WO2010037817A1 - Systeme optique anti-reflexion et a large acces pour la mesure d'indicatrices de diffusion de milieux fluides - Google Patents

Systeme optique anti-reflexion et a large acces pour la mesure d'indicatrices de diffusion de milieux fluides Download PDF

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WO2010037817A1
WO2010037817A1 PCT/EP2009/062761 EP2009062761W WO2010037817A1 WO 2010037817 A1 WO2010037817 A1 WO 2010037817A1 EP 2009062761 W EP2009062761 W EP 2009062761W WO 2010037817 A1 WO2010037817 A1 WO 2010037817A1
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axis
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prism
exit
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PCT/EP2009/062761
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Edouard Jean-Pierre Marcel Leymarie
Malik Chami
Alexandre Thirouard
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
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    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties

Definitions

  • Anti-reflection optical system with wide access for the measurement of diffusion indicators of fluid media.
  • the invention relates to a device for measuring the diffusion indicator of particles present in a liquid.
  • the diffusion indicator is a basic fundamental optical property that describes the angular distribution of scattered radiation by a volume of fluid. This fundamental optical property is useful for many scientific disciplines.
  • observing the ocean from space can provide information on phytoplankton biomass and thus on the content of water in suspended matter.
  • This theme is commonly called remote sensing of the color of water.
  • Optical remote sensing of water color allows the development and validation of coupled physical and biogeochemical models. These models are essential for predicting climate change and improving our understanding of its impact on the environment.
  • the study of coastal ecosystems is of great interest because of the steady increase in the number of people living nearby. These ecosystems are strongly influenced by continental materials related to river flows, which make them optically complex waters.
  • the spatial and temporal resolution required to map the interactions between physical, biological and geochemical processes in coastal waters can be provided only by remote sensing space or airborne.
  • the optical properties are largely influenced by the materials exported by rivers and continents. These materials affect the turbidity of seawater and, consequently, the quality of underwater vision.
  • the interaction of the incoming radiation in the water column with the particles from the continents varies according to the direction of observation because of the intrinsic properties of the particles (composition, size).
  • polarized intensity provides additional information on the type of material present and its ability to extinguish incoming radiation. The understanding of the mechanism acting on the direction and the polarization of the radiation, and therefore of the diffusion indicator of the fluid medium, is therefore a crucial issue for the vision of submarine objects in the coastal zone.
  • the PARASOL satellite sensor of the National Center for Space Studies already provides polarized and multidirectional radiation at the top of the atmosphere above the ocean. Therefore, it is not currently possible to rigorously validate the PARASOL atmospheric correction procedure by direct comparison of the polarized radiation leaving the estimated water after applying the correction algorithm. atmospheric with in-situ measurements. This step is particularly necessary in coastal environment.
  • the first diffusion indicator gauges suitable for the liquid system were manufactured in the 1960s and 1970s.
  • One of the major drawbacks of these devices is the angular scanning range of the detectors which is often typically limited to 20 ° to 150 ° and thus prevents access to the scattering properties of the particles for angles where the sensitivity of the radiation to the particles of a medium is the strongest (diffusion forward on the 0-20 ° and backscattering on the 150 ° - 180 °).
  • the applications that result from both small angle measurements (particle size) and large angles (remote sensing) have not been studied effectively with such instruments.
  • the amplitude of the direct signal transmitted at 0 ° is so strong that the signal detected at small scattering angles (from 0.1 ° to 20 °) is strongly affected by the direct beam (divergence of the incident beam, glare of the detector, spurious signals). Added to this is the problem related to the size of the sensors which limits the minimum angle of detection of the signal.
  • the amplitude of the measured signal becomes very small.
  • the problem of parasitic reflections then becomes particularly important.
  • the incident ray reflected on the walls facing the source (usually the wall of a quartz tank) is returned in the direction backward and added to the signals initially broadcast by the sample. Consequently, the amplitude of the backscattered signal becomes very strong (the power of the reflected signal is typically 40 times greater than the signal scattered by the sample at a scattering angle of 175 °), which results in unrealistic growth of the signal.
  • diffusion indicator in these angular ranges Users are then forced not to take into account the diffusion at angles greater than 160 °. This problem is very critical at the moment because it is difficult to overcome the unwanted reflection of the incident beam.
  • An object of the invention is to provide a device for measuring the polarized diffusion indicator of particles in a liquid allowing measurement in an extended angular range, typically between 1 ° and 179 °, while avoiding the phenomena of unwanted reflections.
  • a device for measuring the particle diffusion indicator in a liquid comprises a space intended to contain a liquid, emission means of a collimated light beam, light input means thus emitted within the space, the light output means of the light. space, located opposite the input means at a predetermined distance from the input means, and a moving detector of the light diffused by the liquid.
  • the output means further comprise an element extending along an axis and comprising at each end along this axis an input plane face and an output plane face respectively, the output plane face being inclined with respect to said axis, and a prism having a plane exit face glued to the planar input face of the element and an input plane face inclined with respect to an incidence of the polarized light from the input means.
  • the use as an output means of an element extending along an axis on which is glued a prism whose input face is inclined with respect to the incident ray makes it possible not to return the rays reflected by the face of input due to the change of medium between the liquid and the prism towards the detector measuring the diffusion indicator.
  • the use of an output face of the element, flat and inclined makes it possible to properly straighten the outgoing light beam and not to send back to the detector the radiation reflected by this face of the light. makes the change of environment between the middle of the element and the air.
  • the device thus structured makes it possible to extend the angular range of scanning for the measurement of the diffusion indicator by avoiding any undesirable reflections on the walls of the device.
  • the device has at least one of the following characteristics: the element extended along an axis is a cylinder of revolution; the planar exit face of the axially extending member is inclined at about 75 ° to said axis; the entrance face of the prism is inclined at approximately 45 ° with respect to the incidence of polarized light; the element extending along an axis comprises a slot consisting of a medium different from that constituting the element and optionally painted black; the slot is substantially perpendicular to the axis of the element and is about half a section of said element; the input means comprise an element extending along an axis and comprising at each end along this axis an input plane face and a planar exit face respectively, the two faces being substantially perpendicular to the axis, and a prism having a planar entrance face glued to the planar exit surface of the element and a planar output face substantially perpendicular to the planar input face of the prism, so that the outgoing polarized light beam is normal to
  • Figure 1 is a principle side view of the device according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a top view of the principle of the device of Figure 1
  • Figure 3 is a detailed diagram of the input means and the output means of the device of Figure 1
  • Figure 4 illustrates the operation of the output means of Figure 3
  • FIG. 5 is an illustration of the operation of an alternative embodiment of the output means for a device according to the invention
  • Figures 6 and 7 schematically illustrate the minimum angle of measurement by the device according to the invention
  • FIG. 8 illustrates curves representing raw signals measured on different samples by the device according to the invention
  • FIG. 9 illustrates curves representing diffusion indicators to be measured on a natural sample by the device according to the invention
  • FIG. 10 illustrates the ratio between the signal obtained with parasitic reflection and the signal obtained by a device according to the invention
  • the diffusion indicator volume scattering function, according to English abbreviated terminology in VSF
  • ⁇ (0) is defined by the intensity 1 (0) scattered in the direction ⁇ , by a volume dV hatched by an illumination E according to the following equation:
  • a sensor observing an illuminated volume V (called the diffusing volume) with a solid angle ⁇ receives a flux F ( ⁇ ), which is expressed according to the following equation:
  • d is the distance between the receiver and the diffusing volume and c is the attenuation coefficient (defined as the sum of the absorption and diffusion coefficients of the medium traversed).
  • the device 1 comprises a tank 2, which is, here, of cylindrical shape of revolution. To minimize reflections on the inner walls of the tank, they are black.
  • the tank 2 defines a space 3 for receiving a sample of liquid to be analyzed by the device 1 for measuring the polarized diffusion indicator of particles according to the invention.
  • the tank 2 is able to rotate about a vertical axis X.
  • the tank 2 is closed by a lid 17 in which is arranged two orifices intended to receive input means 20 and output means 30 of a polarized light beam L. We will describe in more detail these input and output means with reference to FIG. .
  • the lid 17 is fixed and the tank 2 is rotatable about the axis X with respect to the cover 17.
  • the device according to the invention 1 comprises means 4 for transmitting a polarized light beam L.
  • These transmission means 4 comprise a laser source 5 which emits a laser beam towards control means of polarization.
  • these polarization control means comprise a wave plate 6.
  • This wave plate 6 (order ⁇ / 2 or ⁇ / 4) makes it possible to control the polarization state of the emitted laser beam.
  • the transmission means 4 comprise, at the output of the wave plate 6, an afocal system for magnifying the beam 7.
  • the polarized light beam L is reflected in the input means
  • the polarized light beam L is then directed by the input means 20 towards the output means 30 through the liquid sample contained in the volume 3 delimited by the tank 2 of the device. according to the invention.
  • a prism or a mirror 16 directs the polarized light beam L towards a sensor 8.
  • the transmission means 4 comprise, for this purpose , different laser sources of different wavelengths.
  • these laser sources can be four in number and emit at wavelengths of 405 nanometers, 442 nanometers, 532 nanometers and 660 nanometers respectively.
  • the selection of one of the different laser sources can be done using the mirror or prism 15 which is then rotated to direct the polarized light beam chosen in the input means 20, or any other means.
  • the input and output means 30 are separated by a predetermined distance d which corresponds to the path taken in the liquid sample to be analyzed by the polarized light beam L.
  • the device 1 comprises, in a side wall of the tank 2, a window 14 that is substantially flat and arranged so as to let the so-called polarized light flow thus diffused.
  • the device 1 according to the invention comprises a detector 9, here secured to the tank 2, located behind the window outside the tank 2. This detector 9 comprises at the input a rotating polarizer filter 13, followed by a convergent lens 12 and a diaphragm 11-detector assembly 10 placed at the focus of the lens.
  • An angle of rotation ⁇ of the detector tank assembly determines the observation angle of the system, then called diffusion angle.
  • the tank 2 is cylindrical in shape with an X-axis revolution, the input and output means being placed so that the polarized light beam L intersects the X axis substantially perpendicular to a distance of d / 2 input and output means.
  • the window 14 is then advantageously positioned substantially orthogonal to a diameter of the vessel 2. The entire device forms an azimuthal system.
  • the input means 20 comprise a sleeve 23 which extends here from the cover 17 comprising for this purpose an opening in which is inserted a free end of the sleeve 23.
  • the sleeve 23 has at its other end an O-ring 24 and is closed by an element 21 extending along an axis 25 of the sleeve 23.
  • the seal at this end of the sleeve 23 is provided by the contact of the O-ring 24 with a surface of an outer wall of the element 21.
  • the element 21 is advantageously cylindrical. In a variant, the element 21 has a cylindrical shape of revolution about the axis 25.
  • the element 21 comprises a so-called first input plane end face 211 substantially perpendicular to the axis 25 and through which the incident beam polarized light L enter. At the other end, the element 21 has a so-called exit plane face 212 through which the polarized light beam exits the element 21.
  • the exit plane face 212 is substantially perpendicular to the axis 25.
  • the input means 20 further comprise a prism 22 having 3 main faces.
  • the first main face is a so-called input plane face 221 which is bonded to the so-called exit planar face 212 of the element 21. It is through this plane input face 221 that the polarized light beam exiting the element 21 enters the prism 22.
  • the polarized light beam is reflected by a substantially planar face 223 of the prism 22 which is inclined by approximately 45 ° with respect to the input plane face 221
  • the plane face 223 comprises a reflective layer 224. This reflective layer is made necessary because of the high optical index that can be made to have the liquid sample. to be analyzed by the device 1 according to the invention. Reflective layer 224 can be obtained in different ways. We give two as an example:
  • the polarized light beam L exits the prism 22 by a plane exit face 222.
  • This plane face 222 is substantially perpendicular to the planar input face 221 of the prism 22. From there, the polarized light beam L passes a predetermined distance d from the liquid sample to be analyzed contained in the tank 2 of the device 1 according to the invention, and it reaches the output means 30 which we will now describe in more detail.
  • the output means 30 have a structure similar to the input means 20 which have just been described. Indeed, the output means 30 comprise a sleeve 33 substantially identical to the sleeve 23 and mounted in the same manner on the cover 17 of the device 1 according to the invention.
  • the end located in the tank 2 of the device 1 according to the invention is closed by an element 31 extending along an axis 35 of the sleeve 33, the seal being provided between the sleeve 33 and a side wall of the element 31. , advantageously of cylindrical shape, by an O-ring 34.
  • the polarized light beam L After passing through the sample of liquid to be analyzed, the polarized light beam L enters a prism 32 which has three main planar faces.
  • a first face 321 is plane and said input. This is the face through which the polarized light beam L enters the prism 32.
  • This flat face 321 has an angle 37 relative to the axis of the incident beam of polarized light L. Indeed, when the polarized light beam L enters the prism 32 there is, because of differences in optical index between the liquid to be analyzed and the material forming the prism 32, a reflection of a portion of the polarized beam L by the input plane face 321 of the prism 32.
  • this face is inclined relative to the axis of incidence polarized light beam L deflects the reflected beam then without disturbing the detector measuring the diffusion indicator.
  • the inclination of the input plane face 321 is approximately 45 ° with respect to the axis of incidence of the polarized light beam L.
  • planar face 323 is inclined at approximately 45 ° with respect to an exit planar face 322 of the prism 32, exit face 322 through which the polarized light beam L exits the prism 32, once reflected by the flat face 324.
  • the prism 32 is glued on an input plane face 312 of the element 31. This input plane face 312 is substantially perpendicular to the axis 35 of the element 31.
  • the polarized light beam L exits the element 31 by a plane face 311 located at another end mited with respect to the plane face 312 of the element 31.
  • the flat face 311 is inclined at an angle 36 relative to the axis 35.
  • this inclination 36 is of the order of 75 °.
  • the inclination of this plane exit face 311 has two main roles:
  • the first role is to straighten the polarized light beam so that it emerges substantially parallel to the axis 35 of the sleeve 33;
  • the second is to prevent the portion of the polarized light beam, reflected by the plane exit face 311, due to the change in optical index between the material forming the element 31 and the air above the element 31, does not return to the part of the sample of liquid to be analyzed and thus disturbs the measurement taken by the detector of the diffusion indicator 9.
  • FIG. 4 illustrates the path, on the one hand, of the polarized light beam L through the output means 30 but also the path of the parts of the polarized light beam L which are reflected. on the one hand, by the plane input face 321 of the prism 32, reflected beam denoted L Ri , and on the other hand by the plane exit face 311 of the element 31, reflected beam denoted by L R2 .
  • the device 1 comprises a light trap 40 located on the path of the reflected beams L Ri and L R2 , II is arranged so as to trap these reflected beams so as to avoid disturbing the measurement of the polarization indicator.
  • the light trap consists of a black box, for example cylindrical, pierced with two small holes whose function is to let in the beams L Ri and L R2 .
  • the bottom of the black box is conically shaped to prevent the reflection of beams L R1 and L R2 on the bottom is made in the same direction as the incident beams.
  • the beams L Ri and L R2 never come out of the box and are trapped therein, preventing their interference with the beams scattered by the particles in the liquid.
  • Slot 313 extends about one-half section of member 301 substantially perpendicular to the axis 35 of said member 301.
  • member 301 has been elongate with respect to member 30 has the consequence that that the undesired reflection on the face 311 (denoted L R2 ) is returned to the side wall of the element 301.
  • the slot prevents the return of the reflected beam L R2 by the flat face 311. This has the effect of reducing and to simplify the light trap 40, or to make it useless.
  • the device for measuring the diffusion indicator according to the invention meets a certain number of needs and limits mentioned above at the beginning of the description.
  • the structure of the device according to the invention makes it possible to introduce or to pick up, using prisms, the direct beam of polarized light L in a cylindrical base making it possible to effectively create a periscopic sealed system, eliminating specular reflections within the sample and allowing a wide range of angular measurements.
  • the device according to the invention makes it possible to avoid the disadvantages of prior instruments having a quartz tank, to have access to small and large diffusion angles and to allow a polarized measurement of the diffusion function.
  • the small angle measurements with the measuring device according to the invention.
  • the measurement of the small angle scattering indicator is made difficult because of (i) the need to obscure the incident direct beam to prevent it from dazzling and thus saturating the detector, (ii) the divergence of the incident beam and (iii) the parasitic light induced by the various optical elements of the system.
  • the direct beam is captured using a prism 32 to be returned to a sensor 8 said attenuation.
  • the distance e (see FIGS. 6 and 7) between the axis of the polarized light beam L and an edge of the prism 32 conditions the minimum detection angle 0 min which is then equal to the arctangent of
  • 0min can be of the order of degree or less. As illustrated in FIG. 7, part of the collecting surface is obstructed by the prism 32 and the element 31 to which it is bonded, over approximately 40% of the collecting surface.
  • the diffusing volume ie the illuminated volume seen by the detector
  • the diffusing volume is calculated theoretically using the geometric characteristics of the device or measured using an isotropic diffuser such as the Basic Blue.
  • the measurement of the diffusion indicator assumes, even more than for the small angles, to minimize parasitic scattering of the device. What is achieved and achievable because of the structure of the output means 30, 300 according to the invention.
  • the measurement of the wide-angle scatter indicator is difficult because of the size of the source and the detector. Often, the source masks the detector at large angles. Since the device according to the invention has azimuthal symmetry, the large-angle measurement is made in a manner similar to the measurement of the small angles which we have presented previously. By therefore, the shadow effect of the source will be extremely reduced in the backward direction.
  • the objective of the latter is composed of a convergent lens 12 and a diaphragm 11 placed in its focus. Detection is performed at the focus of the lens and the diameter of the diaphragm will determine the angular resolution of the detector (typically 0.3 °).
  • the use of a variable diameter diaphragm makes it possible to optimize the signal / resolution ratio during the angular sweep of the detector.
  • the detector of the diffusion signal is placed outside the spherical or cylindrical tank of revolution in quartz.
  • the refraction of the diffused rays of water to quartz and then quartz to air (or the detector is found) takes place through spherical (or cylindrical) diopters.
  • the incident ray deviates from its original direction and this deviation is greater as one deviates from the local normal of the diopter (i.e. the direction of incidence of the beam n '. is not normal to the diopter).
  • the collecting surface is placed inside the tank and the radius received by the sensor will cross the surface at a still normal incidence.
  • raw signal curves obtained using the device according to the invention are presented on three liquid samples introduced into the tank 2: pure water (unsalted) and seawater taken at 400 meters and at 50 meters depth in the Mediterranean Sea, in an area not containing a high concentration of optically active marine particles (ie very clear waters).
  • the signal measured on pure water provides information on the signal created by the diffusion of water (quite weak) and the parasitic light of the measuring device according to the invention.
  • the angular range of significant measurement ranging from 1 ° to 179 ° using the device 1 according to the invention.
  • the decay of the signal at small and large angles is due to the shading effect of the prisms. This decrease is compensated for in the post-processing of the data.
  • the diffusion indicator obtained using the device according to the invention is compared, on the one hand with a theoretical indicator (FF03 in theory), and on the other hand, with the simulation of the signal obtained by an instrument with spurious reflections (FF03 with reflection).
  • the theoretical indicator is of the Fournier-Forand type and is known to reproduce the front part (small angles) of the seawater sample diffusion indicators.
  • the rear part of the indicator of Seawater sample diffusion shows a rise that is not described by the Fournier-Forand model.
  • the simulation of the signal obtained with a signal having reflections is calculated from the Fournier-Forand diffusion indicator using the method of Volten et al.
  • curve FF03 with reflection comes solely from the specular reflection of the direct beam on the quartz / air interface of said device, followed by a diffusion at small angles, thus generating an unwanted signal unrelated to the optical properties of the sample that we wish to characterize.
  • FIG. 7 clearly shows that the undesirable reflection related to these specular reflection problems does not exist in the device according to the invention for this range of angles.
  • the growth of the signal observed with the device according to the invention when ⁇ > 160 °, is not related to the undesirable reflection of the direct beam on the prisms 22 and 32. Otherwise this growth would have started earlier and would have been exponential, that is to say, we would not observe then "the two trays" in the range 170 ° -178 °.
  • the periscopic system using the output means 300 according to the invention effectively fulfills these almost complete elimination objectives of the reflections undesirable for large scattering angles, ⁇ > 130 °.
  • FIG. 10 quantifies, for its part, the differences observed between the diffusion indicator measured by the device 1 according to the invention and that theoretically obtained with a conventional system: the input means 20 and the output means 30, 300 according to the invention can reduce by a factor greater than 10 the effects of parasitic reflections, which is very significant given the orders of magnitude involved in large-angle measurements
  • the device 500 is suitable for in-situ measurements, since the entire device is immersed in the medium 3 to be analyzed.
  • the device 500 differs from the device 1 above in that the device 500 no longer has a tank and the common functional elements in the air are placed in sealed enclosures filled with air.
  • the emission means 4, the prisms or mirrors 15 and 16 and the attenuation detector 8 are in a first sealed enclosure 170 having at its base a cover 171 similar to the cover 17 of the device 1.
  • This cover 171 comprises , as previously described for the lid 17, two openings for fixing the input means 20 and the output means 30. The ends of the means 20 and 30 are then directly immersed in the medium to be analyzed.
  • a second sealed enclosure 180 comprises means 182 for rotating and is integral with the first enclosure 170 by means of connecting means 190. It comprises an upper face 181 which delimits with the cover 171 the space 3 containing the medium to analyze. Ways In this movement, the rotating device 82 causes a detector 90 which is identical to the detector 9 previously described. This detector 90 comprises the window 14 and rotates around the axis X, which intersects the polarized light beam L at a distance of d / 2 from the input and output means. The operation of the device 500 is similar to that of the device 1 previously described.
  • the advantages of the device 1 according to the invention are:
  • the cost of the device according to the invention is advantageous since the prisms and the elements to which they are bonded are cut in glass or in conventional quartz, the device according to the invention is not sensitive to the polarization of the scattered radiation insofar as the input prism 22 is used in near total reflection with a normal incidence and the output prism 32 is used exclusively to eliminate the beams reflected in the leaders towards a light trap 40 and an attenuation detector 8.
  • the scattered light beam the polarization state of which we wish to estimate, does not interfere with the undesirable reflected rays and is not captured only through flat surfaces (that is to say at normal incidence) that do not change the degree of polarization of the scattered light beam.
  • the device according to the invention allows for multi spectral measurements. Indeed, the current antireflective systems existing operate only in a restricted range of wavelength and the device according to the invention allows an effective removal of the parasitic light regardless of the visible wavelength of the source used.
  • the device according to the invention makes it possible to measure a diffusion indicator with as little error as possible because it meets the following constraints: the detection of the scattered beams is done exclusively through flat diopters and perpendicular to the measurement direction avoiding deformations and depolarizations, the detector 9 can rotate freely around the incident beam L without masking or receiving it directly but allowing the measuring the extreme angles close to 0 and 180 °, the detector is as close as possible to the volume illuminated by the incident beam, limiting as far as possible the reflection of this beam within the area seen by the detector.
  • the device according to the invention has been developed and illustrated here as part of the diffusion index measurement for seawater samples, the device according to the invention can be used in other fields such as the medical field, biophysics, chemistry or the pharmaceutical industry. Indeed, the directional and polarized properties of fluids and their contents (molecules, particles) can be used for the detection and the follow-up of certain components, notably molecules, in the fields of medicine, biophysics, chemistry and the pharmaceutical industry. In these areas, the understanding of the reactions of certain molecules when exposed to radiation
  • the device according to the invention described above can be used in certain studies inherent in the medical field prior to the development of the therapy: it can also be used to determine the size distribution of the particles / molecules which is important to know in various pharmaceutical applications.
  • the transmission means (4) can be any type of collimated light source, laser or not, monochromatic or not, polarized or not.
  • the detector (9) may not be equipped with a polarizer.
  • a system for measuring the non-polarized diffusion indicator will be constituted, taking advantage of the advantages of the invention (enlarged angular range, absence of parasitic reflection).

Abstract

L' invention concerne un dispositif de mesure de l'indicatrice de diffusion de particules dans un liquide (3) comportant :un espace (3) destiné à contenir un liquide à analyser (3), des moyens d'émission (4) d'un faisceau de lumière collimatée (L), des moyens d'entrée (20) de la lumière au sein de l' espace, des moyens de sortie (30) de la lumière de l'espace,situés au regard des moyens d'entrée à une distance prédéterminée (d) des moyens d'entrée, et un détecteur (9) mobile de la lumière diffusée par le liquide,les moyens de sortie comprenant : - un élément (31) s'étendant selon un axe (35) et comportant à chaque extrémité selon cet axe une face d'entrée (312) et une face plane de sortie (311) respectivement, la face plane de sortie (311) étant inclinée par rapport audit axe (35),et - un prisme (32) comportant une face plane de sortie (322) collée à la face plane d'entrée (312) de l'élément (31) et une face d'entrée (321) inclinée par rapport à une incidence de la lumière polarisée issue des moyens d'entrée.

Description

Système optique anti-réflexion et à large accès pour la mesure d'indicatrices de diffusion de milieux fluides.
L' invention concerne un dispositif de mesure de l'indicatrice de diffusion de particules présentes dans un liquide. L'indicatrice de diffusion est une propriété optique fondamentale de base qui décrit la distribution angulaire du rayonnement diffusé par un volume de fluide. Cette propriété optique fondamentale est utile à de nombreuses disciplines scientifiques.
Par exemple, l'observation de l'océan depuis l'espace permet de fournir des informations sur la biomasse phytoplanctonique et donc sur le contenu de l'eau en matière en suspension. Cette thématique est couramment appelée la télédétection de la couleur de l'eau. La télédétection optique de la couleur de l'eau permet le développement et la validation de modèles couplés physique et biogéochimique . Ces modèles sont indispensables pour la prédiction des changements climatiques et pour l'amélioration de notre compréhension de son impact sur l'environnement. L'étude des écosystèmes côtiers est d'un grand intérêt du fait de l'augmentation régulière du nombre de personnes vivants à leurs proximités. Ces écosystèmes sont fortement influencés par les matières continentales liées aux écoulements des fleuves, qui en font des eaux optiquement complexes. La résolution spatiale et temporelle exigée pour cartographier les interactions entre les processus physiques, biologiques et géochimiques en eaux côtières peut être fournit uniquement par la télédétection spatiale ou aéroportée. La compréhension des relations et des mécanismes de rétroaction entre ces processus est cruciale pour prévoir les impacts locaux des changements climatiques et les facteurs anthropogéniques sur les eaux côtières . De plus en plus, la gestion des zones côtières et autres décisions politiques (y compris l'assurance de conformité avec les engagements nationaux, voir par exemple la directive européenne intitulée « European Union Water Framework directive ») sont influencées par les produits géophysiques estimés à partir des capteurs optiques satellitaires. Par conséquent, pour avoir des objectifs stratégiques à long terme, il est essentiel que de tels produits soient fournis avec la meilleure qualité possible. Il est donc nécessaire de fournir des moyens permettant d'améliorer les algorithmes de traitement des données satellites.
La connaissance de l'indicatrice de diffusion de particules en milieu liquide permet, notamment à l'aide de la théorie de Mie, d'accéder à la distribution en taille des particules en suspension dans un liquide.
L'étude des propriétés directionnelles et polarisées des constituants présents dans de tels milieux fluides, comme l'eau de mer, permet de quantifier la concentration du milieu en matière particulaire mais aussi d' identifier la nature des particules agissant sur le signal mesuré. Ceci est principalement lié à l'influence des constituants marins, dans notre exemple, sur la polarisation du rayonnement océanique, laquelle est très sensible aux types de particules présentes dans le fluide. En particulier, les matières d'origine terrigènes et minérales ont une signature optique marquée sur le degré de polarisation du rayonnement sortant de l'eau. Il est alors possible de discriminer les matières vivantes des matières minérales à partir de la mesure angulaire et polarisée du rayonnement. Une application directe qui en découle est l'analyse de la qualité de l'eau et des conséquences sur la pollution marine. En milieu côtier, les propriétés optiques sont largement influencées par les matières exportées par les fleuves et les continents. Ces matières affectent la turbidité de l'eau de mer et, par conséquent, la qualité de la vision sous-marine. L'interaction des rayonnements entrants dans la colonne d'eau avec les particules issues des continents varie selon la direction d'observation en raison des propriétés intrinsèques des particules (composition, taille) . De plus, l'intensité polarisée fournit des précisions additionnelles sur le type de matériel présent et sa capacité à éteindre le rayonnement entrant. La compréhension de mécanisme agissant sur la direction et la polarisation du rayonnement, et donc de l'indicatrice de diffusion du milieu fluide, est donc un enjeu crucial pour la vision d'objets sous marins en zone côtières.
Dans le cadre de notre exemple sur les milieux côtiers, plusieurs problèmes existent actuellement dans l'interprétation des données de télédétection couleur de l'océan issu de l'observation spatial. La qualité des données produites dans ces milieux qui sont importants d'un point de vue économique, s'en trouve fortement affectée.
L' influence des particules marines sur le taux de polarisation du rayonnement a été étudiée de manière théorique. Ces études ont démontrées que les particules minérales induisent une dépolarisation significative dont les eaux turbides, contrairement au phytoplancton qui n'a qu'une faible influence sur la polarisation. Un algorithme basé sur les luminances polarisées a donc été développé théoriquement pour discriminer les matières minérales des matières vivantes et pour quantifier les concentrations de minéraux dans la masse d'eau. Les matières minérales seraient détectées avec trois à cinq fois plus d'efficacité lorsque la polarisation du rayonnement sortant de l'eau est prise en compte. Néanmoins, ces résultats n'ont jamais pu être validés par des mesures in-situ en raison d'un manque d' instrumentation adapté aux études de la polarisation du rayonnement océanique. En effet, il n'existe actuellement aucun instrument capable de caractériser les propriétés polarisées des particules marines in-situ. Pourtant, le capteur satellite PARASOL du Centre National d'Etude Spatial fournit d'ores et déjà les rayonnements polarisés et multidirectionnels en haut de l'atmosphère au dessus de l'océan. Par conséquent, il n'est pas possible à l'heure actuel de valider rigoureusement la procédure de correction atmosphérique de PARASOL au moyen d'une comparaison directe du rayonnement polarisé sortant de l'eau estimé après application de l'algorithme de correction atmosphérique avec des mesures in-situ. Cette étape est particulièrement nécessaire en milieu côtier.
Les premiers appareils de mesure d' indicatrice de diffusion approprié au système liquide ont été fabriqués dans les années 1960-1970. Un des inconvénients majeurs de ces appareils est la gamme angulaire de balayage des détecteurs qui est souvent limitée typiquement de 20° à 150° et empêche donc l'accès aux propriétés de diffusion des particules pour des angles où la sensibilité du rayonnement aux particules d'un milieu est la plus forte (diffusion en avant sur les 0-20° et rétrodiffusion sur les 150°- 180°) . Les applications qui découlent à la fois des mesures aux petits angles (granulométrie) et grands angles (télédétection) n'ont pu être étudiées efficacement avec de tels instruments. Les avancées technologiques majeures en matière de composants optiques et le développement croissant des missions spatiales dédiées à l'étude de la couleur de l'océan, qui s'est accélérée depuis 1997, ont permis de reprendre un développement instrumental de mesure d'indicatrice de diffusion. Toutefois, ce développement reste un défi étant donné les nombreuses contraintes existantes pour obtenir des données exploitables.
Bien que des efforts importants ont été réalisés pendant ces cinq dernières années pour surmonter les multiples problèmes instrumentaux qui se posent (mesures aux petits et grands angles, élimination des réflexions parasites, erreurs angulaires instrumentales, dynamique du signal, sensibilité de la polarisation, résolution angulaire du détecteur) , aucun des instruments récemment développés ne parvient à conjuguer à la fois une mesure dans une gamme angulaire élargie (environ de 0° à 180°) , une dynamique de mesure du signal suffisante, une mesure polarisée de rayonnement, tout en évitant les interférences de réflexion du faisceau incident avec les faisceaux diffusés par l'échantillon.
Concernant la gamme angulaire de balayage des instruments et des réflexions parasites, plusieurs causes peuvent expliquer ce problème récurrent. En vertu de la loi de Beer-Lambert , le rayonnement reçue lorsque θ = 0° fournit des informations sur le coefficient d'atténuation du rayonnement direct. Il est alors très difficile, voire quasi impossible de déterminer la probabilité de diffusion du milieu à θ = 0°. De plus, l'amplitude du signal direct transmis à 0° est si fort que le signal détecté aux petits angles de diffusion (de 0.1° à 20°) est fortement affecté par le faisceau direct (divergence du faisceau incident, éblouissement du détecteur, signaux parasites) . A cela s'ajoute le problème lié à la dimension des capteurs qui limite l'angle minimum de détection du signal. A l'opposé, dans la gamme de rétrodiffusion (θ > 150°), l'amplitude du signal mesuré devient très faible. Le problème de réflexions parasites devient alors particulièrement important. Le rayon incident réfléchi sur les parois situées face à la source (en général la paroi d'une cuve en quartz) est renvoyé en direction arrière et s'ajoute aux signaux initialement diffusés par l'échantillon. Par conséquent, l'amplitude du signal rétrodiffusé devient très forte (la puissance du signal réfléchi est typiquement 40 fois supérieur au signal diffusé par l'échantillon pour un angle de diffusion de 175°), ce qui se traduit par une croissance irréaliste de l'indicatrice de diffusion dans ces gammes angulaires. Les utilisateurs sont alors contraints de ne pas prendre en compte la diffusion aux angles supérieurs à 160°. Ce problème est très critique à l'heure actuelle car il est difficile de s'affranchir de la réflexion indésirable du faisceau incident. Une solution est d'utiliser des revêtements antireflets. Toutefois, ces revêtements ne sont réellement efficaces que pour une gamme restreinte de longueur d'onde. Il est alors difficile pour les instruments actuels de conjuguer une mesure multi-sprectrale avec une mesure non affectée par les réflexions indésirables. La mesure aux grands angles de diffusion (>160°) est également limitée par la dimension du détecteur utilisé. En effet, pour viser proche de 180°, le détecteur est masqué par la source.
Un but de l'invention est de fournir un dispositif de mesure de l'indicatrice de diffusion polarisée de particules dans un liquide permettant une mesure dans une gamme angulaire étendue, typiquement entre 1° et 179°, tout en s' affranchissant des phénomènes de réflexions indésirables. A cet effet, il est prévu selon l'invention un dispositif de mesure de l'indicatrice de diffusion de particules dans un liquide. Ce dispositif comporte un espace destinée à contenir un liquide, des moyens d'émissions d'un faisceau de lumière collimatée, des moyens d'entrée de la lumière ainsi émise au sein de l'espace, les moyens de sortie de la lumière de l'espace, situés en regard des moyens d'entrée à une distance prédéterminée des moyens d'entrée, et un détecteur mobile de la lumière diffusée par le liquide. Les moyens de sortie comprennent en outre un élément s' étendant selon un axe et comportant à chaque extrémité selon cet axe une face plane d'entrée et une face plane de sortie respectivement, la face plane de sortie étant inclinée par rapport audit axe, et un prisme comportant une face plane de sortie collée à la face plane d'entrée de l'élément et une face plane d'entrée inclinée par rapport à une incidence de la lumière polarisée issue des moyens d'entrée.
Ainsi, l'utilisation comme moyen de sortie d'un élément s' étendant selon un axe sur lequel est collé un prisme dont la face d' entrée est inclinée par rapport au rayon incident permet de ne pas renvoyer les rayons réfléchis par la face d'entrée du fait du changement de milieu entre le liquide et le prisme vers le détecteur mesurant l' indicatrice de diffusion. De plus, l'utilisation d'une face de sortie de l'élément, plane et inclinée, permet de redresser correctement le rayon de lumière sortant et de ne pas renvoyer vers le détecteur le rayonnement réfléchi par cette face du fait du changement du milieu entre le milieu de l'élément et l'air. Ainsi, le dispositif ainsi structuré permet d'étendre la gamme angulaire de balayage pour la mesure de l'indicatrice de diffusion en s' affranchissant des réflexions indésirables sur les parois du dispositif.
Avantageusement, mais facultativement, le dispositif présente au moins l'une des caractéristiques suivantes : l'élément étendu selon un axe est un cylindre de révolution ; la face plane de sortie de l'élément s' étendant selon un axe est inclinée à environ 75° par rapport audit axe ; la face d'entrée du prisme est inclinée à environ 45° par rapport à l'incidence de la lumière polarisée ; l'élément s' étendant selon un axe comprend une fente constituée d'un milieu différent à celui constituant l'élément et facultativement peinte en noir; la fente est sensiblement perpendiculaire à l'axe de l'élément et s'entend sur environ une demi section dudit élément ; les moyens d'entrée comprennent un élément s' étendant selon un axe et comportant à chaque extrémité selon cet axe une face plane d'entrée et une face plane de sortie respectivement, les deux faces étant sensiblement perpendiculaires à l'axe, et un prisme comportant une face plane d'entrée collée à la face plane de sortie de l'élément et une face plane de sortie sensiblement perpendiculaire à la face plane d'entrée du prisme, de sorte à ce que le rayon de lumière polarisée sortant soit normal à ladite face plane de sortie ; la cuve étant cylindrique de révolution, une paroi latérale de la cuve présente une fenêtre sensiblement plane et sensiblement perpendiculaire à un diamètre de la cuve, le détecteur étant à l'extérieur de la cuve en regard de la fenêtre ; les moyens d'entrée et/ou les moyens de sortie comportent chacun un manchon dont une extrémité, plongeant dans la cuve, est fermée hermétiquement par l'élément s' étendant selon un axe, le prisme s' étendant dans la cuve, l'autre extrémité du manchon étant ouverte à l'air libre ; le manchon est monté sur un couvercle de la cuve ; et, - les moyens d'émission sont une source de lumière polarisée et le détecteur comporte un polariseur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront lors de la description ci-après de deux modes de réalisation de l'invention ainsi que d'une variante. Aux dessins annexés :
la figure 1 est une vue de côté de principe du dispositif selon un premier mode de réalisation de l' invention ; la figure 2 est une vue du dessus de principe du dispositif de la figure 1 ; la figure 3 est un schéma détaillé des moyens d'entrée et des moyens de sortie du dispositif de la figure 1 ; la figure 4 illustre le fonctionnement des moyens de sortie de la figure 3 ; la figure 5 est une illustration de fonctionnement d'une variante de réalisation des moyens de sortie pour un dispositif selon l'invention ; les figures 6 et 7 illustrent schématiquement l'angle minimal de mesure par le dispositif selon l' invention ; la figure 8 illustre des courbes représentant des signaux bruts mesurés sur différents échantillons par le dispositif selon l'invention ; la figure 9 illustre des courbes représentant des indicatrices de diffusion de mesurer sur un échantillon naturel par le dispositif selon l' invention ; la figure 10 illustre le rapport entre le signal obtenu avec réflexion parasite et le signal obtenu par un dispositif selon l'invention ; - ; et, - la figure 11 est une vue de coté de principe d'un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l' invention .
L' indicatrice de diffusion (volume scattering function, selon la terminologie anglo-saxonne abrégée en VSF) β (0 ) est définie par l' intensité 1 (0 ) diffusé dans la direction θ , par un vo lume dV écl ai ré par un éclairement E selon l'équation suivante :
dl(θ) β(θ) =
E(KIdV
Un capteur observant un volume éclairé V (appelé volume diffusant) avec un angle solide Ω reçoit un flux F(θ), qui s'exprime selon l'équation suivante :
Figure imgf000014_0001
Où d est la distance entre le récepteur et le volume diffusant et c est le coefficient d'atténuation (défini comme la somme des coefficients d' absorption et de diffusion du milieu traversé) .
En référence aux figures 1 et 2, nous allons décrire un dispositif de mesure de l'indicatrice de diffusion polarisée de particules dans un liquide selon l'invention. Le dispositif 1 selon l'invention comporte une cuve 2, qui est, ici, de forme cylindrique de révolution. Afin de minimiser les réflexions sur les parois internes de la cuve, celles-ci sont de couleur noire. En outre, la cuve 2 délimite un espace 3 destiné à recevoir un échantillon de liquide destiné à être analysé par le dispositif 1 de mesure de l'indicatrice de diffusion polarisée de particules selon l'invention. La cuve 2 est capable de tourner autour d'un axe vertical X. La cuve 2 est fermée par un couvercle 17 dans lequel est aménagé deux orifices destinés à recevoir des moyens d'entrée 20 et des moyens de sortie 30 d'un faisceau de lumière polarisée L. Nous décrirons plus en détail ces moyens d'entrée et de sortie en référence à la figure 3 ultérieurement. Le couvercle 17 est fixe et la cuve 2 est mobile en rotation autour de l'axe X par rapport au couvercle 17.
D'autre part, le dispositif selon l'invention 1 comporte des moyens d'émission 4 d'un faisceau de lumière polarisée L. Ces moyens d'émission 4 comprennent une source laser 5 qui émet un faisceau laser vers des moyens de contrôle de polarisation. Ici, ces moyens de contrôle de polarisation comprennent une lame d'onde 6. Cette lame d'onde 6 (d'ordre λ/2 ou λ/4) permet de contrôler l'état de polarisation du faisceau laser émis. Les moyens d'émission 4 comprennent, en sortie de la lame d'onde 6, un système afocal de grandissement du faisceau 7. En sortie du système afocal de grandissement 7, le faisceau de lumière polarisée L est réfléchi dans les moyens d'entrée 20 par un miroir ou un prisme 15. Le faisceau de lumière polarisée L est alors dirigé par les moyens d'entrée 20 vers les moyens de sortie 30 à travers l'échantillon de liquide contenu dans le volume 3 délimité par la cuve 2 du dispositif selon l'invention. En sortie des moyens de sortie 30, un prisme ou un miroir 16 dirige le faisceau de lumière polarisée L vers un capteur 8. Afin de réaliser une mesure multispectrale de l'indicatrice de diffusion, les moyens d'émission 4 comprennent, à cet effet, différentes sources laser de différentes longueurs d'onde. A titre d'exemple non limitatif, ces sources laser peuvent être au nombre de quatre et émettent aux longueurs d'onde de 405 nanomètres, 442 nanomètres, 532 nanomètres et 660 nanomètres respectivement. La sélection d'une des différentes sources laser peut se faire à l'aide du miroir ou du prisme 15 qui est monté alors tournant afin de diriger le faisceau de lumière polarisée choisi dans les moyens d'entrée 20, ou de tout autre moyen.
Les moyens d'entrée 20 et de sortie 30 sont séparés d'une distance prédéterminée d qui correspond au trajet effectué au sein de l'échantillon de liquide à analyser par le faisceau de lumière polarisée L.
Lors de son passage dans l'échantillon de liquide contenu dans la cuve 2, le faisceau de lumière polarisée L va subir une diffusion du fait de la présence dans l'échantillon de liquide de particules. Afin de récupérer le signal pour mesurer et évaluer cette diffusion, le dispositif 1 selon l'invention comporte, dans une paroi latérale de la cuve 2, une fenêtre 14 sensiblement plane et agencée de sorte à laisser passer le flux dit de lumière polarisée ainsi diffusée. A cette fin, le dispositif 1 selon l'invention comporte un détecteur 9, ici solidaire de la cuve 2, situé derrière la fenêtre de manière extérieure à la cuve 2. Ce détecteur 9 comporte en entrée un filtre polariseur tournant 13, suivi d'une lentille convergente 12 et d'un ensemble diaphragme 11- détecteur 10 placé au foyer de la lentille. Un angle de rotation θ de l'ensemble cuve détecteur détermine l'angle d'observation du système, alors appelé angle de diffusion. De manière avantageuse, la cuve 2 est de forme cylindrique de révolution d'axe X, les moyens d'entrée et de sortie étant placés de sorte que le faisceau de lumière polarisée L intersecte l'axe X de manière sensiblement perpendiculaire à une distance de d/2 des moyens d'entrée et de sortie. La fenêtre 14 est alors placée avantageusement de manière sensiblement orthogonale par rapport à un diamètre de la cuve 2. L'ensemble du dispositif forme un système azimutal.
En référence à la figure 3, nous allons maintenant décrire plus en détail les moyens d'entrée 20, d'une part, et, d'autre part, les moyens de sortie 30.
Les moyens d'entrée 20 comportent un manchon 23 qui s'étend, ici, depuis le couvercle 17 comportant à cet effet une ouverture dans laquelle est insérée une extrémité libre du manchon 23. Le manchon 23 présente à son autre extrémité un joint torique 24 et est fermé par un élément 21 s' étendant selon un axe 25 du manchon 23. L'étanchéité au niveau de cette extrémité du manchon 23 est assurée par le contact du joint torique 24 avec une surface d'une paroi extérieure de l'élément 21. L'élément 21 est avantageusement de forme cylindrique. En variante, l'élément 21 est de forme cylindrique de révolution autour de l'axe 25. L'élément 21 comporte une première face d'extrémité plane dite d'entrée 211 sensiblement perpendiculaire à l'axe 25 et par lequel le faisceau incident de lumière polarisée L entre. Au niveau de l'autre extrémité, l'élément 21 comporte une face plane 212 dite de sortie par laquelle le faisceau de lumière polarisée sort de l'élément 21. La face plane de sortie 212 est sensiblement perpendiculaire à l'axe 25.
Les moyens d'entrée 20 comportent en outre un prisme 22 comportant 3 faces principales. La première face principale est une face plane dite d'entrée 221 qui est collée sur la face plane dite de sortie 212 de l'élément 21. C'est par cette face plane d'entrée 221 que le faisceau de lumière polarisée sortant de l'élément 21 pénètre dans le prisme 22. Une fois dans le prisme 22, le faisceau de lumière polarisée est réfléchi par une face sensiblement plane 223 du prisme 22 qui est inclinée d'environ 45° par rapport à la face plane d'entrée 221. Afin d'assurer une réflexion totale du faisceau de lumière polarisée L, la face plane 223 comporte une couche réfléchissante 224. Cette couche réfléchissante est rendue nécessaire à cause de l'indice optique élevé que peut être amené à avoir l'échantillon de liquide à analyser par le dispositif 1 selon l'invention. La couche réfléchissante 224 peut être obtenue de différentes façons. Nous en donnons deux à titre d'exemple :
soit par l'utilisation d'un dépôt métallique (aluminium protégé par un vernis ou oxyde de titane) , - soit par l'utilisation d'une lame d'air qui est obtenue en accolant au prisme, une lame de verre creusée où l'air sera piégé entre la lame de verre creusée et la surface plane 223 du prisme 22.
Une fois réfléchi, le faisceau de lumière polarisée L sort du prisme 22 par une face plane de sortie 222.
Cette face plane 222 est sensiblement perpendiculaire à la face plane d'entrée 221 du prisme 22. De là, le faisceau de lumière polarisée L traverse une distance prédéterminée d de l'échantillon de liquide à analyser contenu dans la cuve 2 du dispositif 1 selon l'invention, et il atteint les moyens de sortie 30 que nous allons maintenant décrire plus en détail.
Les moyens de sortie 30 ont une structure similaire aux moyens d'entrée 20 qui viennent d'être décrit. En effet, les moyens de sortie 30 comportent un manchon 33 sensiblement identique au manchon 23 et monté de la même manière sur le couvercle 17 du dispositif 1 selon l'invention. L'extrémité située dans la cuve 2 du dispositif 1 selon l'invention est fermée par un élément 31 s 'étendant selon un axe 35 du manchon 33, l'étanchéité étant assurée entre le manchon 33 et une paroi latérale de l'élément 31, avantageusement de forme cylindrique, par un joint torique 34.
Après avoir traversé l'échantillon de liquide à analyser, le faisceau de lumière polarisée L pénètre dans un prisme 32 qui comporte trois faces planes principales. Une première face 321 est plane et dite d'entrée. C'est la face par laquelle pénètre le faisceau de lumière polarisée L dans le prisme 32. Cette face plane 321 présente un angle 37 par rapport à l'axe du faisceau incident de lumière polarisée L. En effet, lorsque le faisceau de lumière polarisée L pénètre dans le prisme 32 il y a, du fait des différences d' indice optique entre le liquide à analyser et le matériau formant le prisme 32, une réflexion d'une partie du faisceau polarisé L par la face plane d'entrée 321 du prisme 32. Le fait que cette face soit inclinée par rapport à l'axe d'incidence du faisceau de lumière polarisée L permet de dévier le faisceau réfléchi alors sans qu' il vienne perturber le détecteur mesurant l'indicatrice de diffusion. Ici, et avantageusement, l'inclinaison de la face plane d'entrée 321 est de 45° environ par rapport à l'axe d'incidence du faisceau de lumière polarisée L. Une fois dans le prisme 32, le faisceau de lumière polarisée L est réfléchi par une face plane 323 qui, comme la face 223 du prisme 22 des moyens d'entrée 20 est recouverte par une couche réfléchissante 324 réalisée de la même manière que la couche réfléchissante 224 du prisme 22 des moyens d'entrée 20. Cette face plane 323 est inclinée à environ 45° par rapport à une face plane de sortie 322 du prisme 32, face de sortie 322 par laquelle le faisceau de lumière polarisée L sort du prisme 32, une fois réfléchi par la face plane 324. Le prisme 32 est collé sur une face plane d'entrée 312 de l'élément 31. Cette face plane d'entrée 312 est sensiblement perpendiculaire à l'axe 35 de l'élément 31. Le faisceau de lumière polarisé L sort de l'élément 31 par une face plane 311 située à une autre extrémité par rapport à la face plane 312 de l'élément 31. La face plane 311 est inclinée d'un angle 36 par rapport à l'axe 35. Ici, et avantageusement, cette inclinaison 36 est de l'ordre de 75°. L'inclinaison de cette face plane de sortie 311 a deux rôles principaux :
le premier rôle est de redresser le faisceau de lumière polarisée de façon à ce qu'il ressorte sensiblement parallèle à l'axe 35 du manchon 33 ; - le deuxième est d'empêcher que la partie du faisceau de lumière polarisée, réfléchie par la face plane de sortie 311, en raison du changement d' indice optique entre le matériau formant l'élément 31 et l'air situé au dessus de l'élément 31, ne retourne dans la partie de l'échantillon de liquide à analyser et ne perturbe ainsi la prise de mesures effectuée par le détecteur de l'indicatrice de diffusion 9.
Une telle situation, est illustrée en figure 4. Cette figure 4 illustre le cheminement, d'une part, du faisceau de lumière polarisée L à travers les moyens de sortie 30 mais aussi le cheminement des parties du faisceau de lumière polarisée L qui sont réfléchis, d'une part, par la face plane d'entrée 321 du prisme 32, faisceau réfléchi noté LRi, ainsi que, d'autre part, par la face plane de sortie 311 de l'élément 31, faisceau réfléchi noté LR2. Afin d'assurer complètement la non perturbation du détecteur de mesure de l'indicatrice de diffusion 9, le dispositif 1 selon l'invention comprend un piège de lumière 40 situé sur le trajet des faisceaux réfléchis LRi et LR2, II est agencé de sorte à piéger ces faisceaux réfléchis pour éviter ainsi de perturber la mesure de l'indicatrice de polarisation. Le piège à lumière est constitué d'une boite noire, par exemple cylindrique, percée de deux petits trous dont la fonction est de laisser pénétrer les faisceaux LRi et LR2. Le fond de la boite noire est de forme conique pour éviter que la réflexion des faisceaux LRi et LR2 sur le fond ne s'effectue dans la même direction que les faisceaux incidents. Ainsi, les faisceaux LRi et LR2 ne ressortent jamais de la boite et sont donc piégés dans celle ci, empêchant leur interférence avec les faisceaux diffusés par les particules présentes dans le liquide.
En référence à la figure 5, nous allons décrire une variante de réalisation des moyens de sortie du dispositif 1 selon l'invention. Cette variante de réalisation des moyens de sortie 300 ne sera décrite que par ces différences avec les moyens de sortie 30 précédemment décrit, les composants identiques ayant été numérotés des mêmes références. La différence entre les deux modes de réalisation des moyens de sortie réside dans le fait que les moyens de sortie 300 comprennent un élément 301 de longueur plus importante entre la face de sortie plane 311 et la face d'entrée plane 312. D'autre part, l'élément 301 présente une fente 313 situé environ dans le deuxième tiers de l'élément 301. Cette fente est remplie d'air. Elle peut être remplie, en variante de tout matériau présentant un indice optique différent de celui du matériau formant l'élément 301. Elle peut également, en variante, être peinte en noir. La fente 313 s'étend sur environ une demi-section de l'élément 301 de manière sensiblement perpendiculaire à l'axe 35 dudit élément 301. Le fait que l'élément 301 ait été allongé par rapport à l'élément 30 a pour conséquence que la réflexion indésirable sur la face 311 (notée LR2) est renvoyée sur la paroi latérale de l'élément 301. De plus, la fente empêche le retour du faisceau réfléchi LR2 par la face plane 311. Cela a pour conséquence de réduire et de simplifier le piège à lumière 40, voir de le rendre inutile.
Donc, le dispositif de mesure de l'indicatrice de diffusion selon l'invention répond à un certain nombre de besoins et limites évoqués précédemment en début de la description. La structure du dispositif selon l'invention permet d'introduire ou de capter, à l'aide de prismes, le faisceau direct de lumière polarisée L dans une base cylindrique permettant de créer efficacement un système périscopique étanche, éliminant les réflexions spéculaires au sein de l'échantillon et permettant une large plage de mesures angulaires. En effet, le dispositif selon l'invention permet d'éviter les inconvénients des instrument antérieurs possédant une cuve en quartz, d'avoir un accès aux petits et grands angles de diffusion et de permettre une mesure polarisée de la fonction de diffusion. Le fait de coller un prisme à un élément s' étendant selon l'axe d'un manchon permet de réaliser un périscope étanche, compact et exempt de réflexion spéculaire au sein de l'échantillon. Cette absence de réflexion est obtenu de surcroit par un design spécifique des faces d'entrée et de sortie des moyens d'entrée 20 et des moyens de sortie 30, 300.
En référence aux figures 6 et 7, nous allons décrire les mesures aux petits angles avec le dispositif de mesure selon l'invention. La mesure de l'indicatrice de diffusion aux petits angles est rendue difficile à cause de (i) la nécessité d'occulter le faisceau direct incident pour éviter qu'il n'éblouisse et donc ne sature le détecteur, (ii) la divergence du faisceau incident et (iii) la lumière parasite induit par les différents éléments optiques du système. Dans le dispositif selon l'invention, le faisceau direct est capté à l'aide d'un prisme 32 pour être renvoyé sur un capteur 8 dit d'atténuation. La distance e (cf. figures 6et 7) entre l'axe du faisceau de lumière polarisée L et un bord du prisme 32 conditionne l'angle minimal de détection 0min qui est alors égal à l' arctangente de
2e
— . Avec un dispositif selon l'invention, cet angle
0min peut être de l'ordre du degré voir moins. Comme l'illustre la figure 7, une partie de la surface collectrice est obstruée, par le prisme 32 et l'élément 31 sur lequel il est collé, sur environ 40% de la surface collectrice. Toutefois, le volume diffusant (i.e. le volume éclairé vu par le détecteur) est suffisamment grand dans le champ visuel 141 du détecteur pour assurer un signal mesurable. Le volume diffusant est calculé théoriquement en utilisant les caractéristiques géométriques du dispositif ou mesuré en utilisant un diffuseur isotrope comme le Basic Blue. Les problèmes liés aux effets de la lumière parasite sont minimisés du fait des propriétés et de la structure spécifique du prisme 32 et de l'élément 31 sur lequel il est collé, de la divergence du faisceau de lumière polarisée L extrêmement faible, de l'utilisation systématique de composants optiques de haute qualité et de l'absence de surface sphérique le long du trajet du faisceau de lumière polarisée L direct. Effectivement, le fait que le faisceau direct de lumière polarisée L interagisse uniquement avec des surfaces planes (et en incidence normale) et non sphériques, permet de réduire considérablement les problèmes de lumière parasite et de ne pas perturber l'état de polarisation du faisceau L.
Concernant la mesure aux grands angles, la mesure de l'indicatrice de diffusion suppose, encore plus que pour les petits angles, de minimiser les diffusions parasites du dispositif. Ce qui est réalisé et réalisable du fait de la structure des moyens de sortie 30, 300 selon l'invention. De plus, comme pour les mesures aux petits angles, la mesure de l'indicatrice de diffusion aux grands angles est rendu difficile à cause de l'encombrement de la source et du détecteur. Bien souvent, la source masque le détecteur aux grands angles. Puisque le dispositif selon l'invention à une symétrie azimutale, la mesure aux grands angles est faite d'une manière similaire à la mesure des petits angles que nous avons présentés précédemment. Par conséquent, l'effet d'ombre de la source sera extrêmement réduit dans la direction arrière.
Du point de vue du détecteur 9, l'objectif de ce dernier est composé d'une lentille convergente 12 et d'un diaphragme 11 placé en son foyer. La détection est réalisée au foyer de la lentille et le diamètre du diaphragme déterminera la résolution angulaire du détecteur (typiquement 0,3°) . L'utilisation d'un diaphragme à diamètre variable permet d'optimiser le rapport signal/résolution au cours du balayage angulaire du détecteur.
Dans le cas d'un dispositif de mesure selon l'art antérieur, le détecteur du signal de diffusion est placé en dehors du réservoir sphérique ou cylindrique de révolution en quartz. De ce fait, la réfraction des rayons diffusés de l'eau au quartz puis du quartz à l'air (ou le détecteur se trouve) s'effectue au travers de dioptres sphériques (ou cylindriques) . Par conséquent, le rayon incident dévie de sa direction originale et cette déviation est d' autant plus grande que l'on s'écarte de la normale locale du dioptre (c'est-à-dire la direction d'incidence du faisceau n'est pas normale au dioptre) . Dans le dispositif selon l'invention, la surface collectrice est placée à l'intérieur de la cuve et le rayon reçu par le capteur traversera la surface suivant une incidence toujours normale. Par conséquent, les erreurs angulaires sont éliminées, ainsi que les perturbations sur l'état de polarisation de la lumière diffusée par l'échantillon. En référence aux figures 8 à 10, nous allons maintenant brièvement présenter des résultats obtenus à l'aide d'un prototype du dispositif 1 selon l'invention, en situation réelle.
Sur la figure 8, sont présentés des courbes de signaux bruts obtenus à l'aide du dispositif selon l'invention sur trois échantillons de liquide introduits dans la cuve 2 : de l'eau pure (non salée) et de l'eau de mer prélevée à 400 mètres et à 50 mètres de profondeur en Mer Méditerranée, dans une zone ne contenant pas une importante concentration de particules marines optiquement actives (c'est-à-dire des eaux très claires) . A la vue des résultats illustrés en figure 8, il est notable que les deux eaux naturelles présentent un signal plus fort que l'eau pure, ce qui est normal. Le signal mesuré sur l'eau pure renseigne sur le signal créé par la diffusion de l'eau (assez faible) et la lumière parasite du dispositif de mesure selon l'invention. D'autre part, il est à noter la gamme angulaire de mesure importante allant de 1° à 179° à l'aide du dispositif 1 selon l'invention. La décroissance du signal, aux petits et grands angles, est due à l'effet d'ombrage des prismes. Cette décroissance est compensée dans le post-traitement des données .
Pour passer du signal brut à une indicatrice de diffusion, il faut soustraire le signal de l'eau pure et tenir compte du fait que le volume de diffusion vu par le détecteur dépend de l'angle d'observation θ. Ce traitement, appliqué à la mesure de l'échantillon prélevée à 50 mètres de profondeur conduit aux résultats présentés sur la figure 9.
Dans cette figure, l'indicatrice de diffusion obtenue à l'aide du dispositif selon l'invention est comparée, d'une part avec une indicatrice théorique (FF03 en théorique), et d'autre part, avec la simulation du signal obtenue par un instrument ayant des réflexions parasites (FF03 avec réflexion) . L'indicatrice théorique est de type Fournier-Forand et est connue pour bien reproduire la partie avant (petits angles) des indicatrices de diffusion d'échantillon d'eau de mer. Cependant des travaux ont montré que la partie arrière de l'indicatrice de diffusion d'échantillon d'eau de mer présente une remontée qui n'est pas décrite par le modèle de Fournier-Forand. La simulation du signal obtenu avec un signal ayant des réflexions est calculée à partir de l'indicatrice de diffusion de Fournier-Forand en utilisant la méthode de Volten et al. (« Laboratory measurements of angular distributions of light scattered by phytoplankton and silt », Limnol . Oceanogr. 43, pll80-1197, 1998) et en supposant un coefficient de réflexion des parois de 3.5% environ correspondant à une cuve en quartz.
Nous pouvons voir, sur la figure 9, que la partie avant, correspondant aux petits angles de la mesure effectuée à l'aide du dispositif 1 selon l'invention, est en très bon accord avec la fonction théorique. La différence majeure apparaît sur la gamme arrière des angles de diffusion (θ>130°) où l'indicatrice de diffusion mesurée par le dispositif selon l'invention est significativement plus faible que celle qui serait mesurée par les dispositifs actuels. La croissance du signal observée dans les dispositifs de l'art antérieur, à partir d'un angle de diffusion de 130°
(courbe FF03 avec réflexion, figure 7) provient uniquement de la réflexion spéculaire du faisceau direct sur l'interface quartz/air dudit dispositif, suivi d'une diffusion aux petits angles, générant ainsi un signal indésirable non lié aux propriétés optiques de l'échantillon que l'on souhaite caractériser. La figure 7 montre clairement que la réflexion indésirable liée à ces problèmes de réflexion spéculaire n'existe pas dans le dispositif selon l'invention pour cette gamme d'angles. La croissance du signal observé avec le dispositif selon l'invention, lorsque θ>160°, n'est pas liée à la réflexion indésirable du faisceau direct sur les prismes 22 et 32. Sinon cette croissance aurait débutée plus tôt et aurait été exponentielle, c'est-à- dire que nous n'observerions pas alors « les deux plateaux » dans la gamme 170°-178°. Cette croissance proviendrait plutôt pour une part de l'échantillon lui- même et pour une autre part d'un défaut d'alignement du dispositif de mesure. Par conséquent, le système périscopique utilisant les moyens de sortie 300 selon l'invention remplit efficacement ces objectifs d'élimination quasi complètes des réflexions indésirables pour les grands angles de diffusion, θ>130°.
La figure 10 quantifie, quant à elle, les écarts observés entre l'indicatrice de diffusion mesurée par le dispositif 1 selon l'invention et celle théoriquement obtenue avec un système classique : les moyens d'entrée 20 et les moyens de sortie 30, 300 selon l'invention permettent de réduire d'un facteur supérieur à 10 les effets de réflexions parasites, ce qui est très significatif compte tenu des ordres de grandeur en jeu dans les mesures aux grands angles
(c'est-à-dire que l'amplitude du signal à mesurer est proche du nanoWatt) . Il est à souligner que cette comparaison illustrée en figure 10 est faite entre un système théorique (courbe FF03 avec réflexion de la figure 9) où seule l'erreur principale est prise en compte, et un système réel (le dispositif 1 selon l'invention) avec ses défauts résiduels. Un instrument réel de type à cuve, ayant des problèmes provenant des réflexions parasites, aurait également d'autres sources d'erreurs augmentant d'autant la différence observée sur la figure 10. Autrement dit, les résultats donnés sur les figures 9 et 10 correspondent à l'écart minimal entre le dispositif de mesure selon l'invention et les instruments usuels à cuve de l'art antérieur. La différence entre le dispositif selon l'invention et un système réel à cuve de l'art antérieur est donc encore meilleure que celle qui est déduite des figures 9 et 10. A titre d'information, avec l'instrument à cuve de Volten et al., la différence entre le signal brut obtenu avec un échantillon de billes calibrées et le signal théorique obtenu par la théorie de Mie peut largement dépasser 200% pour des angles de diffusion dépassant 150 ° .
En référence à la figure 11, nous allons maintenant décrire un dispositif 500 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 500 est adapté aux mesures in-situ, du fait que l'ensemble du dispositif est immergé dans le milieu 3 à analyser. Le dispositif 500 se différentie du dispositif 1 précédent par le fait que le dispositif 500 ne comporte plus de cuve et que les éléments fonctionnels communs se trouvant dans l'air sont placés dans des enceintes étanches remplies d'air. Ainsi, les moyens d'émissions 4, les prismes ou miroirs 15 et 16 et le détecteur d' atténuation 8 se trouvent dans une première enceinte 170 étanche comportant à sa base un couvercle 171 similaire au couvercle 17 du dispositif 1. Ce couvercle 171 comporte, comme précédemment décrit pour le couvercle 17, deux ouvertures permettant de fixer les moyens d'entrée 20 et les moyens de sortie 30. Les extrémités des moyens 20 et 30 sont alors directement immergées dans le milieu à analyser. La cuve 2 n'est donc plus nécessaire. Une deuxième enceinte 180 étanche comporte des moyens 182 de mise en rotation et est solidaire de la première enceinte 170 à l'aide de moyens de liaison 190. Elle comporte une face supérieure 181 qui délimite avec le couvercle 171 l'espace 3 contenant le milieu à analyser. Les moyens 182 de mise en rotation entraînent selon ce mouvement un détecteur 90 tournant identique au détecteur 9 précédemment décrit. Ce détecteur 90 comporte la fenêtre 14 et tourne autour de l'axe X, qui intersecte le faisceau de lumière polarisé L à une distance de d/2 des moyens d'entrée et de sortie. Le fonctionnement du dispositif 500 est similaire à celui du dispositif 1 précédemment décrit.
Les avantages du dispositif 1 selon l'invention sont :
- l'efficacité à supprimer les réflexions spéculaires au sein de l'échantillon, - la facilité de rendre les périscopes, 20 et 30, étanches en utilisant un simple joint torique pour les moyens d'entrée et les moyens de sortie,
- la compacité du montage. En effet, si des miroirs classiques avaient été utilisés à la place des prismes selon l'invention, des composants supplémentaires (fenêtre, monture) auraient été nécessaires pour assurer l'étanchéité du dispositif ayant pour conséquence la perte de mesure aux petits et grands angles.
- le coût du dispositif selon l'invention est avantageux puisque les prismes et les éléments sur lesquels ils sont collés sont taillés en verre ou en quartz classique, - le dispositif selon l' invention n'est pas sensible à la polarisation du rayonnement diffusée dans la mesure où le prisme d'entrée 22 est utilisé en réflexion quasi-totale avec une incidence normale et le prisme de sortie 32 est utilisé exclusivement pour éliminer les faisceaux réfléchis en les dirigeants vers un piège à lumière 40 et vers un détecteur d' atténuation 8. Le faisceau de lumière diffusée, dont nous voulons estimer l'état de polarisation, n' interfère pas avec les rayons réfléchis indésirables et n' est capté qu'au travers de surface planes (c ' est-à-dire en incidence normale) qui ne modifient donc pas le degré de polarisation du faisceau de lumière diffusée .
- enfin, le dispositif selon l' invention permet de réaliser des mesures multi spectrales. En effet, les systèmes antireflets actuels existant ne fonctionnent que dans une gamme restreinte de longueur d' onde et le dispositif selon l' invention permet une élimination de la lumière parasite efficace quelque soit la longueur d'onde visible de la source utilisée.
De ce fait, le dispositif selon l' invention permet de mesurer une indicatrice de diffusion avec le moins d' erreur possible car il répond aux contraintes suivantes : la détection des faisceaux diffusés se fait exclusivement au travers de dioptres plans et perpendiculaires à la direction de mesure évitant les déformations et les dépolarisations, - le détecteur 9 peut tourner librement autour du faisceau incident L sans le masquer ni le recevoir directement mais en permettant la mesure des angles extrêmes proches de 0 et de 180°, le détecteur est aussi proche que possible du volume éclairé par le faisceau incident, limitant au maximum la réflexion de ce faisceau au sein de la zone vue par le détecteur.
Bien que le dispositif selon l'invention a été développé et illustré ici dans le cadre de la mesure d'indice de diffusion pour des échantillons d'eau de mer, le dispositif selon l'invention peut être utilisé dans d'autre domaine comme le domaine médical, la biophysique, la chimie ou l'industrie pharmaceutique. En effet, les propriétés directionnelles et polarisées des fluides et de leurs contenus (molécules, particules) peuvent être utilisées pour la détection et le suivi de certain composant, notamment les molécules, dans les domaines de la médecine, de la biophysique, de la chimie et de l'industrie pharmaceutique. Dans ces domaines, la compréhension des réactions de certaines molécules lorsqu'elles sont soumises à un rayonnement
(c'est-à-dire la façon de rediriger le rayonnement reçu) peut être exploitée pour connaître le cheminement et l'action de ces molécules dans certain organisme tel que le corps humain. Dans ce cadre, le dispositif selon l'invention précédemment décrit est utilisable dans certaines études inhérentes au domaine médical préalablement au développement de la thérapie : il peut également être utilisé pour déterminer la distribution de taille des particules/molécules qui est importante à connaître dans diverses applications pharmaceutiques.
Bien entendu on pourra apporter à l'invention de nombreuses modifications sans sortir du cadre de celle- ci. En particulier, le moyen d'émission (4) peut être tout type de source lumineuse collimatée, laser ou non, monochromatique ou non, polarisée ou non. Le détecteur (9) pourra ne pas être équipé de polariseur. On constituera ainsi un système de mesure de l'indicatrice de diffusion non polarisée profitant des avantages de l'invention (gamme angulaire élargie, absence de réflexion parasite) .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure de l'indicatrice de diffusion de particules dans un liquide (3) comportant : un espace (3) destiné à contenir un liquide à analyser (3) , des moyens d'émission (4) d'un faisceau de lumière collimatée (L) , - des moyens d'entrée (20) de la lumière ainsi émise au sein de l'espace (3), des moyens de sortie (30 ; 300) de la lumière de l'espace (3), situé au regard des moyens d'entrée à une distance prédéterminée (d) des moyens d'entrée, et un détecteur (9) mobile de la lumière diffusée par le liquide, caractérisé en ce que les moyens de sortie comprennent : - un élément (31 ; 301) s' étendant selon un axe (35) et comportant, à chaque extrémité selon cet axe, une face d'entrée (312) et une face plane de sortie (311) respectivement, la face plane de sortie (311) étant inclinée par rapport audit axe (35), et
- un prisme (32) comportant une face plane de sortie (322) collée à la face plane d'entrée (312) de l'élément (31) et une face d'entrée (321) inclinée par rapport à une incidence du faisceau de lumière polarisée issue des moyens d'entrée.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément (31 ; 301) s' étendant selon l'axe (35) est un cylindre de révolution.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la face plane de sortie (311) de l'élément (31 ; 301) est inclinée à environ 75° par rapport à l'axe (35) .
4. Revendication selon l'une des revendications 1 à
3, caractérisé en ce que la face d'entrée (321) du prisme (32) est inclinée à environ 45° par rapport à l'incidence du faisceau de lumière polarisée issue des moyens d'entrée.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément (301) comprend une fente (313) constituée d'un milieu différent à celui formant l'élément (301) .
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fente (313) est sensiblement perpendiculaire à l'axe (35) de l'élément (301) et s'étend sur une demi section dudit élément (301) .
7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens d'entrée comprennent : - un élément (21) s' étendant selon un axe (25) et comportant, à chaque extrémité selon cet axe, une face plane d'entrée (211) et une face plane de sortie (212) respectivement, la face plane d'entrée
(211) étant sensiblement perpendiculaire audit axe (25), et - un prisme (22) comportant une face plane d'entrée (221) collée à la face plane de sortie
(212) de l'élément (21) et une face plane de sortie (222) sensiblement perpendiculaire à la face plane d'entrée 221.
8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'espace (3) étant délimité par une cuve (2) cylindrique de révolution, une paroi latérale de la cuve présente une fenêtre (14) sensiblement plane et sensiblement perpendiculaire à un diamètre de la cuve, le détecteur étant à l'extérieur de la cuve en regard de la fenêtre.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens d'entrée (20) et/ou les moyens de sortie (30 ; 300) comprennent un manchon (23, 33) dont une extrémité, plongeant dans l'espace (3), est fermée hermétiquement par l'élément (21, 31 ; 301) le prisme (22, 32) s' étendant dans la cuve, l'autre extrémité du manchon étant ouverte à l'air libre.
10. Dispositif selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que le manchon est monté sur un couvercle (17) de la cuve.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que les moyens d'émission (4) sont une source de lumière polarisée et que le détecteur (9) comporte un polariseur.
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