FR2686691A1 - Dispositif de couplage de fibres optiques sur un photometre, et appareils equipes d'un tel dispositif. - Google Patents

Abstract

Dispositif de couplage de fibres optiques sur un photomètre, et appareils équipés d'un tel dispositif. L'invention consiste en la possibilité de coupler une ou plusieurs fibres optiques sur un photomètre classique, en positionnant chacune d'entre elles comme on positionnerait une ou des sources de l'appareil. Un embout (23), extrêmité d'une ou plusieurs fibres optiques (5), voit sont image projetée au travers d'un dispositif optionnel (24) sur la fente d'entrée (25) du photomètre. Sur un appareil simple, l'embout lui-même peut servir de fente d'entrée. On récupère ainsi la majeure partie de la lumière issue de la fibre optique, on peut travailler en multi-faisceau ou selon d'autres techniques qu'une simple photométrie d'absorbance mono-faisceau, ou revenir à une mesure classique par simple sélection d'une source normale.

Description

DISPOSITIF DE MESURES PHOTOMETRIQUES A BASE DE FIBRES OPTIQUES,
ET APPAREILS EQUIPES D'UN TEL DISPOSITIF
La présente invention concerne un dispositif de mesures photométriques à base de fibres optiques, tels les dispositifs qui équipent en particulier les photomètres ou spectrophotomètres.

Cette invention est utilisable pour tous types de mesures à principe photométrique, comme des mesures spectrophotométriques, colorimétriques, fluorimétriques, néphélémétriques, polarimétriques, réflectométriques, opacimétriques, turbidimétriques, mesures de phosphorescence ou de diffusion, etc...

On sait que les appareils de mesure à principe photométrique, comme ceux détaillés ci-dessus, peuvent être équipés de fibres optiques si l'on veut examiner des échantillons à distance dans un porte-échantillons ou compartiment de mesure "In-Situ" que l'on qualifiera de distant, ou encore directement dans une canalisation ou sur des échantillons à l'aide d'un capteur en bout de fibre. Si l'on ne dispose pas de fibres, il faut au contraire amener le ou les échantillons jusqu'à l'appareil de mesure pour les contrôler.

Ces appareils de mesure de type photométrique realisent des mesures d'absorption, d'émission, de ré-émission, de réflexion, etc... de lumière à certaines longueurs d'onde, généralement dans le but de déterminer la présence de certaines substances dans les échantillons, et de les doser. Pour celà, il faut quantifier la lumière en sortie des échantillons en fonction de la longueur d'onde, ou au moins à des longueurs d'onde spécifiques.

Prenons le cas particulier des spectrophotomètres: soit l'échantillon est illuminé en lumière blanche (ou polychromatigue), le faisceau passant ensuite par un monochromateur qui permet de sélectionner les longueurs d'onde, soit au contraire la lumière monochromatique est créée avant la traversée de l'échantillon.

Toujours dans le cas du spectrophotomètre, si l'on n'utilise pas de fibres optiques, on place l'échantillon dans un compartiment à l'intérieur de l'appareil, de façon a ce que cet échantillon soit traversé par le flux lumineux. Un "blanc" peut éventuellement être simultanément mesuré dans le cas de l'utilisation d'un spectrophotomètres à double-faisceau. On en déduit alors la courbe de transmission lumineuse (éventuellement différentielle) de l'échantillon, ou tout au moins sa transmission à une ou plusieurs longueurs d'onde.

Malheureusement, dans certains cas, on une peut pas ou ne souhaite pas véhiculer l'échantillon jusqu'à l'appareil, par exemple parce que l'échantillon est radioactif, ou toxique, ou encore dangeureux à transporter, ou simplement que l'on souhaite faire un contrôle In-Situ. Dans ce cas, une ou plusieurs fibres optiques peuvent permettre de véhiculer la lumière jusqu'S l'échantillon, puis de recueillir la lumière sortant des échantillons, et de la ramener vers un détecteur.

Or l'utilisation de fibres optiques induit généralement des pertes d'énergie considérables, ce qui est contraire aux efforts prodigués pour obtenir un maximum d'énergie, donc un maximum de sensibilité.

Rappelons qu'une diminution de l'énergie lumineuse signifie systématiquement une perte de sensibilité, une obligation d'ouvrir les fentes (augmenter la bande passante) pour récupérer plus d'énergie donc une perte de résolution, et enfin une perte de linéarité aux absorbances élevées. La perte d'énergie lumineuse est donc particulièrement nuisible à la qualité des mesures.

On peut parvenir à réaliser de façon correcte des mesures en spectrophotométrie mono-faisceau, puisque par principe on ne perd pas d'énergie pour créer d'autres faisceaux: la perte d'énergie due aux fibres est alors acceptable.

Mais on évite alors la mesure permanente du courant d'obscurité de l'appareil par hacheur optique, car ce procédé fait perdre une partie importante de l'énergie.

Si l'on veut travailler en double-faisceau, on rencontre des difficultés importantes, ceci pour plusieurs raisons énumérées ci-après.

D'une part, les mesures en double-faisceau se font généralement avec une perte d'énergie de base de 50 à 75%, voire 85%, de principalement à la division optique. Cette perte d'énergie est déjà considérable par elle-même, et elle se cumulerait avec la perte d'énergie due aux fibres optiques, pour laisser au bout du compte une énergie très faible, avec laquelle on peut difficilement obtenir de bonnes sensibilités aux faibles absorbances et de bonnes linéarités aux fortes absorbances.

D'autre part, dans les spectrophotomètres à double-faisceau, on envoie généralement un même faisceau alternativement sur deux voies dites respectivement de mesure et de référence. Or si l'on veut récupérer ce même faisceu pour l'envoyer alternativement sur des fibres respectivement dites de mesure et de référence, que ce soit à l'aide d'un hacheur optique, d'un jeu de miroirs ou d'un dispositif quelconque, on est confrontés à deux difficultés: la petite taille de l'entrée des fibres, et la noncorrespondance avec la forme du spot. La seule solution simple consisterait à utiliser un diviseur optique statique, ce qui diviserait encore l'énergie par le nombre de fibres à illuminer...

De plus le cône d'acceptance d'entrée des fibres n'est pas exploité par des solutions de ce type, puisque l'on récupère alors un faisceau de géométrie donnée, bien plus faible en angle solide que ce que les fibres peuvent accueillir
De la même façon, l'entrée des fibres est indifférente à la position de la source qui l'éclaire: on peut donc utiliser une lampe à réflecteur sans incidence sur la résolution finale et en récupérant une énergie très importante, alors qu'une telle lampe serait à proscrire à l'entrée d'un spectrophotomètre, et une telle énergie ne pourrait donc en aucun cas être récupérée sur les fibres si on les illuminait successivement avec le faisceau qui aurait normalement traversé les voies de mesure et de référence de l'appareil.

De même, si la lampe d'éclairage vient à griller, il est généralement nécessaire de la remplacer, ce qui doit habituellement être fait par des personnes compétentes, et pose donc des problèmes lors de la manipulation nocturne par du personnel non qualifié.

Un autre inconvénient est le manque de souplesse des instruments existants. Généralement, soit un appareil est conçu pour une utilisation sans fibres, soit il est conçu pour une utilisation avec fibres. Une formule de coupleur à installer dans le portecuves interne existe, qui recueille la lumière censée arriver sur les cuves: mais sa mise en place est longue, les pertes d'énergie sont trop importantes pour satisfaire à des exigences de sensibilité, et l'on ne tire profit d'aucun des avantages des fibres optiques; on n'en subit en fait que les inconvénients.

Enfin, il est difficile physiquement de conserver une énergie satisfaisante avec deux ou plusieurs faisceaux provenant de différentes fibres lorsque l'on veut les récupérer sur un récepteur ou dans un monochromateur unique, ceci de façon équilibrée et sans pertes d'énergie trop importantes.

Les montages existant en double-faisceau sont généralement de simples coupleurs à placer dans le porte-échantillons d'un spectrophotomètre, mais dont les performances laissent à désirer, principalement à cause de la perte d'énergie.

De plus, les mesures distantes en double-faisceau doivent être réalisées à l'aide d'un spectrophotomètre lui-même à doublefaisceau, même si le portoir interne du spectrophotomètre n'est pas utilisé.

La plupart des montages existant sur le marché sont donc réalisés sur des appareils à mono-faisceau.

Pourtant, les mesures en double-faisceau présentent des avantages considérables qu'il est inutile de rappeler ici, et dont on ne peut donc pas -ou mal- profiter avec des fibres optiques.

Par la présente invention, on se propose de remédier au mieux à ces inconvénients. L'invention a pour but de permettre des mesures à distance à laide de fibres optiques en récupérant une énergie maximale.

Un autre avantage consiste à répartir la lumière issue des deux faisceaux de façon homogène lors de leur récupération dans le dispositif de mesure, et à obtenir un bon équilibrage sur les différents faisceaux
On pourra en outre utiliser l'appareil de mesure avec des fentes suffisamment fines tout en en perdant un minimum d'énergie.

On pourra également réaliser des mesures en monofaisceau avec détection permanente du courant d'obscurité, ou noir (par exemple en spectrophotométrie monofaisceau, en fluorimétrie, etc. .) tout en ayant une énergie optimale.

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L'utilisation de l'invention sous certaines de ses formes permet également d'économiser un certain nombre de fibres optiques. En particulier pour la spectrophotométrie double-faisceau on économise une fibre optique sur quatre, ce qui entraîne de surcroît des économies importantes.

La conception du système d'illumination des fibres permet également, si une défaillance intervient au niveau d'une source, de sélectionner immédiatement une source de secours et de continuer les analyses sans faire appel à des opérateurs qualifiés pour remplacer et régler la source, ou son alimentation.

De même, si on le désire, deux ou plusieurs fibres optiques supplémentaires peuvent être connectées au boîtier d'alimentation, ce qui permet de faire des mesures sur deux ou plusieurs photomètres, avec deux ou plusieurs porte-échantillons indépendants dits distants, tout en n'ayant qu'un boîtier d'alimentation: ceci permet des économies notables.

Dans le meme ordre d'idées, un même boîtier d'alimentation de fibres peut alimenter plusieurs porte-échantillons distants, et les flux lumineux récupérés peuvent être récupérés par un même appareil de mesure, en sélectionnant l'entrée correspondante, par exemple à l'aide d'un miroir tournant.

Un autre gain d'énergie est également dû à la forme du signal engendré par le hacheur optique de l'invention: en effet, la surface d'entrée de la fibre étant très faible, les flancs des signaux relevés sur le photomultiplicateur ou le détecteur photoélectrique ou optoéléctronique sont très nets, contrairement aux aspects classiques des signaux engendrés par le hachage d'un gros spot lumineux, pour lequel le temps nécessaire entre le libre passage du spot et son obturation complète par le disque est important. On peut donc ainsi facilement gagner directement de 10 à 20 % d'énergie. De plus, on peut réduire les zones d'obturation puisque l'obtention du noir est instantanée: on peut donc agrandir les zones laissant passer chaque faisceau sur le disque de chopper, et gagner de nouveau 15 à 25 % d'énergie.On gagne donc sur deux tableaux: d'abord les zones de "flanc" remplacées par un plein signal, ensuite la possibilité d'élargissement du temps de mesure de chaque signal.

De plus, on peut utiliser des lampes spéciales dans le boîtier d'alimentation des fibres", et le munir de filtres anti-chaleur ou/et de filtres à eau, ainsi que de filtres spécifiques. Ceci serait difficilement réalisable dans un appareil de mesure tel qu'un spectrophotomètre, les dégagements thermiques importants nuiraient à son fonctionnement, et l'encombrement serait considérable.

Enfin, une des formes de l'invention permet de choisir instantanément entre une mesure à l'intérieur de l'appareil et une mesure In-Situ par fibres optiques, puisque le système à fibres optiques crée un faisceau entrant dans le spectrophotomètre comme le ferait celui d'une lampe. On peut donc choisir entre la lampe du spectrophotomètre, qui permet l'analyse dans le porte-échantillons interne, ou le faisceau lumineux créé par le dispositif à fibres, équivalent à une seconde lampe.

En outre, un simple spectrophotomètre à mono-faisceau peut être utilisé comme détecteur final, ou même un simple détecteur à photomultiplicateur, même si on veut faire des mesures en double ou multi-faisceau. En effet, l'invention par elle-même peut déjà comporter le diviseur optique et sa synchronisation, ce qui rend inutile le hacheur interne du spectrophotomètre, ainsi que la sélection de longueurs d'onde, ce qui rend inutile un monochromateur interne. Ceci permet également des économies notables.

De même, des mesures de fluorescence, de phosphorescence, etc...

peuvent être réalisées avec un simple détecteur en bout de chaîne (même un simple photomultiplicateur), comme nous le verrons par la suite, le dispositif à fibres donnant à lui seul ces fonctionnalités.

De même, des filtres optiques peuvent être insérés alternativement devant les fibres, par exemple en les fixant devant certains orifices du chopper: on obtient alors des mesures multi-longueurs d'onde.

L'invention a donc pour objet un dispositif d'analyse à l'aide de fibres optiques, en double-faisceau, en multi-faisceau, en multi-longueurs d'onde ou encore en monofaisceau avec détection du noir, caractérisé en ce que l'illumination des fibres partant vers le ou les porte-échantillons ou systèmes de mesure dits distants se fait directement par une ou plusieurs lampe(s) ou source(s) lumineuse(s), et que la division optique est immédiatement réalisée par un diviseur optique à l'entrée même de ces fibres.

On peut ainsi profiter au maximum du cône d'acceptance des fibres en les illuminant directement à l'aide d'une lampe, dans un boîtier que nous appellerons "boîtier d'alimentation des fibres", ce boîtier pouvant ou non être partie intégrante du spectrophotomètre. L'utilisation d'une lampe à réflecteur est ici très avantageuse, alors qu'elle serait serait à proscrire à llentree d'un monochromateur pour lequel on créerait plusieurs objets virtuels, donc un astigmatisme ou des nuisances optiques.

On récupère alors un angle solide considérable d'illumination par le filament (ou l'arc) de la lampe, pour l'injecter dans les fibres. De plus, les fibres sont illuminées par la ou les mêmes sources, ce qui permet de s'affranchir par des mesures différentielles des dérives éventuelles de la source ou des sources.

En outre, des mesures en double-faisceau peuvent être réalisées dans le porte-échantillons dit distant tout en ne disposant que d'un spectrophotomètre à mono-faisceau, puisque la division optique et la synchronisation sont assurées au niveau du dispositif à fibres.

Avantageusement, si la division optique est réalisée dans le "boîtier d'alimentation des fibres" par un hacheur rotatif, système simple et fiable, on obtient un signal très net, aux flancs quasi-verticaux, au lieu d'avoir une forme classique de créneaux à flancs inclinés dûe à la taille du faisceau lumineux coupé par le hacheur. On gagne ainsi du signal (les flancs sont remplacés par un plein signal) et on peut réduire les zones d'obturation (puisque le noir est instantané dès obturation), donc augmenter les zones de passage des faisceaux, donc encore augmenter l'énergie et la sensibilité.

La mesure du courant d'obscurité est également meilleure que si l'on obturait dans l'appareil de mesure, car on tient alors compte des lumières parasites pouvant s'introduire dans le ou les porte-échantillons distants ou systèmes d'analyse distants, ce qui n'est pas le cas avec un obturateur situé dans l'appareil de mesure.

Un autre avantage est de n'exposer chaque fibre qu'une partie du temps (tout en provoquant une ventilation locale complémentaire si le disque rotatif est assez près des fibres), ce qui permet d'illuminer la ou les fibres avec des sources plus puissantes sans les endommager.

Avantageusement, pour réaliser des mesures en spectrophotométrie double-faisceau, le hacheur optique illumine alternativement deux extrêmités de fibres, qui vont elles-mêmes illuminer à leur sortie deux échantillons dits respectivement de mesure et de référence.

Avantageusement, le disque rotatif peut être muni de filtres, et ainsi sélectionner successivement dfs longueurs d'onde sur une ou plusieurs fibres, permettant de réaliser des mesures multilongueurs d'onde tout en gardant la possibilité de mesure permanente du noir.

Avantageusement, les deux possibilités précédentes peuvent être combinées, et le disque peut successivement permettre l'illumination de certaines fibres tout en en obturant d'autres, les orifices laissant passer la lumière pouvant être équipés de filtres, ce qui permet de réaliser des mesures multi-longueurs d'onde et multi-faisceaux.

Avantageusement, dans le porte-échantillons distant, la lumière issue de ces deux fibres (ou de plusieurs fibres) peut être recueillie après la traversée des échantillons sur une fibre unique (ou sur un certain nombre de fibres de sortie), par exemple à l'aide de miroirs, ou simplement en recueillant certains faisceaux à leur intersection sur une fibre de sortie, ou encore en illuminant par exemple deux fibres de sortie à partir d'un faisceau reçu.

Les intérêts sont multiples: si la mesure finale est faite par un seul détecteur ou appareil de mesure, on a tout intérêt à diminuer les pluis possible la section de la fibre de sortie (ou la section totale des fibres de sortie), et on gagne d'autant plus en résolution au cas où la fibre recueillant les faisceaux de sortie dirigerait à son tour la lumière qui en sort vers l'entrée d'un monochromateur, puisque l'on peut rétrécir la fente d'entrée du monochromateur en récupérant quasiment toute l'énergie lumineuse (petite image).

A l'inverse, si l'on souhaite réaliser des mesures sur plusieurs détecteurs ou appareils de mesure à la fois, on peut souhaiter recueillir sur plusieurs fibres un même signal lumineux en provenance d'un échantillon, auquel cas on peut souhaiter avoir plus de fibres en sortie du porte-échantillons.

On peut également avoir autant d'embouts de fibres en entrée qu'en sortie, et souhaiter regrouper les fibres de sortie en une seule, si celles-ci sont multi-brins.

Avantageusement, si l'on analyse des phénomènes de type émissif, ou réflectif, ou diffusif, ou tout phénomène d'émission ou réémission de lumière par l'échantillon, une solution identique a la précédente peut être retenue.

Avantageusement, si l'on veut réaliser des mesures en doublefaisceau, les faisceaux issus des deux fibres qui éclairent les échantillons dits de référence et de mesure dans le porteéchantillons dit distant sont regroupés sur une unique fibre de sortie, ce qui permet de gagner 50% de surface totale de fibres en sortie (gain en résolution à l'entrée du spectrophotomètre), ainsi que le coût d'une seconde fibre de sortie.

Avantageusement, la lumière issue de la fibre qui arrive finalement dans l'appareil de mesure ou sur le détecteur est projetée sur la fente d'entrée de l'appareil ou sur le détecteur. Par exemple dans le cas d'un spectrophotomètre, cette arrivée de lumière jouera le même rôle que le faisceau lumineux en provenance d'une lampe.

Avantageusement, la fibre de sortie est de type multi-brins, de telle sorte que l'image de sortie peut prendre la forme d'une fente, et être projetée sur la fente d'entrée d'un monochromateur sans subir les pertes d'énergie qu'aurait créé la projection par exemple d'un disque lumineux sur une fente.

Avantageusement, la projection se fait dans un appareil de mesure photométrique ou détecteur (qui peu même être très simple) et les caractéristiques du type de mesure seront déterminées par le dispositif à fibres optiques. Plus clairement, en utilisant des exemples, des mesures doublefaisceau ou multi-longueurs d'onde peuvent etre réalisées avec un simple spectrophotomètre mono-faisceau, ou encore des détections de fluorescence peuvent se faire en utilisant toujours un spectrophotomètre monofaisceau comme appareil de mesure finale: c'est la conformation du "boîtier d'alimentation des fibres" et du porte-échantillons dit distant qui feront la fonction. On peut même réaliser des acquisitions multi-longueurs d'onde et/ou multi-faisceaux avec un simple détecteur sans monochromateur.

Avantageusement, la projection peut se faire sur l'entrée du monochromateur d'un spectrophotomètre à double-faisceau, disposant lui-même d'un hacheur optique interne. la synchronisation peut alors soit se faire sur le hacheur optique du dispositif à fibres (en arrêtant le hacheur interne du spectrophotomètre, auquel cas les mesures sont réalisées a distance), soit sur le hacheur interne en commutant sur une
t lampe (auquel cas les mesures se feront à l'intérieur du spectrophotomètre, dans son compartiment porte-échantillons). La fibre arrivant dans le spectrophotomètre devient l'équivalent d'une seconde lampe du spectrophotomètre, et la commutation entre ces deux sources est instantanée, sans aucun montage ni démontage.

De plus, en cas de doute sur le fonctionnement en mode fibres, une commutation peut être faite sur le portoir interne, ce qui permet une vérification immédiate de la chaîne de mesure.

Avantageusement, le "boîtier d'alimentation des fibres'1 dans lequel se fait l'illumination des fibres et la division optique peut être équipé de plusieurs sources et/ou plusieurs alimentations et/ou plusieurs diviseurs optiques, hacheurs ou sélecteurs de longueurs d'onde. On peut ainsi disposer de plusieurs porte-échantillons dits distants ou systèmes d'analyse dits distants avec un seul (ou bien plusieurs) appareil de mesure photométrique ou capteur, ou bien choisir de garder des sorties du "boîtier d'alimentation des fibres" libres pour avoir des illuminations de secours en cas de défaillance d'un des dispositifs d'illumination.

Avantageusement, si l'on désire faire des mesures spectrophotométriques double-faisceau, deux sources (éventuellement avec leurs deux alimentations respectives) pourront être placées devant le chopper, de façon diamétralement opposée. Ainsi, si la lampe utilisée vient a griller (ou son alimentation), l'opérateur peut décider d'utiliser une autre lampe sans avoir à faire de réglages, simplement en plaçant le jeu de fibres devant l'autre source. De même, la deuxième lampe munie de sa propre alimentation peut servir pour alimenter un autre jeu de fibres, donc un autre porte-échantillons et éventuellement un autre spectrophotomètre.

Avantageusement, le "boîtier d'alimentation des fibres" peut être équipé de lampes spéciales, par exemple pour l'infra-rouge, et éventuellement etre muni de filtres anti-chaleur ou/et d'une circulation d'eau, afin d'obtenir une meilleure sensibilité a certaines longueurs d'onde. Ceci pourrait difficilement être réalisé dans le spectrophotomètre même, à cause de problèmes thermiques et de problèmes d'encombrement.

L'invention est également relative à un appareil de mesure photométrique équipé d'un tel dispositif d'asservissement, que ce soit de façon extérieure comme indiqué dans les exemples de schémas qui suivent, que ce soit de façon semi-extérieure en intégrant une partie des fonctionnalités et en laissant une ou d'autres parties en externe, ou que ce soit de façon intégrée c'est-à-dire que l'ensemble des fonctionnalités relatives a l'invention ait été intégré dans un même appareil de mesure, qui serait alors semblable à un appareil de mesure normal, le porteéchantillons dit distant étant alors le portoir interne de l'instrument.

L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui suit, donnée avec références aux dessins annexés, ces dessins et ces descriptions étant relatifs à un mode de réalisation particulier et n'étant nullement limitatifs.

La figure 1 est un schéma interne partiel d'un dispositif de mesures conforme à l'invention, dans le cas particulierVde mesures spectrophotométriques à double-faisceau.

La figure 2 est un schéma bloc en vue extériéure d'un dispositif complet de mesure conforme à l'invention, dans le cas de mesures en double-faisceau.

La figure 3 représente un schéma possible de l'organisation interne du boîtier d'alimentation des fibres1,, dans le cas de mesures en double-faisceau.

La figure 4 représente une vue de dessus de l'intérieur de ce même boîtier, dans le cas où on place deux sources de lumière, susceptibles d'illuminer deux jeux de fibres ou bien un jeu de fibres avec illumination de secours, toujours dans le cas de mesures en double-faisceau.

Les figures 5, 6, 7 et 8 représentent des exemples de compartiments de mesure à distance: -sur la figure 5, les deux faisceaux issus des deux fibres arrivant dans le porte-échantillons sont regroupés par deux miroirs -sur la figure 6, les deux faisceaux se regroupent naturellement -sur la figure 7, on voit un dispositif apte à réaliser des mesures de fluorescence -sur la figure 8, la fibre de sortie de type multi-brins se regroupe en une fibre unique
La figure 9 représente un exemple d'entrée dans le monochromateur d'un spectrophotomètre
Les figures 10 et 11 montrent les signaux classiques obtenus par un chopper interne à un spectrophotomètre double-faisceau, a comparer au signal obtenu en utilisant l'invention.

La figure 12 montre le signal que l'on peut obtenir après modification du chopper, compte tenu des observations des figures 10 et 11.

Sur la figure 1 est représenté le schéma interne partiel d'un dispositif de mesures conforme à l'invention, dans un cas particulier de mesures en double-faisceau. Une lampe (7) illumine au travers d'un hacheur optique rotatif (9) deux embouts de fibres (2) et (3), dont les extrémités opposées vont à leur tour illuminer deux échantillons, respectivement de mesure (19) et de référence (20), situés dans un porteéchantillons dit distant (4). La lumière en provenance de ces échantillons est regroupée sur une fibre unique (5), qui réinjecte finalement cette lumière dans le détecteur, l'appareil de mesure ou le spectrophotomètre (6).

Sur la figure 2 est représenté le schéma d'ensemble d'un dispositif de mesures complet équipé de l'invention, dans le cas de mesures en double-faisceau. On peut distinguer le boîtier servant à l'illumination des fibres (1), appelé "boîtier d'alimentation des fibres", duquel partent deux fibres optiques (2) et (3), le porte-échantillons dit distant (4) où seront placés les échantillons à analyser, une fibre optique (5) de sortie du porte-échantillons dit distant, qui aboutit à l'entrée d'un appareil de mesure, simple détecteur, spectrophotomètre ou tout type d'appareil à principe photométrique (6).

L'intérieur du boîtier d'alimentation des fibres" peut être mieux analysé à l'aide de l'exemple de la figure 3, qui correspond toujours à des mesures en double-faisceau. Une lampe à réflecteur (7) qui, dans ce cas particulier, est la source lumineuse, est alimentée par son bloc d'alimentation (8), qui éclaire les embouts de deux fibres optiques (2) et (3) au travers d'un disque rotatif (9) appelé hacheur optique, souvent nommé par un anglicisme: "chopper", et qui présente des orifices qui laissent passer alternativement la lumière dans l'une ou l'autre des fibres. Les périodes d'obturation des deux faisceaux peuvent permettre la mesure du courant d'obscurité du dispositif.

Chacun des embouts de fibres est en face d'une piste correspondante du disque, respectivement (10) et (11). Le disque est entraîné en rotation par un moteur (12), en direct ou par l'intermédiaire d'une courroie. Sa rotation est contrôlée par un signal dit de synchronisation émis par un détecteur optoélectronique (13), lui-même placé sur une piste dite de synchronisation (14), également munie d'orifices, qui permet de savoir à tout instant quelle est la fibre illuminée, et quelles sont les phases d'obturation.Quatre phases se succèdent en permanence: -Fibre (2) éclairée, fibre (3) non éclairée -Fibre (2) non éclairée, fibre (3) non éclairée -Fibre (3) éclairée, fibre (2) non éclairée -Fibre (2) non éclairée, fibre (3) non éclairée
On a donc recréé en sortie des fibres (2) et (3) une alternance équivalente à celle du compartiment de mesures d'un spectrophotomètre double-faisceau.

La figure 4 représente également l'intérieur du "boîtier d'alimentation des fibres", avec un jeu de fibres (17) et (18) supplémentaire, illuminé par une source (15) munie de son alimentation (16). Bien évidemment, cette source (15) peut servir de sécurité (en cas de panne d'un dispositif d'illumination) si l'on n'utilise qu'un jeu de fibres, auquel cas il suffit de placer notre jeu de fibres devant l'illumination de secours pour continuer les mesures sans avoir à changer la lampe ou chercher la cause de la panne.

La figure 5 représente l'intérieur d'un exemple de porteéchantillons dit distant, toujours dans le cas de mesures en double-faisceau. Les fibres (2) et (3) illuminent respectivement les échantillons (19) et (20), la lumière étant transformée par l'intermédiaire de lentilles ou de dispositifs à lentilles nommés "condenseurs", ou encore de systèmes optiques spécifiques. Les deux derniers condenseurs (ou lentilles) traversés par chaque faisceau sont tels qu'ils forment une image à l'infini, les deux faisceaux étant réfléchis par deux miroirs (21) et (22).

On peut alors, à l'aide d'une lentille, d'un condenseur, ou d'un autre type de dispositif optique, reformer une image unique des deux faisceaux sur l'entrée d'une dernière fibre (5), si par exemple l'entrée de cette fibre est placée à la distance focale du dernier système optique. Les deux miroirs (21) et (22) peuvent éventuellement être regroupés en un prisme aluminé.

La figure 6 représente le même porte-échantillons dit distant, avec un regroupement naturel des deux faisceaux. Les numérotations correspondent aux descriptions de la figure 4.

la figure 7 représente également le porte-échantillons dit distant, mais dans le cas d'une mesure de fluorescence.

L'échantillon à examiner (19) est excité par la fibre (2), et la fluorescence est recueillie à 900 par la fibre (5).

Sur la figure 8, on voit un système proche de ceux des figures 4 et 5, mais où la lumière sortant des deux fibres d'entrée (2) et (3) sont envoyées après avoir traversé les deux échantillons (19) et (20) sur les extrémités (5.1) et (5.2) de deux fibres multi-brins, se regroupant en une seule fibre (5).

La figure 9 représente un exemple de projection dans le spectrophotomètre, avec un exemple d'embout de fibre rectangulaire (23) vu de face. On voit que l'image de cet embout est projetée par l'intermédiaire du système optique (24) dans la fente d'entrée du spectrophotomètre (25) sans pertes d'énergie.

Les figures 10 et 11 représentent respectivement les formes des signaux que l'on peut obtenir avec le chopper interne du spectrophotometre, et avec le chopper externe du dispositif à fibres, ceci toujours dans le cas de la spectrophotométrie double-faisceau. Les zones A représentent le passage de la lumière dans l'échantillon dit de mesure, tandis que les zones B représentent le passage de le lumière dans l'échantillon dit de référence. Les zones O correspondent à l'obturation des deux faisceaux, et les zones N correspondent à la réelle obtention du courant d'obscurité sur le photodétecteur.

Tout d'abord, on constate qu'avec le chopper de l'invention, les flancs sont très nets, et que l'on récupère une portion de signal supplémentaire (26) par rapport au chopper classique
De plus, on constate qu'avec le chopper classique, les zones d'obscurité diffèrent fortement des zones d'obturation des deux faisceaux, ceci étant dû principalement à la dimension du spot à obturer. On est alors obligés d'obturer "longtemps" pour obtenir une zone de noir réel N exploitable.

Ceci ne se produit plus avec le chopper de l'invention, ce qui permet de réduire sensiblement les zones d'obturation en gardant un noir valable, comme on peut le voir en figure 12. On augmente ainsi les temps d'acquisition des zones A et B, donc on gagne considérablement en énergie.

Claims (16)

REVENDICATIONS

1)Dispositif de couplage d'une ou plusieurs fibres optiques sur un photomètre, concernant tous les types de mesure spectrophotométriques, colorimétriques, réfléctométriques, fluorimétriques, néphélémétriques, polarimétriques, ou de tout autre type qui soit basé sur une mesure photométrique, caractérisé en ce que le photomètre est muni d'arrivées d'une ou plusieurs fibres optiques, pouvant être mono-brin ou au contraire multibrin, la lumière émise par chaque embout de fibre optique pénétrant alors dans le photomètre à la place de la lumière qui serait émise par une source lumineuse classique du photomètre.

2)Dispositif selon la revendications 1, caractérisé en ce que le photomètre est muni d'un dispositif similaire à un système de changement de source lumineuse, que ce soit par rotation d'un miroir, déplacement de porte-source, mise en place d'un disque porte-miroir rotatif, ou tout autre moyen classiquement utilisé, le dispositif de type commutation de sources permettant alors de sélectionner ou de séparer les signaux lumineux issus de la ou des fibres optiques et, s'il en est encore muni, de la ou des sources du photomètre.

3)Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que un ou plusieurs-dispositifs optiques additionnels sont calculés et positionnés pour que pénètre dans chacun d'eux la lumière issue d'une fibre optique, ces dispositifs pouvant être solidaires de la ou des fibres ou au contraire du photomètre.

4)Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ou les dispositifs optiques additionnels sont calculés et positionnés pour que, pour chacun d'entre eux, l'image virtuelle ou réelle définie par la lumière issue de ce dispositif optique corresponde à l'emplacement qu'aurait une source lumineuse du photomètre.

5)Dispositif selon l'une quelconque des revendications précétientes, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs fibres optiques véhiculent un signal lumineux correspondant à une ou plusieurs analyses effectuées dans un ou plusieurs porte-échantillons distincts de celui du photomètre, le dispositif de couplage permettant alors de choisir instantanément entre une mesure classiquement réalisée en interne du photomètre et une ou plusieurs mesures réalisées par l'intermédiaire de la ou des fibres optiques.

6)Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une ou plusieurs fibres optiques véhiculent un signal lumineux correspondant à une ou plusieurs sources de lumière, le dispositif de couplage permettant alors de choisir instantanément entre une mesure classiquement réalisée en interne du photomètre avec une de ses sources, et une mesure réalisée à l'aide d'un signal lumineux provenant par fibre optique d'une source de lumière extérieure.

7)Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le photomètre, ou un dispositif de traitement des informations complémentaire, puisse recevoir un signal de synchronisation et des informations correspondant aux différents signaux lumineux véhiculés par les fibres optiques, de telle sorte qu'en fonction des dispositifs existant en amont des fibres arrivant au photomètre, l'on puisse réaliser tous types de dosages même multi-faisceau et/ou multi-longueurs d'onde à partir d'un simple photomètre pouvant même être à mono-faisceau, tout en conservant la capacité de fonctionnement du photomètre en interne.

8)Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une unique fibre optique arrive en entrée du photomètre, celui-ci étant également muni d'une source interne, le dispositif de commutation de source permettant de sélectionner indifféremment soit une mesure externe en double-faisceau au moyen d'un signal de synchronisation en provenance du dispositif de séparation de faisceaux et/ou hachage correspondant, soit une mesure interne pouvant être réalisée soit en mono-faisceau soit en doublefaisceau selon le type de photomètre.

9)Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le photomètre est un spectrophotomètre à double-faisceau, muni de son ou ses propres hacheurs optiques internes de séparation de voies, et que lors d'une commutation sur le mode fibre, ce ou ces hacheurs optiques se synchronisent sur le signal de synchronisation correspondant à la fibre sélectionnée.

10)Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le photomètre est un spectrophotomètre à double-faisceau, muni de son ou ses propres hacheurs optiques internes, et que lors d'une commutation sur le mode fibre, ce ou ces hacheurs optiques s'arrêtent.

11)Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les fibres couples sont reliées à un ou des porte-échantillons, le principe de mesuressdans le porte-échantillon distant pouvant ou non être différent du principe de mesure du photomètre utilisé, un simple photomètre pouvant alors à lui seul devenir un centre de mesures à distance par fibres optiques pour plusieurs porte-échantillons, chacun d'entre eux pouvant être géométriquement et/ou électroniquement et/ou optiquement configuré pour réaliser tout type de mesure, en simple ou multi-faisceau, en absorption comme en émission, en fluorescence ou en reflectance, le photomètre central restant quand même opérationnel pour réaliser les mesures pour lesquelles il était initialement prévu dans son porte-échantillons original.

12)Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ou les fibres couplées, ou une partie des fibres couplées, soient munies d'un dispositif d'enfichage ou de fixation semblable à celui des sources du photomètre, permettant ainsi la fixation instantanée sur le photomètre.

13)Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que une ou plusieurs fibres couplées soient solidaires du dispositif optique permettant la coïncidence de l'image engendrée avec la position théorique d'une source du photomètre, un dispositif de support s'enfichant en lieu et place d'une source, ou sur un support spécialement conçu s'enfichant lui-même en lieu et place d'une source, permettant ainsi d'éviter toute modification du spectrophotomètre.

14)Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le photomètre est un spectrophotomètre muni d'au moins un monochromateur, la ou les fibres optiques utilisées sont de type multibrin, les extrêmités des fibres optiques étant géométriquement arrangées de façon rectangulaire, le dispositif optique étant prévu pour que lorsqu'une fibre optique est sélectionnée, l'image de l'extrêmité de cette fibre se trouve projetée sur ou dans la fente d'entrée du monochromateur.

15)Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que le dispositif optique est calculé pour que le meilleur compromis existe entre le grandissement, la taille de l'image sur la fente d'entrée devant être la plus petite possible afin de pouvoir utiliser des fentes aussi fines que possible sans perdre d'énergie, et la convergence des rayons lumineux, celle-ci ne devant pas être supérieure à l'ouverture du monochromateur afin de récupérer toute la lumière incidente en sortie du monochromateur.

16)Appareil de mesure ou ensemble d'appareillages utilisant un dispositif de couplage à base de fibres optiques tel que l'un des dispositifs décrits dans l'une des revendications précédentes.