Procédé de mesure de la composition spectrale du rayonnement lumineux diffusé par une surface colorée opaque, et appareil pour la mise en oeuvre de ee procédé
On sait que l'on peut identifier avec précision la couleur d'un corps, tel qu'un papier, un tissu ou une poudre, en déterminant le rayonnement lumineux diffusé par les substances en question pour différentes longueurs d'ondes.
Le procédé généralement utilisé jusqu'à ce jour consiste à envoyer sur les surfaces dont on désire analyser la couleur un flux lumineux monochromatique connu, et à mesurer l'intensité du rayonnement diffusé par la surface.
Ce procédé présente un certain nombre d'inconvénients qui ont jusqu'à ce jour gêné son application dans de nombreux domaines.
Tout d'abord, il est nécessaire d'obtenir une stabilisation parfaite de l'énergie émise par la source lumineuse, ce qui implique presque toujours l'utilisation de dispositifs électroniques, qui sont particulièrement coûteux et qui en tout état de cause ne peuvent corriger tous les facteurs de modification et en particulier le vieillissement de la lampe à incandescence qui constitue le plus souvent la source lumineuse.
De plus, la mesure de la valeur absolue du rayonnement diffusé par la surface à analyser est difficile lorsque l'on désire l'effectuer avec précision ; et ceci d'autant plus lorsque l'on a affaire à des surfaces sombres qui diffusent seulement une proportion relativement faible du flux lumineux que l'on dirige sur elles.
La présente invention concerne un nouveau procédé pour déterminer la composition spectrale d'un rayonnement diffusé. Ce procédé, qui peut être mis en oeuvre d'une manière particulièrement simple, est basé sur une méthode optique de zéro, ce qui lui confère une grande précision.
Le procédé selon la présente invention, pour mesurer la composition spectrale du rayonnement diffusé par une surface colorée opaque, est caractérisé par le fait qu'on crée un faisceau lumineux incident, de préférence monochromatique ou sensiblement monochromatique, qu'on sépare le faisceau incident en un faisceau de mesure que l'on dirige sur la surface colorée à analyser et en un faisceau témoin que l'on dirige sur une surface témoin, qu'on regroupe le faisceau de lumière diffusée par la surface à analyser et le faisceau de lumière diffusée par la surface témoin, qu'on projette ces deux faisceaux ainsi regroupés sur la cathode d'un dispositif photomultiplicateur de manière à créer une tension fonction du flux lumineux reçu sur ladite cathode, qu'on module à l'aide d'un dispositif obturateur, d'une part,
le faisceau de mesure précité et, d'autre part, le faisceau témoin précité d'une manière telle que le faisceau de mesure soit totalement obturé alors que le faisceau témoin ne l'est aucunement et vice versa, qu'on forme sur l'écran d'un oscillographe cathodique la courbe représentant en fonction du temps les variations de la tension issue du photomultiplicateur, et qu'enfin on fait varier à l'aide d'un atténuateur optique l'énergie lumineuse du faisceau témoin, jusqu'à obtenir une tension constante, la position de réglage dudit atténuateur donnant une valeur qui permet de déterminer le coefficient de diffusion de la surface analysée pour le rayonnement considéré.
Dans un mode de mise en oeuvre préféré du procédé selon l'invention, on provoque la division du faisceau monochromatique incident en un faisceau de mesure et un faisceau témoin, en faisant arriver le faisceau incident sur un miroir semi-réfléchissant sur lequel sont également renvoyés le faisceau de mesure et le faisceau témoin, après avoir été diffusés respectivement par la surface à analyser et la surface témoin, de telle sorte qu'on utilise le miroir semiréfléchissant précité à la fois pour effectuer la division du faisceau incident et pour effectuer le regroupement des deux faisceaux ainsi divisés, afin de les renvoyer sur le dispositif photomultiplicateur.
Dans une première variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on utilise une sourrce lumineuse de préférence non ponctuelle, de manière à créer un flux lumineux homogène que l'on diaphragme par un dispositif approprié.
Dans une seconde variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on utilise comme source lumineuse une partie du filament d'une lampe à incandescence dont l'image est projetée directement sur la cathode du photomultiplicateur.
I1 est dans ce cas particulièrement avantageux, lorsqu'on utilise, comme précédemment indiqué, un miroir semi-réfléchissant pour diviser le faisceau incident, de créer une dissymétrie entre le parcours du faisceau de mesure et celui du faisceau témoin, en plaçant sur le parcours d'un de ces faisceaux un nombre de miroirs différent d'une unité du nombre de miroirs se trouvant sur le parcours de l'autre faisceau. Cette disposition permet d'obtenir sur la photocathode une superposition rigoureuse des deux images du filament de la lampe à incandescence, images dont l'une est transmise par le faisceau de mesure alors que l'autre est transmise par le faisceau témoin.
Lorsque l'on opère ainsi et que l'on a sur la photocathode la superposition des deux images du filament, le flux lumineux provenant du filament peut pratiquement être confondu avec le flux lumineux total et l'on évite ainsi la nécessité de déterminer avec précision les angles solides des différents flux.
Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, on provoque l'atténuation du faisceau témoin en interposant sur le parcours de ce dernier une lame de verre ayant une opacité progressivement variable. On peut en particulier utiliser avantageusement une lame de verre se présentant sous la forme d'un disque dont l'opacité varie le long de son pourtour, l'atténuation se faisant en provoquant la rotation du disque en question.
Selon l'invention, il peut être également souhaitable que le faisceau de mesure et le faisceau témoin ne rencontrent pas la surface à analyser et la surface témoin selon une direction normale, mais au contraire que la perpendiculaire aux surfaces en question fasse avec l'axe du faisceau un angle faible, par exemple de l'ordre de 50 (cinq degrés), lorsque les surfaces diffusantes sont protégées par une plaque de verre et ceci afin d'éviter dans la mesure du possible les phénomènes de réflexion parasite, qui pourraient éventuellement perturber la mesure.
De même, on peut, si on le désire, incliner l'atténuateur légèrement par rapport au plan normal à l'axe du faisceau.
La présente invention a également pour objet un appareil pour la mise en oeuvre du procédé revendiqué, cet appareil étant caractérisé par le fait qu'il comporte en combinaison: une source lumineuse qui engendre un faisceau incident, de préférence monochromatique, un miroir semi-réfléchissant disposé de préférence incliné de 450 par rapport à l'axe du faisceau incident, divisant ce faisceau incident en un faisceau de mesure et un faisceau témoin, un support pour la surface colorée à analyser et un support pour une surface témoin, ces supports étant placés de manière telle que, par diffusion, ces surfaces renvoient une fraction du faisceau qu'elles reçoivent vers le miroir semi-réfléchissant, un dispositif optique, tel qu'un objectif,
pour faire converger le faisceau témoin et le faisceau de mesure regroupés par le miroir semiréfléchissant sur la cathode d'un dispositif photomultiplicateur, un oscillographe cathodique permettant de faire apparaître une courbe fonction des variations de tension du photomultiplicateur, un atténuateur optique, constitué de préférence par une lame de verre d'opacité décroissante, et enfin, un dispositif obturateur qui permet d'effectuer la modulation du faisceau de mesure et du faisceau témoin d'une manière telle que l'un quelconque des deux faisceaux est complètement obturé tandis que l'autre ne l'est nullement.
De préférence, les deux faisceaux sont obturés simultanément d'une manière telle que la somme de leurs angles solides non obturés reste constante.
Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif obturateur est constitué par une surface cylindrique munie sur sa périphérie d'un certain nombre d'orifices de section développée rectangulaire qui sont tous séparés les uns des autres par un intervalle plein ayant une longueur égale à la longueur d'un orifice. Cet obturateur cylindrique est entraîné en rotation à une vitesse convenable par exemple de l'ordre de 100 à 1000 tours par minute, selon le nombre d'orifices qu'il comporte.
Un tel obturateur peut comporter par exemple six ouvertures séparées par six intervalles pleins, en tournant à une vitesse d'environ 300 tours par minute.
Dans ce mode de réalisation, on peut placer avantageusement le miroir semi-réfléchissant dans l'axe de l'obturateur, de manière que le faisceau de mesure et le faisceau témoin soient projetés selon deux directions perpendiculaires pour revenir ensuite sur eux-mêmes après avoir été diffusés par la surface témoin et la surface à analyser.
Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant à titre d'exemple non limitatif, plusieurs modes de mise en oeuvre particuliers en se référant au dessin annexé sur lequel:
Les fig. 1 et 2 représentent schématiquement deux modes de mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
La fig. 3 est une vue schématique en perspective montrant les différents organes d'un mode de réalisation d'un appareil selon l'invention.
La fig. 4 est une vue en élévation d'un mode de réalisation d'un appareil selon l'invention.
La fig. 5 est une vue partielle à plus grande échelle en coupe selon V-V de la fig. 4.
La fig. 6 est une vue en élévation et coupe partielle selon VI-VI de la fig. 5.
Les fig. 7 et 8 représentent les courbes obtenues sur l'oscillographe cathodique, le réglage de l'atténuateur n'étant pas effectué dans le cas de la fig. 7 et étant effectué dans le cas de la fig. 8.
On voit sur la fig. 1, qui représente le schéma d'un mode de mise en ceuvre du procédé selon l'invention, la lampe 1 qui présente de préférence une surface d'émission non ponctuelle et qui, par l'intermédiaire de l'objectif 2, envoie un faisceau incident sur le filtre monochromatique 3.
Le faisceau incident tombe sur le miroir semiréfléchissant 4 qui réfléchit une partie du faisceau vers la surface colorée à analyser 5 et en laisse passer une autre partie vers la surface témoin 6. Une partie de la lumière diffusée tant par la surface à analyser 5 que par la surface témoin 6 revient vers le miroir semi-réfléchissant 4 pour être dirigée par l'objectif 7 sur la cathode 8 d'un dispositif photomultiplicateur non représenté.
On a placé sur le parcours du faisceau témoin qui va du miroir semi-réfléchissant 4 à la surface témoin 6 un atténuateur 9 constitué par un disque de verre à faces parallèles, dont l'opacité varie le long de sa périphérie. On comprend dans ces conditions qu'en faisant tourner l'atténuateur 9 autour de son axe 10, on peut faire varier à volonté la fraction du faisceau de lumière diffusée par la surface témoin 6, qui revient effectivement sur le miroir semiréfléchissant 4.
On a représenté schématiquement l'obturateur tournant 1 1 qui comporte sur son pourtour cylindrique des orifices 12 séparés par des intervalles pleins 13 d'égale dimension.
La construction du dispositif est telle que le faisceau incident allant de la lampe 1 au miroir semiréfléchissant 4 ainsi que le faisceau final allant du miroir semi-réfléchissant 4 à la cathode du photomultiplicateur 8 ne sont à aucun moment soumis à l'action de l'obturateur 11.
Par contre, le faisceau de mesure allant du miroir semi-réfléchissant 4 à la surface à analyser 5 et le faisceau témoin allant du miroir semi-réfléchissant 4 à la surface témoin 6 se trouvent sur la trajectoire des orifices 12 et des intervalles pleins 13 de l'obturateur tournant 11.
On constate que dans le cas particulier du mode de mise en oeuvre représenté, l'obturateur qui comporte six ouvertures permet d'obturer totalement le faisceau de mesure en laissant passer totalement le faisceau témoin et vice versa, ceci du fait que les deux faisceaux en question font un angle de 900 et que le miroir semi-réfléchissant 4 est placé dans l'axe de l'obturateur.
On conçoit dans ces conditions que, lorsque l'atténuateur 9 aura été placé à sa position de réglage qui correspond à une absorption déterminée du flux lumineux du faisceau témoin, la cathode 8 du photomultiplicateur recevra la même énergie (et engendrera donc la même tension électrique) que l'obturateur tournant soit dans une position où il arrête la totalité du faisceau témoin et où il laisse passer la totalité du faisceau de mesure, ou qu'il soit dans une autre position où il arrête la totalité du faisceau de mesure et laisse passer la totalité du faisceau témoin.
Il en résulte que, lorsqu'on observe sur l'écran de l'oscillographe cathodique les variations de tension du photomultiplicateur, on voit des successions de paliers placés alternativement à deux niveaux différents tant que le réglage de l'atténuateur n'a pas été effectué. On constate également qu'en agissant convenablement sur l'atténuateur, il est possible d'amener les paliers précités au même niveau, de manière à créer une ligne sensiblement rectiligne.
Dans cette position on peut dire que la lumière monochromatique diffusée par la surface à analyser correspond à la lumière diffusée par la surface témoin, compte tenu du facteur de correction apporté par l'atténuateur.
En d'autres termes, on comprend que la position de repérage de l'atténuateur donne le coefficient de diffusion de la surface à analyser comparativement à la surface de référence qui peut par exemple être un blanc absolu.
Le mode de mise en oeuvre représenté schématiquement sur la fig. 2 diffère uniquement du mode de mise en oeuvre qui vient d'être décrit par le fait que l'on a ajouté un miroir 14 sur le trajet du faisceau témoin.
De cette manière, on constate qu'il est possible d'obtenir sur la cathode 8 du photomultiplicateur la projection superposée des deux images du filament de la lampe 1, l'une de ces images étant transmise par le faisceau témoin, tandis que l'autre est transmise par le faisceau de mesure.
Au contraire, dans le cas du mode de mise en oeuvre représenté sur la fig. 1, les deux images provenant du faisceau de mesure et du faisceau témoin sont symétriques par rapport à une droite et non directement superposables.
Le dispositif représenté sur la fig. 2 présente l'avantage de pouvoir utiliser directement l'image d'une partie du filament de la lampe 1 pour créer les différents faisceaux lumineux qui sont nécessaires à la mise en oeuvre du procédé. On évite ainsi d'avoir à disposer avec précision différents diaphragmes pour déterminer le contour desdits faisceaux.
On a représenté schématiquement sur la fig. 3 les différents organes et le parcours des faisceaux lumineux dans un mode de réalisation de l'invention qui sera ci-après décrit d'une manière plus détaillée.
On retrouve sur la fig. 3 la lampe 1 avec son objectif 2, le filtre 3, le miroir semi-réfléchissant 4, la surface à analyser 5, la surface témoin 6, l'objectif 7 et le photomultiplicateur 8. On voit également comment l'atténuateur 9 se place sur le parcours du faisceau témoin.
On a placé en outre un miroir 14 sur le parcours du faisceau incident, de manière à pouvoir disposer verticalement le dispositif générateur de ce faisceau.
De plus, grâce à la présence des miroirs 15 et 16, on a soustrait à l'action de l'obturateur tournant 1 1 le faisceau incident allant de la lampe 1 au miroir semi-réfléchissant 4, ainsi que le faisceau regroupé allant du miroir semi-réfléchissant 4 au photomultiplicateur 8.
On voit aussi clairement sur la fig. 3 comment agit l'obturateur 1 1 sur le faisceau de mesure et sur le faisceau témoin.
On retrouve sur la fig. 4, qui représente, vu en élévation, un mode de réalisation d'un appareil selon l'invention, la lampe 1, son objectif 2 et le miroir 14 qui envoie le faisceau incident à l'intérieur de l'appareil de mesure. On voit également l'atténuateur 9, son bouton de commande 10, ainsi que l'aiguille 17 qui est solidaire de l'atténuateur et qui permet d'en repérer la position par rapport à une graduation fixe 18.
On voit enfin sur la fig. 4 le moteur 19 qui entraîne l'obturateur en rotation, le support 20 de la surface témoin et l'objectif 7 qui concentre le faisceau regroupé sur la cathode du photomultiplicateur 8.
On a représenté à plus grande échelle en coupe sur les fig. 5 et 6 l'appareil représenté en élévation sur la fig. 4. Sur la fig. 6 on voit comment le moteur 19 est fixé par une bride 21 sur son berceau 22 qui est lui-même assujetti par deux boulons 23 sur le socle 24 de l'appareil.
Le carter du moteur 19 supporte un boîtier cylindrique 25 à l'intérieur duquel tourne l'obturateur 1 1 directement fixé sur l'arbre 26 du moteur 19. Sur sa face antérieure le boîtier 25 est fermé par un couvercle 27 sur lequel est monté l'ensemble optique de l'appareil. Le couvercle 27 supporte, placé en son centre, le miroir semi-réfléchissant 4 (dont la position angulaire peut être réglée par l'écrou à tête moletée 28), ainsi que les miroirs 15 et 16 (voir fig. 3).
Pour des raisons de clarté du dessin, on a uniquement représenté sur la fig. 5 l'axe 29 du miroir 15 et l'axe 30 du miroir 16.
Sur la fig. 6 le miroir 16 est représenté en coupe tandis que le miroir 15 n'est pas visible.
Chacun des deux miroirs 15 et 16 est monté sur un étrier courbe 31 muni d'une tige filetée 32 qui s'engage dans un orifice taraudé du couvercle 27, la tige 32 étant bloquée en position par un écrou moleté 33.
Le miroir 16 est maintenu dans son support 34 par une plaque de fond filetée 35 avec interposition d'une rondelle de caoutchouc 36. On voit clairement sur la fig. 5 les caches 37 et 38 dont les ouvertures 39 et 40 permettent, ainsi que les ouvertures 41 et 42 pratiquées dans le couvercle 27, le passage des différents faisceaux lumineux.
Comme on peut le voir sur les fig. 5 et 6, le miroir semi-réfléchissant 4 est fixé sur sa monture 43 par une bague filetée 44.
Le boîtier cylindrique 25 supporte un bloc 45 destiné à recevoir les supports de la surface témoin et de la surface à analyser et sur lequel se trouve articulé l'atténuateur 9.
Comme on peut le voir sur la fig. 5, la surface témoin 6 est emprisonnée dans son support cylindrique 20 entre une plaque de verre 46 et une plaque de fond 47 qui se visse dans le support 20.
Le support 20 peut être facilement manipulé grâce au bouton moleté 48 dont est munie la plaque de fond; ce bouton moleté 48 servant également lorsqu'on désire démonter le support pour changer la surface témoin 6.
Le support 20 s'engage à frottement doux dans un alésage 49 pratiqué dans le bloc 45.
Un orifice 50 pratiqué dans le bloc 45 et dans le boîtier 25 permet au faisceau témoin d'aller du miroir semi-réfléchissant 4 à la surface témoin 6 et inversement.
L'atténuateur 9 est solidaire d'une pièce 51 tournant à frottement doux sur l'axe fixe 52 vissé en 53 dans le bloc 45.
Un bouton moleté 10 vissé sur la pièce 51 permet le réglage de l'atténuateur 9, un ressort 54 créant un frottement suffisant pour que I'atténuateur 9 reste dans la position où on le place à l'aide du bouton moleté 10.
La partie supérieure du bloc 45 est également munie d'un alésage 55 destiné à recevoir le support de la surface à analyser qui est montée de la même manière que la surface témoin 6. L'alésage 55 correspond avec l'intérieur du boîtier par un orifice 56.
On voit sur la fig. 6 le filtre 3 qui a été représenté en traits interrompus et qui peut être extrait vers l'arrière dans une direction perpendiculaire au plan de la figure.
L'objectif 7 et le photomultiplicateur 8 sont d'un modèle connu et n'ont par conséquent pas à être décrits d'une manière détaillée. Le photomultiplicateur 8 est alimenté par une source de tension stabilisée et les indications qu'il fournit sont transmises à un oscillographe cathodique de type classique dont on a seulement représenté l'écran sur les fig. 7 et 8 pour montrer les courbes caractéristiques de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. De même, les alimentations électriques du moteur 19 et de la lampe 1 n'ont pas été représentées sur le dessin.
Le fonctionnement de l'appareil qui vient d'être décrit est le suivant:
On règle les différents organes de l'appareil pour que les images de la source lumineuse se projettent sur la cathode du photomultiplicateur.
On place le support de la surface colorée à analyser dans l'alésage 55 situé sur le dessus de l'appareil et l'on place également dans l'alésage 49 le sup port 20 de la surface témoin 6, cette surface témoin pouvant être par exemple un blanc absolu.
On allume la lampe 1 et l'on place le filtre 3 correspondant à la longueur d'onde pour laquelle on désire effectuer la mesure.
On met en fonctionnement les différents appareils électriques et l'on fait tourner le moteur 19 qui entraîne l'obturateur.
On aperçoit, après avoir convenablement réglé le balayage de l'oscillographe, une image analogue à celle représentée sur la fig. 7. Cette image, qui a la forme générale d'un créneau, présente des paliers horizontaux hauts 57 intercalés avec des paliers horizontaux bas 58.
Les paliers correspondent chacun à une période où un seul des deux faisceaux (faisceau de mesure ou faisceau témoin) parvient à la cathode du photomultiplicateur. Le décalage vertical des paliers résulte du fait que les flux lumineux des deux faisceaux ne sont pas identiques.
On constate que si l'on fait varier la position de l'atténuateur 9, le décalage entre les paliers varie et l'on règle l'atténuateur de manière à ramener les paliers au même niveau, comme cela est représenté sur la fig. 8.
A ce moment, il suffit de relever la position de l'aiguille 17 par rapport à la graduation 18 pour connaître, pour la longueur d'onde considérée, le pourcentage de lumière qui n'est pas diffusé par la surface à analyser, mais qui le serait par la surface témoin éclairée dans les mêmes conditions.
On voit bien que les appareils décrits permettent en utilisant différents filtres de procéder à l'analyse spectrale de la couleur d'une surface.
Les procédés et appareils décrits présentent l'avantage d'offrir une grande précision, qui est par exemple de l'ordre d'un millième lorsque la surface à analyser possède des caractéristiques voisines de la surface témoin.
De plus, les caractéristiques d'éclairement de la source lumineuse n'ont pas une importance primordiale du fait qu'à chaque instant on utilise un seul faisceau incident qui est divisé en un faisceau de mesure et un faisceau témoin.
I1 en résulte qu'il est inutile de faire appel pour la source de lumière à un générateur de tension stabilisée, qui constitue un des inconvénients de la plupart des appareils connus jusqu'à ce jour.
On pourrait disposer les surfaces colorées en les inclinant légèrement par rapport à l'axe des faisceaux lumineux de manière à limiter, si on le désire, toute réflexion parasite sur les lames de verre qui protègent les surfaces.
Il va également de soi que les surfaces de ces lames de verre peuvent également recevoir tout traitement connu pour limiter les réflexions parasites.
De même, il est possible d'utiliser un atténuateur optique autre que l'atténuateur circulaire qui a été décrit et pour les mêmes raisons que ci-dessus d'incliner l'atténuateur par rapport au faisceau.
Enfin, on remarquera que la surface témoin et la surface à analyser jouent en fait des rôles quasi identiques, la dénomination de surface témoin ayant été réservée dans la présente description à celle des surfaces qui possède le plus grand pouvoir de diffusion, en raison du fait que l'atténuateur doit normalement se trouver sur le parcours du faisceau qui frappe la surface qui a le plus grand pouvoir de diffusion.
Cependant, il est bien évident que l'on pourrait, si on le désirait, placer l'atténuateur variable sur le parcours du faisceau de mesure si l'on prenait comme surface témoin une surface moins diffusante ou si l'on plaçait sur le faisceau témoin un atténuateur fixe de caractéristique déterminée.