CH628988A5 - Cellule photometrique a reflexions multiples. - Google Patents

Description

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

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

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

La cellule de photométrie qui se rapproche le plus de celle qui fait l'objet de la présente invention est la cellule dite «de WHITE». Elle est décrite notamment dans un article de J. U. WHITE, publié dans la revue J.O.S.A., vol. 32, mai 1942, page 285 et intitulé «Long Optical Paths of Large Aperture».

Une telle cellule est représentée schématiquement sur la figure 1. Elle comprend deux demi-miroirs sphériques Mi et M2 disposés côte à côte et un troisième miroir sphérique M disposé en regard des miroirs Mi et M2. Les trois miroirs ont même rayon de courbure. Les miroirs Mi et M2 ont leur centre de courbure Ci et C2 situés sur le miroir M et légèrement décalés l'un par rapport à l'autre. Le miroir M a son centre de courbure C disposé entre les deux demi-miroirs Mi et M2. Le faisceau de lumière servant à effectuer la mesure pénètre dans la cellule par une pupille d'entrée E et ressort de la cellule, après de multiples réflexions sur les miroirs, par une pupille de sortie S, ces deux pupilles étant disposées dans des épargnes ménagées dans le miroir M.

Le principe de fonctionnement de ce dispositif est illustré par le schéma de la figure 2 qui représente le miroir M vu de face et les images qui s'y forment. On sait, conformément aux lois classiques de l'optique, que l'image d'un point objet situé au voisinage du centre de courbure d'un miroir sphérique est un point image tel que ce centre de courbure soit, en première approximation, le milieu du segment formé par le point objet et le point image. La pupille d'entrée E considérée comme un objet Io donne donc, après une première réflexion dans le demi-miroir Mi, une image Ii symétrique de Io par rapport au centre Ci; cette image Ii donne à son tour, par réflexion sur le second demi-miroir M2, une seconde image I2 symétrique de Ii par rapport au centre de courbure C2 du second demi-miroir, et ainsi de suite; on obtient donc, par le jeu des réflexions multiples sur les miroirs, une suite d'images, toutes distinctes les unes des autres, et sensiblement situées dans le plan défini par les centres de courbure et la pupille d'entrée, c'est-à-dire sur le miroir M; ces images sont toutes alignées sur deux droites parallèles à la ligne qui joint les centres de courbure Ci et C2. La pupille de sortie S est disposée de telle manière qu'elle coïncide avec l'une de ces images (sur la figure 2 avec la onzième image Iii). Autrement dit, les pupilles d'entrée et de sortie sont conjuguées optiquement par les miroirs, après un grand nombre de réflexions.

On conçoit qu'un tel dispositif conduise à un assez grand parcours optique puisque le nombre de réflexions y est élevé (dans l'exemple de la figure 2, le faisceau lumineux traverse ainsi 22 fois la cellule au cours de 11 allers-retours).

La cellule de la présente invention perfectionne ce dispositif connu, car il permet d'augmenter sensiblement le parcours optique en le multipliant par 2,3 ou plus. A cette fin, l'invention prévoit qu'au lieu d'extraire le faisceau lumineux lorsqu'il atteint à nouveau la périphérie du miroir M (en II 1 sur la figure 2) on le fait passer dans une cellule d'un autre type présentant encore un couple de miroirs conjugués afin de réintroduire le faisceau lumineux dans la cellule de WHITE où il subit à nouveau un grand nombre de réflexions.

De façon plus précise, la présente invention a pour objet une cellule de photométrie comprenant deux demi-miroirs sphériques (Mi, M2) disposés côte à côte et un troisième miroir sphérique (M) faisant face aux demi-miroirs (Mi, M2), les trois miroirs ayant même rayon de courbure, les demi-miroirs (Mi, M2) ayant des centres de courbure (Ci, C2) situés sur le troisième miroir (M) et légèrement décalés l'un par rapport à l'autre, et le troisième miroir (M) ayant son centre de courbure (C) disposé entre les deux demi-miroirs (Mi, M2), des moyens optiques étant prévus pour introduire un faisceau lumineux de mesure dans la cellule par une pupille d'entrée (E) et pour l'en extraire après réflexions multiples sur lesdits miroirs par une pupille de sortie (S); cette cellule est caractérisée en ce que le troisième miroir (M) est tronqué perpendiculairement à une ligne joignant les centres de courbure (C 1C2), la portion tronquée de miroir étant occupée par une optique (L) travaillant par transmission, les pupilles d'entrée (E) et de sortie (S) étant situées au niveau de ladite optique (L) sur une ligne perpendiculaire à la ligne joignant les centres (C1C2), et en ce qu'elle comprend en outre un troisième demi-miroir (M3), l'optique (L) étant telle que les demi-miroirs (Mi, M3) soient conjugués l'un de l'autre, le troisième demi-miroir (M3) ayant un centre de courbure (C3) situé sur la s

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ligne joignant les deux pupilles (E, S), lesquelles sont conjuguées l'une de l'autre par les miroirs et l'optique (L).

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

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

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

la figure 1 représente schématiquement une cellule de l'art antérieur;

la figure 2 est un schéma expliquant le fonctionnement de la cellule de la figure précédente;

la figure 3 représente schématiquement des moyens optiques essentiels d'une cellule selon la présente invention;

la figure 4 est un schéma expliquant le fonctionnement de la cellule de la figure précédente;

la figure 5 est un autre schéma expliquant le fonctionnement d'une variante perfectionnée de la cellule de l'invention;

la figure 6 est une coupe longitudinale d'une cellule selon l'invention.

Les figures 1 et 2 ont déjà été décrites à propos de l'art antérieur.

La figure 3 représente les moyens essentiels d'une cellule de photométrie conforme à l'invention. Une telle cellule comprend, comme la cellule de WHITE, deux demi-miroirs sphériques Mi et M2 dont les centres de courbures Ci et C2 sont légèrement décalés l'un par rapport à l'autre et situés sur un miroir sphérique M, dont le centre de courbure C est situé entre les deux demi-miroirs Mi et M2.

Selon l'invention, le miroir M est tronqué perpendiculairement à la ligne joignant Ci et C2, c'est-à-dire horizontalement dans la représentation de la figure 3. La portion tronquée de miroir est remplacée par une optique L travaillant par transmission. Un demi-miroir supplémentaire M3 est disposé derrière l'optique L; la distance focale de l'optique L et la place de M3 sont telles que les demi-miroirs Mi et M3 sont conjugués. Le faisceau lumineux est introduit dans la cellule et extrait de celle-ci par les pupilles d'entrée E et de sortie S disposées dans des épargnes ménagées dans l'optique L, la ligne joignant E et S étant perpendiculaire à la ligne joignant Ci et C2.

Par ailleurs, le demi-mirroir M3 a son centre de courbure C3 situé dans l'optique L, sur la ligne joignant E et S.

Le fonctionnement de cette cellule est illustré par la figure

4.

La partie de la cellule comprise entre le miroir tronqué M et les deux demi-miroirs Mi et M2 se comporte comme une pseudo-cellule de WHITE. Le faisceau lumineux y pénètre par la pupille E et donne naissance à des images successives n° 1,2,3... 6,7. Ces images sont telles que deux images successives définissent un segment dont l'un des centres Ci ou C2 est le milieu. Toutes ces images sont réparties sur deux droites parallèles à la ligne C1C2 joignant les centres de courbure de M1 et M2. Ces droites sont situées de part et d'autre de la ligne C1C2.

La dernière de ces images, de numéro 7 sur la figure 4, tombe sur l'optique L, mais non sur la pupille de sortie S, ce qui distingue cette partie de la cellule de la véritable cellule de WHITE. Le faisceau lumineux sort alors de l'espace défini par les miroirs Mi, M2 et M et se propage vers le miroir M3. L'image donnée par le demi-miroir M3 de l'image n° 7 est une image n° 8 telle que le milieu du segment 7-8 soit le centre C3. Le faisceau lumineux est donc réintroduit dans la cellule de WHITE en 8, qui se comporte comme une nouvelle pupille d'entrée, d'où une nouvelle famille d'images réparties le long de deux droites parallèles à la ligne C1C2 et de part et d'autre de celle-ci; ces images sont numérotées 9,10,11... 15 sur la figure 4. La dernière image (de numéro 15 sur la figure 4) coïncide avec la pupille de sortie S de la cellule, ce qui est possible puisque le centre de courbure C3 est sur la ligne des pupilles E et S.

Ainsi, le détour par le demi-miroir arrière M3 permet-il de multiplier par deux dans l'exemple illustré, le trajet du faisceau lumineux dans la pseudo-cellule de WHITE.

Il va de soi que ce trajet peut encore être augmenté par le choix d'une position relative judicieuse du centre de courbure C3 et de la pupille de sortie S. Sur la figure 5, par exemple, est illustrée une variante dans laquelle le centre de courbure C3 est placé au niveau de la pupille d'entrée E de sorte que la dernière image n° 11 de la première série donne naissance, après réflexion sur le demi-miroir M3, à une image 1 lb symétrique de 11 par rapport à C3, cette image étant à la tête d'une nouvelle série qui s'achève par l'image n° 22, laquelle donne, après réflexion sur le miroir M3, une image 22b, qui est à la tête d'une troisième série d'images s'achevant avec l'image n° 33 où est enfin placée la pupille de sortie S.

On observera, sur cette figure 5, que les images données par la pseudo-cellule de WHITE constituée par le miroir tronqué M et les deux miroirs Mi et M2 se répartissent le long de lignes verticales alors que les images données par la cellule constituée par les demi-miroirs M3 et M2 et l'optique L se répartissent le long d'une ligne horizontale.

A propos des cellules photométriques constituées par deux miroirs sphériques conjugués par une optique par transmission, on pourra se reporter à la demande de brevet français n° 7714753 déposée le 13 mai 1977 pour «Dispositif de photométrie à miroirs concaves et à optique de champ».

Pour une longueur de cuve donnée et pour des pupilles et un miroir M de diamètres donnés, la disposition optimale des images intermédiaires est une figure qui s'inscrit dans un carré. Par ailleurs, le nombre de «colonnes» d'images dans une cellule de WHITE est nécessairement pair, de la forme 2N avec N>2; le nombre optimal d'images formées sur le miroir M de la cellule de l'invention est donc de la forme n = (2N)2.

Dans le cas de la variante de la figure 4, on a N = 2 et n = 16 et pour celle de la figure 5,N = 3etn = 36.

La disposition «en carré» des taches peut, dans certains cas, marquer de souplesse quand il s'agit d'ajuster la longueur du parcours optique. Il est naturellement possible le cas échéant, d'avoir recours à des dispositions «en rectangle» avec un nombre de colonnes 2N différent du nombre de lignes J.

Le tableau suivant donne quelques valeurs numériques pour les principales caractéristiques géométriques de cellules selon quelques exemples de réalisation. Dans ce tableau, où l'unité de longueur est le millimètre, les notations sont les suivantes:

- 2N: nombre de colonnes d'images sur le miroir M;

- J: nombre de lignes d'images sur le miroir M;

- n: nombre total d'images sur le miroir M;

- 1: distance entre le miroir M et les miroirs M1/M2;

s

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- d: diamètre du miroir M;

- P: parcours optique dans la cellule;

- D: diamètre des demi-miroirs M i et M2;

- V: volume intérieur de la cellule d'analyse (en millilitre).

2N

j n

P

l d

D

V ml

T air

T

eau

4

4

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4536

162

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54

221

0,27

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172

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57

364

0,26

0,32

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6

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8844

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0,23

0,29

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11502

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504

0,19

0,25

6

6

36

16038

243

42

81

746

0,16

0,22

Ce tableau correspond à un diamètre de pupille d'entrée de 5 millimètres et une divergence du faisceau lumineux de 20°. Dans les mêmes conditions, et pour un parcours optique d'environ 11 mètres, le volume mort de la cellule de WHITE est de 1144 millilitres alors que dans le cas de la présente invention, il n'est que de 504 millilitres, ce qui montre clairement l'intérêt du dispositif adopté. En outre, cet intérêt croît avec la longueur du parcours optique, ce qui justifie la réalisation de cellules de très longs parcours.

Le coefficient de transmission T de la lumière à travers la cellule de l'invention dépend:

- du coefficient de transmission T1 pour une réflexion sur un miroir et du nombre ni de ces réflexions;

- du coefficient de transmission T2 pour un passage air-verre et du nombre m de ces passages;

- du coefficient de transmission T3 pour un passage fluide à analyser-verre et du nombre m de ces passages.

Le coefficient global de transmission est donc:

T = x T32 x T53.

Le tableau précédent donne deux séries de valeurs de ce coefficient de transmission, dans le cas où la cellule est rem-5 plie d'air (c'est le coefficient Tair) et dans le cas où elle est remplie d'eau (Teau).

On observe également, lorsque les deux miroirs Mi et M2 sont éclairés simultanément, qu'une première réflexion sur le demi-miroir M2 donne naissance à une première image E', 10 symétrique de E par rapport au centre de courbure C2 (voir figure 5). Une épargne auxiliaire S' ménagée dans le miroir M en cet endroit permet éventuellement d'utiliser le faisceau de lumière émergent en vue d'une analyse à faible parcours optique. Ce système permet aussi, en travaillant sur deux lon-15 gueurs d'onde différentes du spectre d'absorption, d'éliminer le fond de turbidité du fluide à analyser.

La figure 6 représente schématiquement une coupe longitudinale d'une cellule de photométrie selon l'invention. On y reconnaît les deux demi-miroirs Mi et M2, le miroir tronqué M, le miroir M3 (qui est ici un miroir entier, mais qui n'est utilisé que sur sa moitié inférieure), l'optique L (qui est une lentille complète, mais qui n'est utilisée que sur sa portion supérieure).

Cette figure fait apparaître en outre des moyens 40 de réglage des miroirs Mi et M2, des moyens 42 de réglage du miroir M3, un guide de lumière 44 pour l'introduction du faisceau lumineux par la pupille d'entrée E, un autre guide étant prévu pour l'extraction de la lumière, qui n'est pas visible sur la coupe de la figure 6, mais qui apparaît sur la figure 5. Un guide éventuel 49 sert à l'extraction de la lumière réfléchie sur le miroir M2, après un seul aller-retour dans la cellule d'analyse. La cellule comprend en outre une ouverture 48 pour l'introduction du fluide à mesurer, lequel occupe, dans la variante illustrée, le volume compris entre le miroir M et les demi-miroirs Mi et M2.

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B

3 feuilles dessins

Claims (3)

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1. Cellule de photométrie comprenant deux demi-miroirs spliériques (Mi, M2) disposés côte à côte et un troisième miroir sphérique (M) faisant face aux demi-miroirs (Mi, M2) les trois miroirs ayant même rayon de courbure, les demi-miroirs (Mi, M2) ayant des centres de courbure (Ci, C2) situés sur le troisième miroir (M) et légèrement décalés l'un par rapport à l'autre, et le troisième miroir (M) ayant son centre de courbure (C) disposé entre les deux demi-miroirs (Mi, M2) des moyens optiques étant prévus pour introduire un faisceau lumineux de mesure dans la cellule par une pupille d'entrée (Ej et pour l'en extraire après réflexions multiples sur lesdits miroirs par une pupille de sortie (S), caractérisée en ce que le troisième miroir (M) est tronqué perpendiculairement à une ligne joignant les centres de carbure (C1C2), la portion tronquée de miroir étant occupée par une optique (L) travaillant par transmission, les pupilles d'entrée (E) et de sortie (S)

étant situées au niveau de ladite optique (L), sur une ligne perpendiculaire à la ligne joignant les centres (C1C2), et en ce qu'elle comprend en outre un troisième demi-miroir (M3), l'optique (L) étant telle que les demi-miroirs (Mi, M3) soient conjugués l'un de l'autre, le troisième demi-miroir (Mb) ayant un centre de courbure (C3) situé sur la ligne joignant les deux pupilles (E, S), lesdites pupilles étant conjuguées l'une de l'autre par les miroirs et l'optique (L).

2. Cellule de photométrie selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour introduire et pour extraire de faisceau lumineux sont constitués par des guides de lumière, notamment des fibres optiques.

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REVENDICATIONS

3. Cellule de photométrie selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens pour introduire entre le troisième miroir (M) et les demi-miroirs (M1-M2) un fluide à mésurer.