Appareil optique
La présente invention a pour objet un appareil optique destiné à produire au moins deux faisceaux de radiations monochromatiques de différentes longueurs d'onde et à détecter ces deux faisceaux après leur avoir fait suivre des parcours différents. Elle se rapporte en particulier à l'analyse spectroscopique d'échantillons par détermination de l'ab- sorption de radiations de deux longueurs d'onde. Un exemple d'analyse de ce genre est la détermination quantitative de la composition d'un mélange comprenant deux composants.
Dans des spectromètres connus, les radiations émises par une source passent à travers une fente d'entrée et traversent généralement l'échantillon en avant de ou juste derrière cette fente. Le faisceau de radiations est ensuite formé au moyen d'un collimateur, dispersé par un prisme, et concentré dans une fente de sortie à travers laquelle des radiations de la longueur d'onde désirée sortent pour tomber sur un détecteur, tel qu'une cellule photoélectrique ou qu'un thermocouple, qui est sensible aux radiations qui l'atteignent. Un tel appareil peut être modifié en lui ajoutant une seconde fente d'entrée, une seconde fente de sortie et un second détecteur pour permettre de l'utiliser pour l'analyse d'un échantillon au moyen de radiations de deux longueurs d'onde différentes.
Cependant, l'utilisation d'un appareil ainsi modifié pour de telles analyses n'est pas satisfaisante pour plusieurs raisons. Il est difficile de régler l'appareil de manière que des radiations des longueurs d'onde désirées tombent sur les deux détecteurs respectivement prévus pour déceler les radiations de chacune de ces longueurs d'onde et, de plus, des erreurs d'analyse peuvent facilement être provoquées par des différences de sensibilité entre les détecteurs, ces différences pouvant résulter de variations de sensibilité dues à des vieillissements irréguliers et à d'autres causes.
La présente invention a pour but de fournir un appareil utilisable pour l'analyse au moyen de radiations de deux longueurs d'onde différentes et ne présentant pas les inconvénients d'un spectromètre ordinaire modifié de la façon décrite ci-dessus, pour la mise en ceuvre de telles analyses.
L'appareil faisant l'objet de l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour limiter un faisceau de radiations émises par une source unique, des moyens pour diviser ce faisceau en au moins deux faisceaux, en déviant une partie seulement du faisceau initial à partir de son parcours optique normal, des moyens de découpage pour stopper alternativement la partie déviée et la partie non déviée du faisceau initial, et des moyens pour concentrer sur un détecteur unique deux faisceaux de radiations monochromatiques de longueurs d'onde différentes provenant l'un du faisceau dévié, l'autre du faisceau non dévié.
L'appareil ne comprenant qu'un seul détecteur, son utilisation est relativement facile et des variations des résultats fournis par le détecteur sont évitées.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'appareil faisant l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue en plan schématique de la première forme d'exécution.
La fig. 2 en est une vue schématique en élévation latérale.
La fig. 3 est une vue schématique des moyens de découpage, du détecteur et d'appareils associés de cette forme d'exécution.
La fig. 4 est une élévation de bout d'un disque de découpage que comprend cette forme d'exécution.
La fig. 5 est une vue schématique en plan d'une deuxième forme d'exécution.
Les fig. 6 et 7 sont des vues en plan schématiques illustrant le fonctionnement des moyens déflecteurs ; et
la fig. 8 est une élévation de bout d'une variante du disque de découpage représenté à la fig. 4.
Les formes d'exécution représentées au dessin sont destinées à être utilisées pour l'analyse d'échantillons au moyen de radiations lumineuses visibles.
L'appareil représenté à la fig. 1 comprend une source 10 constituée par une lampe à incandescence et qui émet des radiations comprenant des radiations de deux longueurs d'onde destinées à être utilisées dans des buts d'analyse, et une fente d'entrée 11, de construction ordinaire, montée à proximité immé- diate de cette source, de sorte qu'une étroite bande de radiations produites par la source passe à travers cette fente. La moitié inférieure du faisceau ainsi formé se propage le long du parcours optique indiqué tandis que sa moitié supérieure est réfractée par un élément réfractant 12. Cet élément comprend une plaque plane à faces parallèles, faite d'une matière transparente pour les radiations et montée de manière à permettre de régler sa position angulaire autour d'un axe vertical central.
Au-delà de l'élément 12, les parties réfractée et non réfractée du faisceau passent à travers une chambre 13 contenant un échantillon de matière devant être analysée et qui est pourvue de parois avant et arrière transparentes pour les radiations. Au-delà de la chambre 13, les radiations passent à travers des moyens collimateurs constitués par une lentille 14 agencée de manière à rendre parallèles les rayons du faisceau de radiation.
Le faisceau de rayons parallèles sortant de la lentille 14 passe à travers des moyens de dispersion constitués par un prisme 15 monté de façon à permettre de régler sa position autour d'un axe vertical. Le faisceau de rayons dispersés quittant le prisme 15 passe à travers une lentille 16 constituant des moyens de concentration et qui concentrent ce faisceau dans des moyens sélectionnant les longueurs d'onde choisies et constitués par une fente de sortie 17.
L'étroit faisceau de radiations isolé par la fente de sortie 17 tombe sur un détecteur 18 qui engendre une tension électrique sous l'effet des radiations et qui est constitué par une cellule photoélectrique.
Entre la fente de sortie et le détecteur, le faisceau de radiations est découpé au moyen d'un disque rotatif 19 monté sur l'arbre 20 d'un générateur 21 entraîné par un moteur 22, et constituant des moyens de découpage. Le disque 19 est représenté en détail à la fig. 4 et comprend un secteur 23, de forme approximativement semi-circulaire et comprenant un bord plein incurvé à l'intérieur duquel est ménagée une fente semi-circulaire 24. Le reste du disque 19 est constitué par un secteur 25 de forme approximativement semi-circulaire et de rayon égal au rayon extérieur de la fente 24.
L'arbre 20 est horizontal et est disposé de manière que la moitié supérieure réfractée du faisceau de radiations soit alternativement libre par le secteur 25, tandis que la moitié inférieure non réfractée de ce faisceau est alternativement libre de passer à l'extérieur du bord du secteur 25 et interceptée par le bord du secteur 23.
Dans la deuxième forme d'exécution représentée à la fig. 5, des radiations émanant d'une source 26 passent à travers une fente d'entrée 27 et une chambre 28 pour l'échantillon pour parvenir à des moyens collimateurs constitués par une lentille 29. Le faisceau de rayons parallèles sortant de cette lentille est ensuite dispersé par un prisme 30 et le faisceau dispersé est concentré par une lentille 31. Puis la fente de sortie 32 sélectionne et isole les longueurs d'onde choisies. Un élément réfractant 33, constitué par une plaque à faces parallèles, est disposé entre la lentille de concentration et la fente de sortie, sur le parcours de la moitié supérieure du faisceau de rayons. Entre l'élément réfractant 33 et la fente de sortie, les radiations sont découpées par un disque 34 analogue au disque 19 et monté sur un arbre 35 d'un générateur 36 entraîné par un moteur 37.
Le disque 34 est disposé de manière que son plan de rotation soit parallèle à la plaque 33. Les radiations qui traversent la fente de sortie tombent sur un détecteur 38 constitué par une cellule photoélectrique.
Les fig. 6 et 7 illustrent le fonctionnement de l'élément réfractant. Dans ces figures, une lentille 39 est représentée concentrant des radiations dans une fente de sortie 40. A la fig. 6, on voit la moitié supérieure d'un faisceau qui traverse un élément réfractant 41 constitué par une plaque à faces parallèles tandis que la fig. 7 représente la moitié inférieure de ce même faisceau qui est directement concentrée dans la fente 40. Les lignes en trait plein L, et les lignes en pointillé L2 représentent respectivement les parcours de radiations de deux différentes longueurs d'ondes , et 22.
D'après la fig. 7, on voit que dans la moitié inférieure du faisceau la lentille 39 a concentré les rayons L, dans la fente de sortie 40 tandis que, à la fig. 6, l'élément réfractant 41 a provoqué un déplacement des rayons de sorte que ce sont les rayons L2 qui tombent dans la fente de sortie. Par conséquent, la moitié inférieure du faisceau qui traverse la fente de sortie est constituée par des radiations de la longueur d'onde tandis que la moitié supérieure de ce faisceau est constitué par des radiations de la longueur d'onde 22. On obtient le même résultat, soit que l'élément réfractant soit disposé sur le parcours des radiations dispersées concentrées dans la fente de sortie, comme dans l'appareil représenté à la fig.
5, soit que cet élément soit disposé sur le parcours des radiations qui viennent de passer à travers la fente d'entrée, comme représenté à la fig. 1.
L'utilisation de moyens de découpage comprenant un disque rotatif de la forme représentée en 19 assure que le détecteur reçoit alternativement des radiations de chacune des deux longueurs d'onde. Les signaux engendrés par le détecteur varient en amplitude conformément à la transmission des radiations des deux longueurs d'onde à travers l'échantillon.
Comme représenté à la fig. 3, ces signaux sont amplifiés dans un amplificateur 42 et sont appliqués à un redresseur 43 sensible à la phase des signaux et auquel sont également appliqués les signaux de sortie d'un générateur synchrone 44 qui est entraîné à la même vitesse que le disque de découpage 19. Les signaux de sortie du redresseur 43 sont constitués par la différence entre les deux signaux d'entrée qui lui sont appliqués et ces signaux de sortie sont appliqués à un enregistreur convenable 45.
Si on le désire, les radiations peuvent être découpées au moyen d'un disque tel que le disque 46 représenté à la fig. 8 et présentant une fente arquée 46a à travers laquelle la partie réfractée du faisceau peut passer et une fente analogue 46b qui laisse passer la partie non réfractée du faisceau. Chacune des fentes de ce disque s'étend sur 1800 et les fentes chevauchent de 90". Au moyen d'interrupteurs et de filtres convenables, les signaux de sortie du détecteur qui reçoit les radiations découpées par le disque 46 sont convertis en des signaux dont l'amplitude est proportionnelle à la quantité de radiations de chacune des deux diffé rentes longueurs d'onde transmises à travers l'échantillon examiné.
Dans l'appareil représenté à la fig. 1, l'élément réfractant est disposé entre la fente d'entrée et la lentille constituant les moyens collimateurs. Des radiations d'une longueur d'onde A1 sont concentrées dans la fente de sortie en réglant la position de cette fente, par rotation des moyens de dispersion de la façon usuelle, ou encore par réglage de la fente d'entrée, et les radiations de la seconde longueur d'onde is peuvent ensuite être concentrées dans la fente de sortie par réglage de la position angulaire de l'élément réfractant. Selon la position de cet élément, la longueur d'onde 22 peut être inférieure, égale ou supérieure à la longueur d'onde 21.
Pour utiliser l'un des appareils décrits pour l'analyse d'un échantillon au moyen de radia tions de deux longueurs d'onde i ! et 29, un échantillon de la matière devant être analysée est introduit dans la chambre à échantillons et on allume la source de radiations. On règle ensuite la fente d'entrée, la fente de sortie ou les moyens de dispersion jusqu'à ce que des radiations de l'une des longueurs d'onde soient concentrées dans la fente de sortie et tombent sur le détecteur. On règle ensuite la position angulaire de l'élément réfractant jusqu'à ce que des radiations de l'autre des deux longueurs d'onde soient concentrées dans la fente de sortie et viennent frapper le détecteur.
Lorsque les radiations parvenant au détecteur sont découpées, les signaux de sortie du détecteur sont décomposés dans le temps en deux signaux déphasés l'un par rapport à l'autre et, à l'aide de moyens appropriés connus, ces signaux peuvent alors être utilisés pour rendre évidente la différence d'absorption des radiations des deux longueurs d'onde par l'échantillon. Si une seconde analyse doit être effectuée au moyen de radiations de longueurs d'onde différentes dont aucune n'a été utilisée auparavant, on règle la fente d'entrée, la fente de sortie ou les moyens de dispersion de manière à concentrer des radiations de l'une des deux nouvelles longueurs d'onde dans la fente de sortie, et on concentre ensuite les radiations de la seconde nouvelle longueur d'onde dans ladite fente de sortie par réglage de la position angulaire de l'élément réfractant.
Si la seconde analyse doit être effectuée au moyen de radiations de deux longueurs d'onde dont la première a été utilisée auparavant, les radiations de cette longueur d'onde suivant un parcours optique normal jusqu'au détecteur lors de cette première analyse, la seconde des longueurs d'onde peut être utilisée en modifiant simplement la position angulaire de l'élément réfractant. Du fait que l'appareil ne comprend qu'une seule source et qu'un seul détecteur, il est impossible que des erreurs résultent par exemple d'une détérioration de la source ou d'une diminution de la sensibilité du détecteur par vieillissement de celui-ci.
Ainsi qu'on peut s'en rendre compte d'après la fig. 2, si les appareils décrits ne comportaient pas de moyens de découpage, un mélange de radiations déviées et non déviées viendrait frapper le détecteur. Comme représenté à la fig. 2, l'image de chaque point de la source 10 est formée dans la fente de sortie 17, par exemple l'image du point A est formée en A'.
Semblablement, l'image de chaque point tel que le point B de l'élément réfractant 12 est pro- duite en un point B'. En l'absence de moyens de découpage, les radiations tombant sur le détecteur seraient donc un mélange des deux sortes de radiations et, au disque de découpage 19 qui est disposé à l'endroit où se forme l'image de l'élément réfractant 12, les radiations déviées et non déviées sont séparées, de sorte que ce disque est efficace pour découper ces radiations avec une différence de phase.
Dans la forme d'exécution représentée à la fig. 5, un mélange de radiations déviées et non déviées tomberait dans la fente de sortie si des moyens de découpage n'étaient pas utilisés.
Ces moyens sont représentés comme étant disposés à proximité et auaelà de l'élément réfractant, de sorte qu'ils découpent les parties déviée et non déviée du faisceau, près de l'endroit auquel ce faisceau est divisé en deux parties par l'élément réfractant. I1 est toutefois évident que les moyens de découpage pourraient aussi être disposés près de et en avant de l'élément réfractant puisque, à cet endroit ces moyens de découpage seraient efficaces pour assurer une interruption alternée des deux parties du faisceau qui forment respectivement la partie déviée et la partie non déviée de ce faisceau, la partie déviée passant à travers l'élément réfractant.
Le disque de découpage peut donc être disposé au voisinage de l'élément réfractant ou d'autres moyens déflecteurs ou à tout endroit auquel une image de cet élément réfractant est formée. La position des moyens de découpage pour laquelle ces moyens fonctionnent de manière à provoquer une interruption périodique des parties déviée et non déviée du faisceau de radiation peut être appelée position efficace de ces moyens par rapport aux moyens déflecteurs.
Dans les appareils décrits dans lesquels on peut utiliser une fente d'entrée d'une largeur d'au moins 1 mm, la source de radiation peut être disposée au foyer des moyens collimateurs, la fente pouvant alors être supprimée. En utilisant un détecteur comprenant une cible de largeur appropriée et en disposant ce détecteur à l'endroit voulu, on peut également supprimer la fente de sortie. Une source disposée au foyer des moyens collimateurs remplace donc, dans certains cas, une source combinée avec une fente d'entrée. Semblablement, un détecteur disposé de façon appropriée et dont la cible présente la largeur voulue est équivalent à la combinaison d'un détecteur et d'une fente de sortie.
Dans les appareils destinés à être utilisés pour l'analyse au moyen de rayons lumineux visibles, les moyens collimateurs et les moyens de concentration sont constitués par des miroirs à surface frontale réfléchissante ou par des lentilles de verre, et l'élément réfractant est en verre. Dans les appareils destinés à être utilisés pour l'analyse au moyen de rayons du spectre ultra-violet, les moyens collimateurs et les moyens de concentration sont des miroirs à surface frontale réfléchissante ou des lentilles de quartz et l'élément réfractant est en quartz.
Dans les appareils destinés à être utilisés pour l'analyse au moyen de rayons du spectre infrarouge, les moyens collimateurs et les moyens de concentration sont des miroirs et l'élément réfractant peut être un cristal, de NaCI, ou de
KBr, par exemple. La source de radiations infra-rouges est une source usuelle quelconque.
Dans les formes d'exécution représentées, la dispersion du faisceau de rayons parallèles est effectuée au moyen d'un prisme, mais ce prisme peut être remplacé, si on le désire, par des grilles de diffraction ou par des filtres à interférence. Le détecteur utilisé dépend du genre de radiations servant à l'analyse et, pour les radiations du spectre infra-rouge, ce détecteur peut par exemple être un thermocouple.
L'optique de l'appareil est réversible et la source et le détecteur peuvent donc être intervertis. Si l'échantillon présente de bonnes qualités optiques, la position de la chambre destinée à contenir cet échantillon n'est pas critique et cette chambre peut être disposée à n'importe quel endroit de l'optique. Elle est cependant de préférence disposée en avant de la fente d'entrée, au-delà de la fente de sortie, entre la fente d'entrée et les moyens collimateurs, ou encore entre les moyens de concentration et la fente de sortie. Si l'échantillon présente de mauvaises qualités optiques, la chambre destinée à contenir cet échantillon doit être disposée entre la source de radiation et la fente d'entrée ou entre la fente de sortie et le détecteur.
Au lieu d'utiliser une chambre séparée pour l'échantillon, une enveloppe que peut comprendre l'appareil peut être utilisée tout entière pour contenir cet échantillon, lorsque celui-ci est gazeux et n'a pas d'action néfaste sur les parties de l'appareil. La position des moyens déflecteurs constitués par une plaque à faces parallèles n'est pas critique, cette plaque devant cependant être disposée entre la fente d'entrée ou son équivalent et les moyens collimateurs, ou entre les moyens de concentration et la fente de sortie ou son équivalent. En d'autres termes, dans ce cas particulier, les moyens déflecteurs ne doivent pas être disposés entre les moyens collimateurs et les moyens de concentration.
L'élément réfractant des formes d'exécution décrites est une plaque à faces parallèles mais il est évident que les faces de cet élément peu vent être plus ou moins convergentes, celui-ci étant alors en forme de coin. Avec un tel élément réfractant en forme de coin, on peut obtenir une plus grande déviation de la partie réfractée du faisceau qu'au moyen d'une plaque à faces parallèles de la même matière et l'élé- ment en forme de coin peut être disposé n'importe où entre les fentes d'entrée et de sortie ou leurs équivalents.
Dans les appareils décrits, l'élément réfractant agit sur la moitié du faisceau. Cependant, la position de cet élément est réglable transversalement au faisceau et, en réglant sa position de façon appropriée, on peut disposer cet élément de façon qu'il soit traversé par une plus ou moins grande partie du faisceau, les intensités relatives des parties réfractée et non réfractée du faisceau pouvant ainsi être modifiées comme on le désire. Les intensités relatives des deux parties du faisceau peuvent aussi être modifiées à l'aide de moyens d'interception ou de filtrage insérés sur le parcours de l'une des parties du faisceau ou des deux.
Dans les appareils décrits, un élément réfractant constitue les moyens de déviation servant à dévier une partie des radiations parvenant jusqu'au détecteur. Cependant, si on le désire, d'autres moyens peuvent être utilisés dans ce même but. La dispersion du faisceau peut être effectuée par une combinaison dite de Littrow comprenant un prisme et un miroir-plan qui reçoit les radiations dispersées par le prisme et qui les renvoie au prisme pour qu'elles soient soumises à une seconde dispersion en traversant ce prisme. En construisant le miroir en deux parties s'étendant parallèlement au plan de dispersion et dont les positions sont réglables chacune autour d'un axe perpendiculaire à ce plan, les deux parties du miroir peuvent être disposées dans des positions angulaires différentes.
Si les radiations réfléchies par l'une des parties du miroir sont considérées comme suivant un parcours normal, les radiations réfléchies par l'autre partie du miroir sont déviées par rapport à ce parcours normal. En réglant les positions angulaires des deux parties du miroir de façon appropriée, les radiations des deux longueurs d'onde désirées peuvent être amenées à tomber dans la fente de sortie.
Le terme longueur d'onde utilisé dans la présente description est évidemment utilisé pour désigner une étroite bande de longueurs d'onde et non une longueur d'onde unique.
D'ordinaire, les deux bandes de longueurs d'onde utilisées dans l'appareil sont constituées chacune par des longueurs d'onde consécutives.