IT201800003636A1 - Interferometro con fronte d'onda a dispersione spaziale segmentata, dispositivi e metodi di misura basati sullo stesso - Google Patents

Description

Titolo: Interferometro con fronte d'onda a dispersione spaziale segmentata, dispositivi e metodi di misura basati sullo stesso.

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione riguarda dispositivi, apparati e tecniche interferometriche per la misura dell'indice di rifrazione e della dispersione di un mezzo trasparente.

Analisi dello stato dell’arte

Come è noto, le tecniche interferometriche sono state ampiamente applicate per misurare l’indice di rifrazione n di un mezzo. Ad esempio, nell’unita Figura 1 è illustrato schematicamente un interferometro di tipo noto in configurazione classica di Michelson. Una sorgente (WLS) emette la luce di lunghezza d'onda λ che viene collimata tramite un collimatore (C). Un beam splitter (BS) suddivide il fascio di luce in due fasci che vengono inviati verso uno specchio di riferimento (RM) e verso uno specchio di misura (MM). I due fronti d'onda, quello di riferimento (RW) e quello di misura (MW) vengono riflessi indietro verso il beam splitter (BS) ed indirizzati verso un sistema di rilevamento (non esplicitato in Figura 1).

Il fronte d'onda di riferimento (RW) percorre un cammino ottico ROD, dato da ROD = D0×n, dove n è l'indice di rifrazione del mezzo percorso lungo il braccio di riferimento, e D0 è pari alla distanza fisica fra (BS) e (RM). Analogamente, il fronte d'onda di misura (MW) percorre un cammino ottico MOD pari alla distanza fisica fra (BS) e (MM) (definita nel seguito D), moltiplicato per l'indice di rifrazione n1 del mezzo percorso lungo il braccio di misura.

Nel braccio di rilevamento i due fronti d'onda avranno un ritardo di fase ∆φ, l’uno rispetto all'altro, pari alla differenza dei rispettivi cammini ottici: ∆φ = ROD - MOD = D0×n - D×n1. Se D=D0 allora ∆φ=0 quando n = n1, e la misura del ritardo di fase ∆φ fornisce quindi una misura della differenza dell'indice di rifrazione dei due mezzi.

Dalla letteratura scientifica e brevettuale sono noti svariati apparati e metodi nei quali questo principio è stato sfruttato per misurare l’indice di rifrazione di materiali attraverso la differenza di fase ∆φ. Tali apparati e metodi possono essere classificati in due grandi famiglie: sistemi di misura nel dominio temporale (o “time domain”) e sistemi di misura nel dominio spaziale (o “space domain”).

Nei sistemi “time domain” (si veda Figura 2a) lo specchio di misura (MM) viene movimentato mediante un motore (detto “scanning mirror”, non visualizzato) in direzionale assiale, ovvero parallelamente al fascio ottico collimato proveniente da (BS). Il fronte d'onda di riferimento (RW) rimane fisso nel tempo e il segnale combinato fra i due fronti d'onda (RW) e (MW) viene collimato da un sistema ottico (L) e misurato da un fotodiodo (PD) simultaneamente al movimento di scansione del motore. Se la sorgente è ad alta coerenza spaziale, come un laser, il segnale del fotodiodo in funzione del tempo t di scansione assume una forma sinusoidale come quella mostrata in Figura 2b. Quando la differenza di fase fra (RW) e (MW) è pari ad un multiplo intero della lunghezza d'onda λ, si verifica un’interferenza costruttiva ed il segnale registrato dal fotodiodo è massimo. Quando la differenza di fase fra (RW) e (MW) è pari ad un multiplo intero di mezza lunghezza d'onda λ, si verifica un’interferenza distruttiva ed il segnale registrato è nullo. Quindi la distanza fra due picchi in Figura 2b è pari alla lunghezza d'onda λ della sorgente. Se la sorgente è a bassa coerenza, come un LED, il segnale in Figura 2b deve essere convoluto con la curva della sorgente, tipicamente una gaussiana (Figura 2c), ed il segnale prodotto assumerà una forma del tipo mostrato in Figura 2d nella quale il valore massimo determina il punto 0 della curva di fase ∆φ, ovvero la coordinata del massimo è quella per cui ROD-MOD(t) = D0×n - D×n1=0. La presenza del motore di scansione per la movimentazione dello specchio assicura ai sistemi di misura nel dominio temporale un range di misura dinamico elevato (definito dalla corsa del motore), ma al contempo determina una serie di importanti limitazioni: i tempi relativamente lunghi per l’acquisizione della misura; la presenza di parti in movimento potenzialmente soggette a rottura; i costi elevati legati anche alla necessità di taratura. Questi difetti limitano le potenzialità applicative delle tecniche di tipo “time domain”, specialmente in apparati di piccola misura o destinati al mercato di massa (es. sensori). La stessa misura della differenza di fase ∆φ descritta precedentemente può essere realizzata nei sistemi “space domain” escludendo il motore di scansione e ruotando leggermente uno dei due specchi (RM) o (MM) per indurre una dispersione spaziale di uno dei fronti d'onda interagenti (RW) o (MW). Ad esempio, in Figura 3 è mostrato un sistema nel quale è stato ruotato lo specchio (MM). In questa configurazione, i due fronti d'onda (RW) e (MW) sono mutuamente ruotati nel braccio di rilevazione. Se al posto del sensore puntuale (PD) della Figura 2a si utilizza un sensore a matrice bidimensionale (2DS), l'interferogramma mostrato in Figura 2d del paragrafo precedente assumerà la forma illustrata in Figura 3a nel pannello di destra. Se si inserisce un mezzo trasparente con indice di rifrazione n nel cammino ottico di misura (vedi Figura 3b a sinistra), il cammino ottico nel braccio di misura aumenta e la figura di interferenza (o interferogramma) si forma in una posizione diversa del sensore matriciale (Figura 3b a destra). Conoscendo lo spessore fisico del mezzo MED(n) e non essendoci parti in movimento, il cambiamento della coordinate del massimo dell'interferogramma fornisce l'informazione sull'indice di rifrazione n del mezzo.

Come abbiamo visto nel paragrafo sopra, è possibile eliminare lo specchio di scansione (Figura 2) introducendo una rotazione in uno dei due specchi (RM) o (MM), disperdendo quindi spazialmente uno dei due fronti d'onda interagenti (Figura 3). Lo svantaggio principale dei sistemi “space domain” rispetto a quelli di tipo “time domain” è che i primi permettono un intervallo (range) di misura dinamico nettamente inferiore agli altri. Il sistema “time domain” ha un range di misura (∆MOD(t) in Figura 2) di qualche millimetro, pari alla corsa del motore di scansione, mentre il sistema “space domain“ ha un intervallo di misura (∆MOD(x) in Figura 3) di qualche decina di micrometri. Questo poiché per distinguere con sufficiente chiarezza due picchi nella figura di interferenza formata nel sensore a matrice, essi devono essere separati da circa una decina di pixels. Tenendo conto che sensori commerciali hanno all'incirca un migliaio di pixels e che la distanza fra due picchi è pari alla lunghezza d'onda della sorgente (circa 0.5 µm nel visibile), per valori di (ROD-MOD) superiori a qualche decina di micron la figura di interferenza esce dall'area sensibile del sensore.

Gli intrinseci difetti e limitazioni delle tecniche “time domain” e “space domain” sopra descritti sono evidenti negli attuali dispositivi per la misura dell'indice di rifrazione e della dispersione di un mezzo a partire dal ritardo di fase ∆φ, in particolare in quelli per misurare la presenza di un gas o la dispersione di un mezzo trasparente.

In conclusione, i dispositivi di misura interferometrici di tipo noto hanno una efficacia solo parziale a dispetto delle potenzialità delle tecniche interferometriche, legate alla intrinseca sensibilità/precisione e range di misura, o alla possibilità di utilizzo in ambienti critici. Tutto ciò rappresenta un problema significativo in tutte quelle applicazioni nelle quali è richiesto un elevato range dinamico ed al contempo un’altrettanta elevata velocità, precisione e sensibilità di misura ma anche semplicità costruttiva e possibilità di miniaturizzazione come quando si voglia misurare la presenza di un gas o la dispersione di un mezzo trasparente. Pertanto, in base allo stato della tecnica esistono ancora spazi per migliorare l’applicazione di tecniche interferometriche alla misurazione dell’indice di rifrazione di materiali.

Scopi dell’invenzione

Partendo dunque, dai limiti dei sistemi noti allo stato attuale dell’arte, la presente invenzione intende superarli in maniera compiuta fornendo una soluzione al problema sopra definito. Pertanto, il primo e principale scopo del presente trovato è realizzare un interferometro in grado di unire i vantaggi delle tecniche “time domain” e “space domain”. In particolare, tale scopo include la realizzazione di un interferometro privo di parti mobili, come uno specchio montato su uno “stepping motor”.

Unitamente al compito principale sopra esposto, un secondo importante scopo del presente trovato è realizzare un dispositivo di misura che includa detto interferometro per determinare diverse proprietà di un materiale a partire dalla misura del ritardo di fase ∆φ tra un fronte d’onda di riferimento ed un fronte d’onda che intercetta tale materiale ed interferisce con il primo. Rientra in tale scopo la realizzazione di un dispositivo per misurare l’indice di rifrazione o la dispersione di un mezzo trasparente solido, liquido o gassoso con un elevato range dinamico di misura. In particolare, tale scopo include la realizzazione di un dispositivo di misura in grado di rilevare un gas, anche tossico o esplosivo, disperso in un qualunque ambiente sia di tipo domestico che industriale ma anche marino, e dotato di un range di misura sufficientemente ampio da permettere la rilevazione, mediante un singolo strumento di limitate dimensioni, di gas, o loro miscele, aventi caratteristiche diverse tra loro come gas pesanti o leggeri (ovvero avente indice di rifrazione simile a quello dell’aria).

Nell’ambito del primo e del secondo scopo sopra esposti, un terzo scopo del presente trovato è realizzare un dispositivo di misura basato su una sorgente a bassa coerenza, come luce bianca, in modo da evitare sorgenti laser il cui impiego, specialmente in applicazioni di tipo domestico, è fonte di pericolo.

Ulteriormente, un quarto scopo compito del presente trovato collegato agli scopi ed ai compiti sopra esposti, è rivelare un metodo migliorativo, basato su detto interferometro e dispositivo di misura, per determinare l’indice di rifrazione o la dispersione di un’ampia gamma di mezzi trasparenti solidi, liquidi o gassosi, con un singolo strumento e con una limitata fase di set-up o di taratura. Particolarmente, rientra in tale scopo la possibilità di misurare la concentrazione dei gas componenti una miscela gassosa dispersa in un ambiente a partire dalla misura dell’indice di rifrazione e dalla dispersione di tale miscela. Infine, un ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare detto interferometro e dispositivo di misura con una struttura semplice ed agevole da miniaturizzare, mediante tecnologie note ed a costi compatibili con una produzione di massa.

Questi ed altri scopi ancora, che più chiaramente appariranno in seguito, vengono raggiunti da un interferometro con fronte d'onda a dispersione spaziale segmentata, come specificatamente definito nell’unita rivendicazione 1, da un dispositivo utile per misurare l'indice di rifrazione e la dispersione di un mezzo trasparente comprendente detto interferometro, come definito nell’unita rivendicazione 3, da un metodo di misura basato su detto dispositivo, secondo l’unita rivendicazione 9 ed infine dall’uso di tale dispositivo come all’unita rivendicazione 13. Dettagli tecnici di tale interferometro, dispositivo e metodo, legati alle diverse forme realizzative (alcune delle quali verranno descritte nel seguito a titolo puramente esemplificativo), sono individuati dalle corrispondenti rivendicazioni dipendenti. Le suddette rivendicazioni, cui si rimanda per brevità di esposizione, si intendono parte integrante della presente descrizione.

Riassunto dell’invenzione

Descrizione delle figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato, risulteranno maggiormente dalla descrizione di quattro sue forme di esecuzione preferita ma non esclusiva, illustrate a titolo indicativo e non limitativo nelle unite tavole di disegni, in cui:

- la Figura 1 illustra schematicamente un interferometro in configurazione classica di Michelson di tipo noto;

- la Figura 2 illustra, con riferimento ad un sistema interferometrico noto di tipo “time domain”; alla lettera (a) lo schema ottico, alla lettera (b), l’andamento temporale del segnale rilevato dal sensore (PD) nel caso la sorgente WLS sia coerente; alla lettera (c), il segnale emesso dalla sorgente WLS a bassa coerenza; alla lettera (d), l’andamento temporale del segnale rilevato dal sensore (PD) nel caso la sorgente WLS sia a bassa coerenza;

- la Figura 3 illustra, con riferimento ad un sistema interferometrico noto di tipo “space domain”; alla lettera (a) lo schema ottico (a sinistra) e il segnale rilevato dal sensore a matrice (a destra) in assenza di un mezzo trasparente con indice di rifrazione n nel cammino ottico di misura; alla lettera (b), lo schema ottico (a sinistra) e il segnale rilevato dal sensore a matrice (a destra) quando un mezzo trasparente con indice di rifrazione n è collocato nel cammino ottico di misura.

- Figura 4 illustra l’interferometro con fronte d'onda a dispersione spaziale segmentata (nei box tratteggiati) secondo il trovato ed il dispositivo di misura comprendente detto interferometro. Alla lettera (a) lo schema ottico di tale dispositivo (a sinistra) e il segnale rilevato dal sensore a matrice (a destra). Alla lettera (b), lo schema ottico di tale dispositivo (a sinistra) e il segnale rilevato dal sensore a matrice (a destra) quando un mezzo trasparente con indice di rifrazione n è collocato nel cammino ottico di misura;

- la Figura 5 illustra, in modo analogo alla Figura 4, il dispositivo di misura secondo il trovato nella sua prima forma realizzativa nel quale è stato utilizzato uno specchio costituito da 5 scalini per aumentare il range dinamico dell’interferometro;

- la Figura 6 illustra due interferogrammi realizzati con il dispositivo di misura secondo la prima forma realizzativa del trovato. Alla lettera (a) una figura di interferenza di riferimento prodotta quando nel bracci di misura (B1,B2) è presente aria; alla lettera (b) la figura di interferenza prodotta quando nel braccio B1 è introdotto gas GPL e nel braccio B2 è presente aria;

- la Figura 7, illustra schematicamente la misurazione delle proprietà di un materiale MED mediante l’impiego di una sorgente multispettrale con riferimento alla seconda e quarta forma realizzativa del dispositivo di misura;

- la Figura 8, con riferimento alla terza forma realizzativa, illustra schematicamente un dispositivo per la misura di gas dotato di un sistema che facilita il riempimento del braccio di misura (B1).

In sintesi il presente trovato si basa su un interferometro a luce bianca comprendente uno specchio che si caratterizza per presentare la superficie riflettente a "scalini". Tale specchio può essere indifferentemente collocato al posto dello specchio (RM) o (MM) in un interferometro “space domain” di tipo noto come quello schematicamente illustrato nell’unita Figura 3. In questo modo, è possibile, da un lato, eliminare il motore per lo specchio di scansione, che nei sistemi “time domain” assicura un intervallo di misura dinamico elevato (pari alla corsa del motore, tipicamente di qualche millimetro), e, dall’altro, mantenere la semplicità costruttiva e l’assenza di parti mobili tipica dei sistemi “space domain”. L’effetto tecnico legato all’eliminazione del motore ed all’introduzione dello specchio “a scalini” determina un sorprendente incremento dell’intervallo di misura proporzionale al numero di scalini dello specchio. Poiché esistono numerose tecniche note per realizzare a basso costo, e con dimensioni contenute, tale specchio “a scalini”, è evidente come la presente invenzione presenti innumerevoli vantaggi e rappresenti un rilevante avanzamento nelle tecniche di misura basata su sistemi interferometrici specialmente in quelle applicabili a dispositivi di misura di piccola dimensione destinati ad applicazioni di massa.

Definizioni

Per chiarezza e per brevità espositiva, si precisa che il termine “specchio a scalini” indicherà uno specchio nel quale la superficie riflettente presenta almeno un profilo formato da uno o più gradini, sostanzialmente privo di potere diottrico, come quelli illustrati nelle unite Figura 4, 6 e 7 in alto a destra. A tal proposito si precisa che in tali figure il sistema di riferimento è costituito da una terna di assi cartesiani (X,Y,Z) ortogonali destrorsi ovvero orientata secondo la regola “della mano destra”.

Nell’ambito del presente trovato, il termine “dispersione spaziale segmentata” verrà utilizzato con riferimento a dispositivi e metodi di misura basati su interferometri di tipo “space domain” nei quali il range dinamico di misura è aumentato mediante uno o più specchi “a scalino” collocati al posto degli specchi (RM) o (MM) piani tradizionalmente utilizzati (Figura 3). Ad esempio, la dicitura “interferometro con fronte d'onda a dispersione spaziale segmentata” designerà un interferometro che sfrutta il principio della “dispersione spaziale segmentata”.

Con riferimento alla sorgente luminosa dell’interferometro, i termini “alta coerenza” e “bassa coerenza” designeranno, rispettivamente, una sorgente nella quale la larghezza di banda ∆λFWHM è inferiore alla lunghezza d’onda di picco λp (in questo caso l’intensità I(λ) è tipicamente una funzione gaussiana della lunghezza d’onda λ), ed una sorgente nella quale la larghezza di banda ∆λFWHM è pari a qualche lunghezza d’onda di picco λp (in questo caso l’intensità I(λ) è la convoluzione di una pluralità di sorgenti “elementari” gaussiane). Ad esempio, un LED superluminescente a luce bianca rappresenta una sorgente a bassa coerenza.

Infine, come verrà descritto in dettaglio nel seguito, l’interferometro oggetto del presente trovato contiene mezzi per suddividere il fascio di luce emesso dalla sorgente in due componenti, ad esempio uno specchio semiriflettente: la componente inviata verso lo specchio di riferimento (RM) percorre un “braccio di riferimento” di lunghezza LRM mentre la componente inviata verso lo specchio di misura (MM) percorre un “braccio di misura” di lunghezza LMM uguale o diversa da LRM. I bracci saranno distinti dai cammini ottici percorsi dai fasci luminosi nei materiali. Ad esempio, il braccio è un mezzo (B1) che contiene il cammino ottico (MOD) del fascio di analisi e dunque anche il materiale (MED) oggetto della misura.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

Descrizione dell’interferometro e del dispositivo di misura

I compiti e gli scopi della presente invenzione verranno raggiunti da un interferometro con fronte d'onda a dispersione spaziale segmentata, nonché da dispositivi e metodi di misura basati su detto interferometro.

Con riferimento ai box tratteggiati riportati nell’unità Figura 4, tale interferometro è indicato complessivamente con (1) e comprende: una sorgente (WLS) di luce a bassa coerenza idonea a generare un fascio primario (10); un sistema di collimazione (C) mezzi (BS) atti a separare detto fascio primario in due fasci, uno di analisi (11) ed uno di riferimento (12); mezzi (B1) idonei a posizionare o a contenere un campione (MED) avente indice di rifrazione n in modo da intercettare il cammino ottico di detto fascio di analisi (11); mezzi (B2) idonei a contenere il cammino (ROD) di detto fascio di riferimento (12); mezzi (M) per risovrapporre detto fascio di analisi (11) e detto fascio di riferimento (12) secondo il principio della “dispersione spaziale segmentata”. Allo scopo di attuare tale principio è essenziale che detti mezzi (M) comprendano uno specchio “a scalini”. A titolo esemplificativo, e non limitativo del presente trovato, detti mezzi (M) sono preferibilmente costituiti da un comune specchio piano (RM) e da uno specchio (SM) avente la superficie riflettente formata da due scalini con passo pari a ∆OD ed altezza ∆MOD. In questo modo, quando il fronte d'onda (MW) (Figura 4) proveniente dai mezzi (BS) viene riflesso dallo specchio (SM), esso viene suddiviso in due componenti mutuamente separate da un ritardo di fase di 2×∆OD raddoppiando così il range dinamico ∆MOD(x) e al contempo mantenendo il sistema nel dominio spaziale (senza quindi utilizzare il motore di scansione per lo specchio). Affinché questo avvenga è necessario che lo specchio “a scalini” sia inclinato rispetto alla direzione (X) di incidenza del fascio di misura (MW), ad esempio di un angolo compreso tra 2 e 20 gradi.

Se si abbina l’interferometro a “dispersione spaziale segmentata” così descritto con un sistema di rilevazione (2DS) a matrice, ad esempio un CCD, la figura di interferenza si formerà su uno dei due scalini, come illustrato in Figura 4a a destra, mentre se si introduce un mezzo trasparente MED(n) nel braccio di misura, la figura di interferenza si formerà sull'altro scalino come in Figura 4b a destra. Questo principio può essere esteso aumentando il numero degli scalini nello specchio (SM): con due scalini si raddoppia la dinamica di misura, con tre si triplica e così via. In Figura 5 è schematicamente illustrato, a titolo puramente esemplificativo, un sistema a dispersione spaziale multipla con specchio a 5 gradini. Impiegando uno specchio costituito da qualche decina di scalini è vantaggiosamente possibile ottenere un intervallo dinamico ∆MOD(x) dell’ordine del millimetro, del tutto paragonabile a quello dei sistemi “time domain”, senza però ricorrere al motore di scansione per lo specchio. In pratica, un singolo strumento di misura dotato di uno specchio a gradini è equivalente ad una pluralità j=1, 2, …, N (con N intero ≥1) di strumenti di misura “space domain” in serie, ciascuno dei quali è ottimizzato per rilevare l’indice di rifrazione all’interno di un range ∆Mj. Poiché la sorgente utilizzata è di tipo a bassa coerenza, i picchi di interferenza costruttiva della figura di interferenza rilevata dal sensore matriciale avranno un’intensità non costante con un andamento come quello illustrato nell’unita Figura 2d e rappresentato dalle barre in scala di grigio nei tre riquadri a destra della Figura 4.

Dalla distanza tra i picchi della figura di interferenza, corrispondente alla condizione ∆φ = 0, è agevole per l’esperto del ramo calcolare il valore dell’indice di rifrazione n del materiale MED(n). Ovviamente tali calcoli possono essere effettuati tramite un’unità di controllo e di elaborazione (non raffigurata nelle unite figure) asservita al dispositivo di misura.

Per fare in modo che tutti i picchi della figura di interferenza cadano nell’area sensibile del sistema di rilevazione (2DS) a matrice, è necessario che l’interferometro sia opportunamente dimensionato e tarato tenendo in considerazione i seguenti fattori. In primo luogo, bisogna definire quali materiali si intendono analizzare e quale tipo di misura (indice di rifrazione, dispersione o entrambe). Questa scelta determina il range di misura e la sensibilità dello strumento e quindi: le caratteristiche della sorgente a bassa coerenza (luce bianca o RGB); la dimensione e risoluzione del sensore matriciale (2DS); il dimensionamento dei mezzi (B1,B2) ed il numero di scalini dello specchio (SM). Inoltre, è necessario che lo specchio “a scalini” (SM) sia leggermente inclinato rispetto alla direzione (X) di incidenza del fascio di misura (MW). Ai fini della formazione e spostamento dell’immagine di interferenza, secondo il principio della dispersione spaziale segmentata qui illustrato, non è invece importante l’altezza ∆MOD dello scalino né la forma del gradino il quale può avere un profilo qualsiasi purché nel suo complesso lo specchio (SM) sia privo di potere diottrico. Ad esempio, con riferimento alle unite Figure 4, 6 e 7, il profilo sul piano (X,Z), dello specchio a gradino (SM) può essere una funzione continua a tratti costituita da una successione di segmenti, uguali o diversi, tra loro ortogonali (funzione “a gradino”) oppure tra loro inclinati (funzione a “dente di sega”). Tale andamento può riguardare anche la proiezione dello specchio a gradino (SM) sul piano (X,Y) o sul piano (Y,Z). Strutture a gradini più complesse per lo specchio sono comunque idonee ai fini dell’attuazione del concetto inventivo, ad esempio una struttura nella quale le sue proiezioni sui piani (X,Z) e (Y,Z) presentano entrambe un andamento a scalini. Il concetto inventivo, di interferometro a “dispersione spaziale segmentata”, coniato dal presente inventore è stato sfruttato per mettere a punto un dispositivo ed un metodo di misura che trova concreta attuazione in quattro forme di esecuzione preferita, ma non esclusiva, in cui la prima si riferisce ad un sensore per rilevare la presenza di un gas in un ambiente, la seconda, un dispositivo per misurare la concentrazione dei componenti di una miscela di gas dispersa in un ambiente; la terza è una variante delle precedenti due e comprende un congegno per facilitare il riempimento del braccio di misura; infine la quarta forma realizzativa riguarda un dispositivo per misurare la dispersione ottica in un mezzo solido trasparente.

Descrizione del metodo di misura

Forma un altro oggetto della presente invenzione un procedimento per la misura dell’indice di rifrazione di materiali trasparenti, basato sul dispositivo di misura sopra descritto. La successione delle fasi apparirà evidente all’esperto del ramo dalla descrizione sopra fornita del dispositivo di misura basato sull’interferometro a dispersione spaziale segmentata, ed è concretamente fornita dall’unita rivendicazione 9.

Nella forma realizzativa preferita tale procedimento è applicato per rilevare la presenza di un gas disperso in un ambiente attraverso la misura dell’indice di rifrazione del gas stesso, mentre nella seconda, per rilevare le componenti di una miscela di sostanze gassose attraverso la misura combinata dell’indice di rifrazione e della dispersione della miscela stessa, ed infine nella quarta forma realizzativa per la misura della dispersione in un mezzo trasparente.

Forme realizzative preferite

Descrizione del sensore di gas

Nella prima forma realizzativa preferita, qui descritta a titolo esemplificativo e non limitativo del presente trovato con riferimento all’unita Figura 5, il dispositivo di misura che include l’interferometro con fronte d'onda a dispersione spaziale segmentata è un dispositivo per la misura di gas (2) disperso in un ambiente. Tale dispositivo comprende i seguenti blocchi: una sorgente (WLS) LED superluminescente a luce bianca energizzata da un idoneo alimentatore (non raffigurato nelle unite figure); un beam splitter (BS), preferibilmente del tipo a specchi semitrasparenti, il quale separa il fascio primario (10) dalla sorgente (WLS) in due fasci di analisi (11) e di riferimento (12) aventi fronti d’onda (MW) e (RW) rispettivamente; un braccio di misura (B1), di lunghezza LRM, idoneo a contenere il cammino (MOD) di detto fascio di analisi (11); un braccio di riferimento (B2), di lunghezza (LMM), idoneo a contenere il cammino (ROD) di detto fascio di riferimento (12); mezzi (M) per risovrapporre detti fasci (11,12) costituiti da un comune specchio piano (RM) e da uno specchio (SM) avente la superficie riflettente formata da due scalini con passo pari a ∆OD ed altezza ∆MOD; un braccio di acquisizione (13) comprendente un CCD (2DS) per la rilevazione del segnale generato dall’interferenza del fascio di riferimento (12) e del fascio di analisi (11) dopo che questo ha attraversato il campione di gas (MED) avente indice di rifrazione medio n; infine, è opzionalmente presente un sistema (non raffigurato) per l’elaborazione e la rappresentazione del segnale rilevato. Tutti i blocchi del dispositivo di misura (2) sono contenuti in un opportuno involucro (non indicato nelle unite figure), ad esempio un involucro partizionato in scomparti idonei a contenere i blocchi sopra descritti.

In tale forma realizzativa, il braccio di misura (B1) è in comunicazione con l’ambiente nel quale è presente la sostanza gassosa da rilevare, mentre il braccio di riferimento (B2) deve essere isolato da detto ambiente per evitare che la sostanza gassosa falsi il segnale di riferimento e dunque la misura. Apparirà evidente all’esperto del ramo come esistano diverse opzioni tecniche per attuare concretamente un dispositivo di misura per gas nel quale sia consentito alla sostanza gassosa di intercettare il cammino (MOD) del fascio di analisi (11) ed al contempo sia impedito a detta sostanza di intercettare il cammino (ROD) del fascio di riferimento (12). Ad esempio, i bracci di misura e riferimento (B1,B2) possono essere, o includere, cilindri metallici, preferibilmente di lunghezza inferiore a 50 mm. A titolo esemplificativo e non limitativo del trovato, il primo (B1) è chiuso alle estremità dal beam splitter (BS) e dallo specchio piano (RM) ed è provvisto di una o più aperture (AB1) in diretto contatto con l’ambiente esterno ricavate sulla superficie laterale. Il secondo cilindro (B2) è chiuso alle estremità dal beam splitter (BS) e dallo specchio a scalini (SM) in modo da formare un contenitore cilindrico stagno contenente aria o altro gas, oppure nel quale è realizzato un livello di vuoto accettabile; alternativamente, il cilindro (B2) può essere pieno oppure essere un contenitore trasparente. In tutti i casi, il materiale solido trasparente utilizzato per realizzare il cilindro/contenitore ha un indice di rifrazione opportunamente scelto in base alle caratteristiche dello strumento, ed in particolare alla sensibilità (la sensibilità dipende ovviamente anche dalla sostanza gassosa oggetto della misura). Conformando opportunamente l’involucro del dispositivo, il cilindro (B1) o il cilindro (B2) possono essere integrati all’involucro stesso semplificando il numero di componenti; inoltre nell’involucro possono essere ricavati alloggiamenti ove collocare il beam splitter (BS) e gli specchi (RM,SM). Utile allo scopo può essere realizzare l’involucro del dispositivo in alluminio o in tecnopolimero per pressofusione. In alcune applicazioni, un contenitore fisico (B1) può anche non essere presente ed il fascio (11) è così in diretto contatto con la sostanza gassosa.

Infine, in tale forma realizzativa qui descritta a titolo esemplificativo e non limitativo del trovato, è presente un microprocessore (non raffigurato), di tipo noto, che elabora il segnale rilevato dal CCD e lo trasforma in un segnale visibile o udibile, come un allarme sonoro. Tutti i componenti utili per realizzare il dispositivo di misura basato sull’interferometro con fronte d'onda a dispersione spaziale segmentata, qui descritto a titolo esemplificativo e non limitativo del presente trovato sono disponibili commercialmente (ad esempio dal catalogo Edmund Optics) e possono essere scelti e dimensionati in modo ovvio per l’esperto del ramo.

Il sistema così descritto presenta una sensibilità ed una precisione idonea a rilevare la presenza di gas in un ambiente, civile o industriale, come dimostrano i seguenti due esempi. Esempio 1: Rilevazione di idrocarburi gassosi.

Nella seguente tabella sono riportati gli indici di rifrazione n di alcuni gas (rilevati tutti nelle medesime condizioni di eccitazione, di temperatura e di pressione P).

Dalla tabella si nota come gli idrocarburi gassosi (benzene, etilene, etc.) presentano valori di n circa un ordine di grandezza maggiori rispetto all'aria (nair=1,000292). Ad esempio, l’indice di rifrazione ngas del benzene è 1,001762. Utilizzando il dispositivo di misura (2) secondo il trovato è possibile stimare la differenza nel cammino ottico OPL applicando la formula ∆φ=ROD-MOD = LMM×n1 - LRM×n2 , dove n1 ed n2 sono gli indici di rifrazione visti dai fronti d’onda (RW) ed (MW) rispettivamente nei bracci di misura (B1) e di riferimento (B2) di lunghezza LMM e LRM. Se i due bracci sono tra loro uguali, LRM=LMM=Lo e n=nair=1,000292 nel caso del benzene la differenza di fase risulta:

Refractive index for the wavelength 589.3 nm (mean of sodium D lines) at a pressure of 101325 Pa and temperature of 0 °C, relative to a vacuum.<† >Value for white light (source www.kayelaby.npl.co.uk) Scegliendo il braccio di misura (B1) di lunghezza 50 mm la differenza nel cammino ottico risulta pari a 73,5 µm, un valore ben dentro la sensibilità dello strumento (inferiore a 1 µm) e dunque realizzabile. In realtà basterebbe che il braccio di misura (B1) fosse riempito di gas per una lunghezza di soli 10 mm, risultato che dimostra la possibilità di miniaturizzazione dello strumento uno degli scopi del presente trovato.

Con lo stesso strumento è stata simulata la rilevazione di una fuga di gas GPL in un ambiente domestico utilizzando un comune accendino che è stato tenuto aperto in prossimità delle aperture ricavate sul braccio di misura (B1). L'indice di rifrazione del GPL è circa quello del pentano (nGPL=1,000686), molto vicino a quello dell'aria (nair=1,000293) e questo rende la misura più difficoltosa rispetto al caso del benzene:

L’unita Figura 6 illustra le figure di interferenza rispettivamente prodotte quando nel braccio B1 è presente aria (lettera a) e gas GPL (lettera b). Lo spostamento (circa 4λ pari a circa 2 µm) delle frange di interferenza è nettamente visibile, nonostante la differenza ∆n tra gli indici di rifrazione dei gas sia appena 3,9310<-4 >ed il gas GPL fuoriuscito dall’accendino non abbia riempito interamente il braccio di misura (B1), come testimonia la conformazione direzionale dell’interferogramma in Figura 6b. Risultati simili sono ottenuti con il metano (n=1,000444 e spostamento ∆φ=7,6 µm). In modo simile, l’anidride solforosa (n=1,000516) determina uno spostamento dei picchi di interferenza pari a 11,2 µm, rendendo così possibile rilevare anche la presenza di questo gas nocivo, ad esempio in un ambiente o cisterna nel quale è in atto un processo di fermentazione di un mosto.

Un dispositivo di misura come quello illustrato in Figura 5, avente un braccio di misura di 50 mm o inferiore, e comprendente un sensore CCD o CMOS di tipo commerciale (ad esempio con risoluzione di 1 megapixel o anche inferiore), uno specchio (SM) composto da 5 scalini, possiede una sensibilità ed un range di misura tali da permettere misure di indice di rifrazione su un’ampia gamma di gas con un intervallo di qualche decimo di millimetro. In particolare, è possibile rilevare, con un singolo strumento, benzene (73,5 µm), GPL (19,65 µm), anidride solforosa (11,2 µm) e metano (7,6 µm). Pertanto, l’Esempio 1 dimostra la possibilità φi rilevare, senza il motore di scansione come nei sistemi “time domain”, una grande varietà di gas esplosivi e tossici aventi indici di rifrazione molto diversi che possono andare dal metano (circa una decina di pixel) fino al benzene (circa un centinaio di pixel). Con uno strumento di misura noto, singolo e di dimensioni contenute, non sarebbe stato possibile rilevare in modo affidabile gas tanto diversi come benzene, GPL, metano ed anidride solforosa. In questo modo, è stato raggiunto in modo nuovo ed inventivo un importante scopo della presente invenzione.

Esempio 2: Rilevazione di gas leggeri.

I gas più leggeri come l’azoto, l’idrogeno e l’ossigeno hanno un indice di rifrazione simile all'aria (essendo l'aria composta da una miscela di questi gas) e questo rende la misura più difficoltosa. Applicando la solita formula (nH=1,000132), la differenza di fase risulta:

Si registra uno spostamento delle frange pari a 8 µm per un braccio di misura (B1) di lunghezza Lo uguale a 50 mm. Tale spostamento registrato dal sensore bidimensionale avviene nel verso contrario rispetto a quello registrato nell’Esempio 1, dato che l'indice di rifrazione dell’idrogeno è inferiore a quello dell'aria.

Si è così dimostrato che il dispositivo di misura dell’Esempio 1 presenta una sensibilità sufficiente a rilevare un gas critico come l’idrogeno (-8 µm). Con l’Esempio 2 è stata così dimostrata la possibilità di rilevare gas avente un indice di rifrazione simile a quello dell’aria, ed al contempo un gas con caratteristiche del tutto diverse come il benzene (73,5 µm) raggiungendo così un ulteriore importante scopo della presente invenzione.

Altre forme realizzative

La seconda forma realizzativa del dispositivo di misura che include l’interferometro secondo il presente trovato, si riferisce a un dispositivo per misurare la concentrazione dei componenti di una miscela di gas dispersa in un ambiente.

A titolo esemplificativo e non limitativo del presente trovato tale forma prevede una struttura sostanzialmente simile alla forma realizzativa preferita ma in questo caso è presente una sorgente multispettrale (WLS), ad esempio un LED RGB, munita di un driver/alimentatore (non illustrato nelle unite figure) che permette di energizzare in modo indipendente le singole sorgenti costituenti, ad esempio la sola sorgente rossa (R).

Con riferimento all’unita Figura 7, è sufficiente energizzare a turno i tre (o più) colori della sorgente LED RGB ed ottenere altrettante figure di interferenza (Figura 7b a destra). Poiché ogni gas ha indice di rifrazione diverso dall'aria (contenuta nel braccio di riferimento isolato dall’ambiente esterno) e l’intensità del segnale rilevato dal CCD, o altro sensore matriciale, dipende dalla concentrazione di un certo gas nella miscela, le posizioni e le intensità registrate dei tre picchi corrispondenti ai colori RGB saranno diverse a seconda della composizione della miscela di gas dispersa nell’ambiente. Ognuna delle figure di interferenza corrispondenti ai colori RGB fornirà la misura dell'indice di rifrazione n(λ1), n(λ2), n(λ3) alle lunghezze d'onda utilizzate (λ1,λ2,λ3) di una certa componente della miscela gassosa. Sfruttando formule ben note all’esperto del ramo, e rilevando delle curve di tarature di gas puri è possibile stimare la concentrazione relativa di tali componenti nella miscela. Ovviamente, i picchi di interferenza cadranno tutti all’interno dell’area sensibile del CCD, se il dispositivo di misura ha un range dinamico adeguato e quindi è stato scelto opportunamente il numero di scalini dello specchio (SM) in base alle caratteristiche del sensore a matrice ed alla lunghezza dei bracci (LRM, LMM).

La terza forma realizzativa si riferisce ad un dispositivo per misurare sostanze gassose, pure o miscele, che a differenza delle due precedenti prevede (Figura 8) un braccio di misura (B1) comprendente una cella trasparente al fascio di misura all’interno della quale è introdotto il gas disperso nell’ambiente. Questa operazione può essere realizzata con tecnologie note, ad esempio tramite una micro-pompa (50) avente un ingresso (51) a contatto con l’ambiente esterno e l’uscita (52) connessa alla cella trasparente. Detta micro-pompa è alimentata allo stesso alimentatore della sorgente luminosa (WLS). Con questo accorgimento, qui illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo del trovato, è possibile saturare la cella (B1) in modo uniforme e veloce, permettendo così di ottimizzare il tempo di misura ed inoltre di ottenere uno spostamento delle frange di interferenza più uniforme. Al termine della misura il gas può fuoriuscire da una o più aperture (AB1) presenti sulla superficie della cella (B1) o alternativamente può fuoriuscire dall’ingresso (51) se la micro-pompa (50) è bidirezionale. Vantaggiosamente la cella (B1) può essere di tipo sostituibile in caso di misure su gas altamente sporcanti, ad esempio idrocarburi gassosi pesanti, gas biologici, o gas generati dalla fermentazione di mosti.

Dalla descrizione fornita, appare chiaro che in questa variante il dispositivo può anche essere collegato, tramite l’ingresso (51) della micro-pompa ed un tubicino, ad un contenitore contenente un gas oppure all’uscita di un impianto nel quale si sviluppano sostanze gassose. Infine, la quarta forma realizzativa si riferisce ad un dispositivo di misura che include l’interferometro secondo il presente trovato ed è congegnato per la misura delle proprietà ottiche di un materiale solido trasparente ed in particolare della dispersione. A titolo esemplificativo e non limitativo del presente trovato tale forma prevede una sorgente (WLS) multispettrale del tutto analoga a quella della precedente forma realizzativa. In questo caso, la principale variante riguarda i bracci di misura (B1,B2) che essendo configurati per misure su materiali solidi trasparenti (MED), presentano una struttura diversa e semplificata. Più precisamente, in questa forma realizzativa il braccio di riferimento (B2) è immerso in aria e non è necessario sia isolato dall’ambiente esterno. Inoltre, allo scopo di consentire al fascio di analisi (11) di intercettare il campione da analizzare, non è necessario che il braccio di misura (B1) includa un contenitore in contatto con l’ambiente, o altri mezzi (eventualmente integrati all’involucro) per contenere il gas, ma è sufficiente che il braccio di misura (B1), sia immerso in aria ed includa un semplice porta-campione. Tale porta-campione può assumere forme diverse a seconda della destinazione d’uso del dispositivo di misura. Ad esempio, per un utilizzo in un ambiente sostanzialmente fisso, come un laboratorio, non è necessaria la presenza dell’involucro di protezione del dispositivo ed è preferibile che tutti i blocchi del dispositivo siano montati su guide o piastre preforate di tipo noto; in questo caso il portacampione è un semplice “sample holder” posizionabile reperibile da cataloghi commerciali come Edmund Optics. Nel caso di un dispositivo portatile, l’involucro di protezione è presente ed il porta-campione può essere, ad esempio, del tipo a slitta e permette l’inserimento del campione (MED) dall’esterno attraverso un’apertura ricavata sull’involucro stesso in modo da intercettare il cammino ottico del fascio di analisi (11).

Dal punto di vista operativo, per misurare l’indice di rifrazione e la dispersione del materiale solido trasparente (MED), si sfrutta il medesimo procedimento descritto nel caso della seconda forma realizzativa e dunque è necessario ottenere le tre figure di interferenza corrispondenti ai colori RGB in modo da ottenere la misura dell'indice di rifrazione n(λ1), n(λ2), n(λ3) alle lunghezze d'onda utilizzate (λ1,λ2,λ3). Sfruttando formule ben note all’esperto del ramo, da tali valori è possibile calcolare la dispersione (secondo Abbe) del mezzo ovvero la funzione n(λ).

Conclusioni

Dalla descrizione fornita appare evidente come siano stati pienamente raggiunti gli scopi e i compiti della presente invenzione. In particolare, è stato dischiuso un interferometro a dispersione spaziale segmentata. Tale interferometro è alla base di dispositivi ed un metodo di misura utile per misurare una vasta gamma indici di rifrazione senza avere il motore di scansione, con ovvi vantaggi in termini di costo, complessità del set-up, possibilità di rotture. Negli Esempi 1 e 2 la rilevazione dei gas è stata effettuata con una sorgente LED a luce bianca (a bassa coerenza) e non mediante l'utilizzo di una sorgente laser come in molti dispositivi analoghi di tipo noto. Questa caratteristica risulta particolarmente vantaggiosa in termini di sicurezza, e di certificazione prodotto, nel caso tale sensore di gas sia utilizzato in ambienti domestici e non di laboratorio. Apparirà evidente come sia stato raggiunto un ulteriore scopo della presente invenzione.

Infine, con il presente trovato si è realizzato un dispositivo ed un metodo che a seconda delle esigenze, possono essere facilmente attuabili mediante innumerevoli tecnologie note, purché compatibili con l’uso.

La descrizione delle forme realizzative sono qui riportate è a titolo esemplificativo e non limitativo del presente trovato. Infatti, apparirà evidente all’esperto del ramo come numerose varianti siano possibili, tutte rientranti nell’ambito generale del concetto inventivo.

Nella descrizione fornita delle forma realizzative si è fatto riferimento all’impiego di un singolo specchio “a scalini”, ma è evidente dalla descrizione fornita come possano essere impiegati anche due o più specchi ciascuno dotato di un numero diverso di scalini i quali possono essere introdotti in modo selettivo nel braccio di misura (B1) (ad esempio mediante un meccanismo a slitta) per offrire all’utente la possibilità di selezionare diversi range di misura. Si precisa che sebbene la descrizione e gli esempi forniti contengano molti dettagli, questi non devono essere interpretati come limitativi dell’ambito dell'invenzione, ma semplicemente come illustrazioni esemplificative di alcune forme realizzative della presente invenzione. Pertanto, qualsiasi modifica della presente invenzione che rientra nello scopo e nell'ambito delle rivendicazioni che seguono è considerata parte della presente invenzione.

Ove le caratteristiche e le tecniche menzionate in qualsiasi rivendicazione siano seguite da segni di riferimento, tali segni di riferimento sono stati apposti al solo scopo di aumentare l'intelligibilità delle rivendicazioni e di conseguenza tali segni di riferimento non hanno alcun effetto limitante sull'interpretazione di ciascun elemento identificato a titolo di esempio da tali segni di riferimento.

Claims (13)

1. Rivendicazioni 1) Un interferometro (1) comprendente: - una sorgente di luce (WLS) idonea a generare un fascio primario (10), detta sorgente di luce (WLS) comprendente lunghezze d'onda fra 0,3 e 5 μm; - mezzi (BS) atti a separare detto fascio primario in due fasci, uno di analisi (11) ed uno di riferimento (12); - mezzi (B1) idonei a contenere il cammino ottico (MOD) di detto fascio di analisi (11) ed a contenere un campione (MED) avente indice di rifrazione n su detto cammino (MOD); - mezzi (B2) idonei a contenere il cammino ottico (ROD) di detto fascio di riferimento (12); - mezzi (M) per risovrapporre detto fascio di analisi (11) e detto fascio di riferimento (12), caratterizzato dal fatto che - detta sorgente di luce visibile (WLS) è una sorgente a bassa coerenza; e - detti mezzi (M) includono almeno uno specchio (SM) nel quale almeno una proiezione sui piani (X,Z) o (Y,Z) o (X,Y) della superficie riflettente presenta un profilo a scalini, detto specchio (SM) essendo orientato in modo da formare un angolo diverso da zero rispetto ad un asse (X), in modo da indurre la dispersione spaziale segmentata del fronte d'onda incidente.
2. 2) L’interferometro (1) secondo la rivendicazione precedente nel quale detto profilo a scalini è costituito da una funzione continua formata da una successione J di segmenti piani sj contigui (dove1<j≤J e J>1), tra loro uguali o diversi e formanti un angolo αj ≠0 preferibilmente un angolo di 90°.
3. 3) L’interferometro (1) secondo la rivendicazione 1 o 2 nel quale detta sorgente di luce visibile (WLS) è costituita da una pluralità K di sorgenti elementari di lunghezza d’onda di picco λk e larghezza di banda ∆λk spaziate tra loro più della larghezza di banda ∆λk (dove 1≤k≤K e K≥3).
4. 4) Un dispositivo (2) di misura comprendente: - l’interferometro (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti; - un sistema di rilevazione (2DS) del segnale generato da detto interferometro (1); ed opzionalmente - un’unità di elaborazione e di memorizzazione di detto segnale.
5. 5) Un dispositivo (2) secondo la precedente rivendicazione per rilevare una sostanza gassosa dispersa in un ambiente, detto dispositivo (2) comprendente: - una sorgente di luce (WLS) idonea a generare un fascio primario (10), detta sorgente di luce (WLS) comprendente lunghezze d'onda fra 0,3 e 5 μm; - mezzi (BS) atti a separare detto fascio primario in due fasci, uno di analisi (11) ed uno di riferimento (12); - mezzi (B1) idonei a contenere il cammino ottico (MOD) di detto fascio di analisi (11) ed a contenere un campione (MED) avente indice di rifrazione n su detto cammino (MOD); - mezzi (B2) idonei a contenere il cammino ottico (ROD) di detto fascio di riferimento (12); - mezzi (M) per risovrapporre detto fascio di analisi (11) e detto fascio di riferimento (12); - un sistema di rilevazione (2DS) del segnale generato dall’interferenza di detto fascio di analisi (11) e di detto fascio di riferimento (12), caratterizzato dal fatto che - detta sorgente di luce visibile (WLS) è una sorgente a bassa coerenza; e - detto mezzo (B1) è in comunicazione con detto ambiente attraverso una o più aperture (AB1) per consentire la diffusione di detta sostanza gassosa entro detto mezzo (B1) in modo da intercettare il cammino (MOD) di detto fascio di analisi (11); - detto mezzo (B2) è isolato da detto ambiente per impedire a detta sostanza gassosa di intercettare il cammino (ROD) di detto fascio di riferimento (12); - detti mezzi (M) includono almeno uno specchio (SM) nel quale almeno una proiezione sui piani (X,Z) o (Y,Z) o (X,Y) della superficie riflettente presenta un profilo a scalini, detto specchio (SM) essendo orientato in modo da formare un angolo diverso da zero rispetto ad un asse (X), in modo da indurre la dispersione spaziale segmentata del fronte d'onda incidente; - detto sistema di rilevazione (2DS) è un sensore a matrice, preferibilmente un CCD o un CMOS.
6. 6) Il dispositivo (2) secondo la precedente rivendicazione, nel quale detta sorgente di luce visibile (WLS) è a luce bianca o multicolore, preferibilmente RGB.
7. 7) Il dispositivo (2) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni 5 o 6 nel quale detta sostanza gassosa è una miscela di due o più gas.
8. 8) Il dispositivo (2) secondo una o più delle precedenti rivendicazioni da 5 a 7 nel quale detto mezzo (B1) comprende un contenitore trasparente ed una pompa (50), detta pompa avente un ingresso (51) in comunicazione con detto ambiente, ed un uscita (52) collegata a detto contenitore, detto contenitore essendo di tipo sostituibile.
9. 9) Metodo per la misura di proprietà ottiche di una sostanza mediante il dispositivo di misura secondo una o più delle rivendicazioni da 4 a 8 comprendente le seguenti operazioni: a) scegliere uno o più campioni di materiali (MED) da analizzare o equivalentemente definire una soglia di misura Qmin ed un range di misura ∆Q; b) in base alle scelte operate nel precedente step a): − scegliere un sistema di rilevazione matriciale (2DS) dotato di adeguata risoluzione; − dimensionare mezzi (B1) idonei a contenere un cammino ottico (MOD) di un fascio di luce; − dimensionare mezzi (B2) idonei a contenere un cammino ottico (ROD) di un fascio di luce; − ottenere almeno uno specchio (SM) nel quale almeno una proiezione sui piani (X,Z) o (Y,Z) o (X,Y) della superficie riflettente presenta un profilo a scalini costituito da una funzione continua formata da una successione J di segmenti piani sj contigui (dove1<j≤J e J>1), tra loro uguali o diversi e formanti un angolo αj ≠0, preferibilmente un angolo di 90°, detto numero di scalini J idoneo a contenere detto range di misura ∆Q, preferibilmente J essendo compreso tra 2 e 30; c) generare un fascio primario (10) di luce tramite una sorgente di luce (WLS) costituita da un numero i, dove i è un intero ≥1, di sorgenti elementari di lunghezza d’onda λi e larghezza di banda ∆λi spaziate tra loro più della larghezza di banda ∆λi; d) dividere detto fascio primario (10) in almeno un fascio di riferimento (11) ed uno di analisi (12) che attraversa detto campione di materiale (MED); e) risovrapporre detti almeno due fasci di riferimento (11) ed analisi (12) dopo che abbiano seguito cammini differenti in un unico fascio, in modo da indurre l’interferenza tra detti fasci di riferimento ed analisi (11,12); f) ottenere tramite detto sistema di rilevazione matriciale (2DS) una figura di interferenza del segnale generato da detta risovrapposizione tra detti fasci di riferimento ed analisi (11,12); g) ruotare rispetto all’asse (X) di un angolo diverso da zero detto almeno uno specchio (SM) in modo che detta figura di interferenza intercetti almeno una porzione di detto sistema di rilevazione matriciale (2DS); h) calcolare l'indice di rifrazione di detto campione di materiale (MED) a partire da detta figura di interferenza.
10. 10) Metodo secondo la rivendicazione precedente per rilevare una sostanza gassosa dispersa in un ambiente a partire dalla misura dell’indice di rifrazione di detta sostanza gassosa.
11. 11) Metodo secondo la rivendicazione 9 o 10, per la misura della dispersione in un materiale (MED) nel quale detta sorgente di luce (WLS) è costituita da una pluralità K di sorgenti elementari di lunghezza d’onda di picco λk e larghezza di banda ∆λk spaziate tra loro più della larghezza di banda ∆λk (dove 1≤k≤K e K≥3).
12. 12) Metodo secondo una o più delle rivendicazioni da 9 a 11 per la misura della concentrazione dei gas componenti una miscela gassosa che ulteriormente comprende le operazione di: i) energizzare in successione detta pluralità K di sorgenti elementari in modo da ottenere un fascio luminoso di lunghezza d’onda di picco λk e larghezza di banda ∆λk e per ciascuna sorgente energizzata ottenere una figura di interferenza Θk; j) calcolare l'indice di rifrazione n(λk) di detto campione di materiale (MED) a partire dalla corrispondente figura di interferenza Θk; k) calcolare l’intensità relativa dei picchi di interferenza in detta figura di interferenza Θk; l) calcolare la dispersione del materiale (MED) in base alla pluralità K di valori di indice di rifrazione n(λk) calcolata nello step j); m) calcolare la concentrazione dei componenti di gas costituenti detta miscela gassosa in base alla pluralità K di valori di indice di rifrazione n(λk) calcolata nello step j) ed in base all’intensità relativa dei picchi di interferenza calcolata nello step k).
13. 13) L’uso dell’interferometro secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 3, in un dispositivo idoneo a: - rilevare la presenza di sostanze gassose disperse in un ambiente; - misurare la dispersione ottica nei materiali trasparenti.