à section variable de recueil d'énergie, du type décrit dans l'article précité, permet de réaliser un transfert d'énergie avec un bon rendement vers un détecteur 66 qui est placé à l'extrémité de ce guide de lumière à section variable. On voit que l'examen précédent concernant les aires des foyers du faisceau et des pupilles permettant d'adapter la capacité de transfert d'énergie optique entre différentes parties d'un dispositif optique peut également être effectué en termes de lagrangiens. Il est donc possible d'adapter des dispositifs optiques présentant de l'astigmatisme à d'autres qui nten présentent pas, en utilisant un guide de lumière à section variable dont le sommet dans un plan ne coïncide pas
avec son sommet dans le plan orthogonal.
On considère que la description détaillée précédente
démontre un grand nombre des avantages du dispositif de transfert d'énergie de l'invention par rapport aux dispositifs classiques à lentilles, comme par exemple: 1. Un dispositif équivalent nécessitant au minimum trois lentilles, parmi lesquelles deux sont des lentilles degrande puissance, est réduit à une lentille de faible puissance
et un guide de lumière à section variable.
2. Les dimensions des pupilles sont préservées, ce qui réduit les tailles des composants, tout en éliminant
simultanément un dégradé périphérique indésirable.
3. La combinaison lentille/guide de lumière à section variable a un plus faible encombrement que le dispositif équivalent ne comportant que des lentilles, et elle facilite
la conception d'un instrument portable.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, dans tout ce qui précède, on a considéré uniquement des guides de lumière à section variable comportant des canaux creux. Cependant, les principes envisagés ci-dessus s'appliquent tout aussi bien à des guides de lumière à section variable constitués par une matière diélectrique solide, et ils peuvent en fait faire l'objet d'applications dans le domaine des fibres optiques, en
développement rapide.
1 4
Claims (10)
1. Dispositif de transfert d'énergie du type ne formant pas d'image, caractérisé en ce qu'il comprend: une source d'énergie optique (20); des première et seconde parties séparées dans l'espace l'une de l'autre, entre lesquelles cette énergie optique doit etre transférée; des moyens situés dans chacune des parties de façon à définir un foyer de faisceau (S1, S2) et une pupille associée, ce qui établit dans ces parties une exigence d'ouverture utile f/], la première partie ayant une exigence de f/t faible et la seconde partie ayant une exigence de fú/ plus élevée 9 un guide de lumière à section variable (40) qui est positionné à 1lintérieur du chemin du faisceau optique entre lesdites parties, avec sa petite extrémité placée au foyer du faisceau (S1) dans la première partie, avec sa grande extrémité placée au foyer du faisceau (S2) dans la seconde partie, et avec la pupille de la première partie en coincidence avec un plan qui passe par le sommét du guide de lumière à section variable, ce guide de lumière était conçu de façon a transmettre au moins une fraction des foyers de faisceau respectifs d'une partie vers l'autre, le produit de l'aire de la fraction transmise par l'angle solide du faisceau à chaque extrémité du guide de lumière étant le même, de façon que la capacité de transfert d'énergie optique soit la m9me dans chaque partie; et des moyens de focalisation (28) qui sont placés entre la grande extrémité et la pupille de la seconde partie de façon à transférer l'énergie entre les deux pupilles sans qu.ail y ait pratiquement de pertes par dégradé périphérique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le foyer de faisceau et la pupille situés dans la première partie ont respectivement des formes similaires à leurs homologues dans la seconde partie, mais diffèrent en ce
qui concerne l'aire de section droite et la séparation.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide de lumière a section variable (40) comporte des éléments de paroi (40A, 40B) qui définissent un canal intérieur creux (46) s'étendant sur toute la longueur du guide et s'ouvrant à la grande extrémité et à la petite extrémité
pour permettre le passage de l'énergie optique dans ce canal.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé
en ce que le canal a une forme de section transversale constante.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la forme du canal est rectangulaire. 6. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments de paroi (40A, 40B) sont dorés pour réduire les pertes par réflexion au passage de l'énergie optique
dans le conduit.
7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de focalisation consistent en une lentille
de champ (28) qui est placée à la grande extrémité.
8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit de lumière à section variable (40) consiste
en une matière solide.
9e Dispositif de transfert d'énergie perfectionné, destiné à être utilisé avec un spectromètre infrarouge du type comportant une source d'énergie infrarouge (20), et une cellule d'absorption (14) munie de fenêtres d'entrée et de sortie, cette cellule et cette source formant des parties distinctes entre lesquelles l'énergie optique doit être transférée, chaque partie comprenant des moyens destinés à définir des foyers de faisceau respectifs et des pupilles associées, ce qui établit une exigence d'ouverture utile fy dans chaque partie, les exigences d'ouverture utile dans la partie qui correspond à la cellule étant différentes de celles dans la partie qui correspond à la source; caractérisé en ce qu'il comprend un guide de lumière à section variable (40) qui est positionné dans le chemin du faisceau optique entre la source et la cellule, avec sa petite extrémité (42) placée au foyer du faisceau (S 1) dans la partie de source, avec sa grande extrémité (40) placée au foyer du faisceau (S2) dans la cellule, et avec la pupille de la section correspondant à la source en coïncidence avec un plan passant par le sommet du guide de lumière à section variable, afin de transmettre une fraction au moins des foyers de faisceau respectifs entre - lesdites parties, le produit de l'aire de section transversale de la fraction transmise par l'angle solide du faisceau aux extrémités respectives du guide de lumière étant le mêwe, de façon que la capacité de transfert d'énergie optique dans la cellule soit la même que dans la partie qui correspond à la source; et des moyens de localisation (28) qui sont placés entre la grande extrémité et la pupille dans la partie qui correspond à la cellule, de façon que l'énergie soit transférée entre les parties sans qu'il y ait pratiquement de pertes par
dégradé périphérique.
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la pupille qui se trouve dans la partie qui correspond à la cellule est un miroir objet (30) et la pupille qui se trouve dans la partie qui correspond à la source est
un miroir de source (21).
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le miroir de source est placé au sommât du guide de lumière, 12. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de focalisation consistent en une lentille
de champ (28) qui est placée à la grande extrémité du guide.
13. Dispositif selon la revendication 12, caractérise en ce que la lentille de champ (28) est une fenêtre d'entrée de la cellule et la grande extrémité du guide est directement adjacente à cette fengtre d'entrée, 14. Dispositif selon laievendication 9, caractérisé en ce que le guide de lumière comporte une chambre intérieure creuse (46) qui s'étend sur toute sa longueur et qui débouche à la grande extrémité et à la petite extrémité, et l'ouverture de la petite extrémité constitue la fente de définition de
filtre du spectromètre.
15. Procédé de transfert d'énergie entre des première et seconde parties, séparées dans l'espace, d'un dispositif optique dans lequel chacune de ces parties comporte un foyer de faisceau et une pupille associée, afin d'établir à la fois une exigence d'ouverture utile f/O et une capacité de transfert d'énergie optique dans chaque partie, les exigences de fIv dans chaque partie étant différentes, mais les capacités de transfert d'énergie optique étant les mêmes, caractérisé en ce que: on positionne un guide de lumière à section variable (40) à l'intérieur du chemin de faisceau optique entre les parties, avec les extrémités de ce guide positionnées de façon à coïncider avec les foyers de faisceau respectifs (SV, S2) et avec le sommet projeté du guide en coïncidence avec la pupille adjacente à la petite extrémité du guide; et on forme dans la seconde partie une pupille conjuguée de la pupille de
la première partie.
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