Brevet FR2000107A1 — publié le 19690829

*9'00200 auuDiw La présente invention se rapporte à des dispositifs servant à fournir mie lumière d'une seule longueur d'onde ou en pratique une ■bande très étroite de longueurs d'ondes, ces appareils étant dénommés ci-après des "monochromateurs". La présente invention se rappor-5 te plus particulièrement à des monocliromateurs comportant un miroir sphérique qui réfléchit la lumière provenant d'une fente d'entrée courbe sur un réseau plan monté de manière à tourner, la lumière provenant du réseau étant réfléchie et renvoyée à travers une fente de sortie. On connaît ces monochromateurs sous le nom de monochro-10 mateurs Cserny-Eumer. D'une manière générale, on utilise deux miroirs sphériques à axes séparés, dont l'un réfléchit la lumière provenant de la fente d'entrée sur le réseau et dont l'autre réfléchit la lumière provenant du réseau et la fait sortir à travers la fente de sortie. Dans une fozme .particulière connue sous le nom de mono-15 chromateurs d'Ebert, qui est utilisée d'une manière croissante en spectrophotométrie, et qui a été proposé par Fastie en 1952 en se basant sur un spectrographe décrit initialement par Ebert en 1889, les deux miroirs sphériques présentent le même rayon de courbure et sont montés de telle sorte que leurs centres de courbure sont 20 communs, ces miroirs pouvant par suite être constitués par un seul miroir sphérique d'ouverture suffisante. Bans la description qui va suivre, on se reportera plus particulièrement au monochromâteur d'Ebert, mais la présente invention peut également s'appliquer à tous les monochromateurs Czerny-ïurner. 25 Dans le monochromâteur d'Ebert, la fente d'entrée et la fente de sortie sont formées sur un écran opaque se trouvant dans un plan passant par l'axe de rotation du réseau ou parallèle à cet axe, cet écran pouvant être fortement courbé, la longueur d'onde de la lumière monochromatique, à la fente de sortie, dépend de l'angle sui-30 vant lequel la lumière incidente vient frapper le réseau tournant et Eastie a montré que si les deux fentes sont concentriques et se trouvent sur le même cercle, alors les effets de l'astigmatisme et des autres aberrations sont considérablement réduits à l'intérieur du monochromateur. 35 L'utilisation de fentes courbes constitue une pratique couran te dans les monochromateurs, mais dans le monochromateur Ozerny-Turner et particulièrement, dans la fome du monochromateur d'Ebert, l'importance de la courbure de la fente est beaucoup plus grande que 69 00200 "2" tooôiftf par exemple, dans le monochromateur de littrcjo En supposant des mono chromateurs de Littrow et d'Ebert de distances focales égales, le rayon de courbure des fentes d'Ebert pourrait être de 16,2 mm et le rayon de courbure des fentes de Littrow de 508 mau 5 II est admissible d'éclairer une fente de Littrow avec une source allongée telle qu'une lampe à filament droit du fait qu'une fente courte se rapproche de la forme d'une ligne droite mais il n'en est pas ainsi pour la fente d'Ebert de longueur comparable qui, la plupart du temps, est éclairée en baignant de lumière la région 10 comportant la fente. Ce procédé est inefficace et fait appel à une source beaucoup plus large que celle qui serait nécessaire autrement du fait qu'une faible proportion seulement de la lumière produite traverse en réalité la fente et pénètre dans le monochromateur. Une réduction de la courbure de la fente permet de réduire la quantité 15 de lumière perdue, mais en réduisant également les avantages présentés par le monochromateur d'Ebert par rapport aux autres monochromateurs. Selon la présente invention, à un monochromateur comportant au moins un miroir sphérique, un réseau plan et des fentes d'entrée et 20 de sortie pour une lumière non mono chromatique (par exemple une lumière blanche) et une lumière monochromâtique, respectivement, la fente d'entrée au moins étant courbe, est associée une source de lumière allongée droite et un moyen optique destiné à produire sur la fente d'entrée courbe une image sensiblement congruente de la sour-25 ce de lumière. Oet agencement pemet d'utiliser d'une manière plus efficace une source de lumière allongée et droite telle qu'une lampe à filament droit dans un monochromateur présentant une fente d'entrée courbe en permettant particulièrement d'utiliser une source de lumière plus étroite que cela n'a été possible jusqu'à présent du 30 fait que 15 image de la source ne doit alors présenter que la même largeur que celle de la fente tandis que, jusqu'à présent, il était nécessaire d'utiliser un système d'éclairage à flot de lumière pour éclairer une surface rectangulaire d'une largeur lui permettant d'entourer la fente. 35 La présente invention peut s'appliquer particulièrement à un monochromateur Ebert qui, comme décrit plus haut, utilise un seul miroir sphérique et comporte des fentes d'entrée et de sortie qui sont fortement courbées. 69 00200 ~3~ joooior On peut utiliser un certain nombre d'éléments optiques différents ou une combinaison d'éléments optiques pour produire une image courbe d'une source de lumière droite. Dans une forme de construction commode, le moyen optique précité comprend un moyen, par 5 exemple une lentille convexe, servant à former une image de la source de lumière et un miroir cylindrique concave, d'une manière commode m miroir à surface aluminisée, monté suivant un angle par rapport à un faisceau de lumière incident convergent qui autrement formerait une image étroite à côté droit, le miroir étant disposé de 10 telle sorte que l'image courbe résultante du faisceau de lumière convergent se trouve à la fente d'entrée du monochromateur. le miroir est monté de la manière la plus commode très près de la fente. Le centre de courbure du miroir se trouve de préférence dans le plan formé par le rayon central de la fente et par la perpendiculaire au 15 plan de la fente à l'endroit du centre de courbure de celle-ci. La présence du miroir peut produire certaines aberrations sur l'image courbe, mais ces aberrations peuvent être réduites en réduisant l'angle suivant lequel le faisceau incident vient frapper la surface du miroir jusqu'à une limite déterminée par les considéra-20 tions de dimensions du miroir et du degré de convergence du faisceau incident, ou bien on peut les compenser à l'intérieur du système optique produisant l'image de la source allongée. Un système optique semblable à celui qui se trouve à la fente d'entrée peut également être utilisé à la fente de sortie pour trans-25 foimer l'image courbe en une image en ligne droite, si ceci est nécessaire. La présente invention comporte également, dans son cadre, un appareil, par exemple un appareil spectrophotométrique, utilisant un monochromateur tel que celui décrit plus haut. 30 D'autres avantages et caractéristiques de la présente inven tion ressortiront au cours de la description détaillée qui va suivre faite en regard des dessins'annexés qui donnent à titre explicatif, mais nullement limitatif, une foime de réalisation conforme à l'invention. 35 Sur ces dessins, La figure 1 est une coupe à travers le monochromateur, perpendiculairement à l'axe de rotation du réséau, lequel axe se trouve dans le plan du réseau ; 69 00200 ~4~ 1000T07 la figure 2 est une vue en regardant dans la direction de la flèche A, sur la figure 1 ; la figure 3 est un schéma en perspective montrant comment on utilise un miroir cylindrique pour produire une image courbe con-5 gruente d'une fente courbe dans le plan d'une fente ; la figure 4 représente schématiquement un agencement optique utilisant un miroir courbe pour produire une image courbe congruente d'une fente courbe dans le plan d'une fente ; la figure 5 est une coupe à travers le miroir de la figure 4 ; 10 la figure 6 est une vue d'une fente d'entrée dans le plan d'une fente d'un monochromateur d'Ebert, en regardant suivant une direction perpendiculaire au plan de la fente ; la figure 7 est un schéma optique servant à illustrer le procédé utilisé pour calculer les dimensions du miroir dans l'appareil 15 de la figure 3 ; la figure 8 est un schéma représentant une fente courbe dans le plan d'une fente ; la figure 9 est une coupe d'un miroir, indiquant certaines dimensions ; et 20 la figure 10 est une vue en perspective d'un, miroir concave cylindrique. les figures 1 et 2 représentent un type connu de monochromateur d'Ebert. Ce monochromateur comprend un miroir sphérique 10 et un réseau plan 11 qui peut tourner autour d'un axe perpendiculaire 25 au plan du papier sur la figure 1, lequel plaç. passe par le centre de courbure du miroir, la fente d'entrée 12 et la fente de sortie 13 qui sont formées sur un écran opaque 14 se trouvant dans un plan passant par l'axe de rotation du réseau ou parallèle à cet axe, sont courbées, comme on le voit sur la figure 2. la longueur d'onde de 30 la lumière monochromatique, à la fente de sortie 13, dépend de l'angle suivant lequel la lumière incidente vient frapper le réseau tournant. Comme indiqué précédemment, Fastie a montré que si les deux fentes sont concentriques et se trouvent sur le même cercle, alors les effets de l'astigmatisme et des autres aberrations sont réduits 35 considérablement à l'intérieur du monochromateur. Un monochromateur d'Ebert comporte de telles fentes d'entrée et de sortie courbes, la fente d'entrée courbe se trouve dans un plan de fente indiqué par XX sur la figure 1. Suivant la présente invention, des moyens optiques 69 00200 "" atOOOt 07 sont utilisas pour produire une image dTune source de lumière allongée et droite à l'endroit de la fente d'entrée,. Une forme de cet appareil esu représentée schématiquement sur la figure 3. Un faisceau réfléchi courbe 2'ï est produit à partir d!un faisceau rectan-5 guiaire 22, dansji '• agencement représenté sur la figure 3 en utilisant un miroir 23 à surface cylindrique concave aluminisé, lequel miroir est monté suivant un angle par rapport au faisceau incident convergent 24 provenant de la source de lumière, le centre de courbure du miroir 23 se trouve dans un plan foimé par le rayon central de la 10 fente 12 et la perpendiculaire au plan XX de la fente à l'endroit du centre de courbure de celle-ci. Lorsque le miroir n'est pas en position, une image en ligne droite est formée dans le plan focal du faisceau incident convergent, comme on le voit en 25. Le miroir 23 étant en position, le faisceau incident 24 est réfléchi et du 15 fait que les rayons verticaux extrêmes du faisceau viennent frapper la surface du miroir et en sont réfléchis en des points qui sont plus proches de la source que le rayon central, une image courbe verticale 26 est formée dans le plan focal. En se reportant aux figures 4, 5 et 6, la figure 4 représente 20 schématiquement un plan composite de ce système servant à produire une image courbe congruente d'une fente courbe dans le plan d'une fente. La figure 4 est essentiellement une coupe horizontale le long de l'axe du miroir, et passant par cet axe. La surface réfléchissante du miroir est indiquée à c-e point par la ligne en trait plein 30 25 tandis que l'extrémité inférieure du miroir est représentée par la ligne en pointillé 31• La fente (qui est la fente d'entrée 12 des figures 1 et 2) est indiquée sur cette coupe en 32 tandis que la fente qui se trouve au niveau du point le plus bas du miroir est indiquée par la ligne en pointillé 33 • Sur la figure 4, la lampe allon-30 gée droite qui sert de source est indiquée en 34 et elle produit au moyen d'un système optique convergent 35 un faisceau de lumière 36 qui est réfléchi sur le miroir 23 de manière à traverser la fente. Le rayon central est réfléchi au centre du miroir et traverse le centre 32 de la fente tandis que les rayons d'extrémité sont réflé-35 chis des extrémités du miroir à travers les extrémités 33 de la fente. Les rayons qui se trouvent entre les deux extrémités viennent frapper la surface du miroir en des points intermédiaires. La fente est disposée dans le plan focal d'image (26 sur la figure 3) de sor -6- *000107 69 00200 te qu'une image courbe de la source 34 est produite à l'endroit de la fente. la figure 7 est un schéma optique illustrant le procédé utilisé pour calculer les dimensions du miroir nécessaire pour une appli-5 cation particulière, l'axe du miroir 23 est représenté en 40 et sa ligne d'extrémité en 41. Le centre et les extrémités de la fente sont représentés respectivement en 42 et 43. Un rayon 44 représente le plan central d1 un faisceau de lumière convergent qui fait un angle 2 © avec la perpendiculaire au centre de la fente.'Le miroir 10 23 est monté de telle sorte que son axe longitudinal fait un angle Q avec la perpendiculaire au plan de la fente. Son centre de courbure se trouve dans le plan formé par le rayon central de la fente et la perpendiculaire au plan de celle-ci, au centre de courbure» De ce fait, la lumière passe d'une façon perpendiculaire à travers la fen-15 te, après avoir été réfléchie. La figure 8 indique les dimensions de là fente 12 et les ligures 9 et 10 celles du miroir 23, qui sont utilisées dans les calculs qui vont suivre. Pour la fente, dx représente la distance perpendiculaire entre le centre de la fente et la corde qui réunit les ex-20 trémités de la fente et R le rayon de courbure. En se reportant au miroir, -R indique le rayon du cylindre de courbure, d^ la distance perpendiculaire entre le centre du miroir et la corde qui réunit ses extrémités, et WQ la largeur du miroir. Sur la figure 7, pour des raisons de clarté, le miroir 23 est allongé au-delà de la largeur 25 nécessaire On voit que seule la partie de largeur WQ est utilisée. Le miroir est calculé en utilisant les formules suivantes : dy = dx (i) 2 cos Q R ~ 2 R cos G ... (ii) et m s (iii) N C» 30 ou 0 est le semi-angle de convergence, et la différence de distance focale entre le centre du miroir et ses extrémités est : Af = dx i 1 - cos 2Q Sin 26 Par exemple, la fente d'entrée 12 d'un monochromateur Ebert 69 00200 -7- 2000107 présente un rayon de courbure de 66,0 mm et une distance dx de 5,08 mm, et il faut calculer les dimensions du miroir cylindrique concave 23 nécessaires pour produire une image courbe sur la fente à l'aide d'un faisceau convergent d'un semi-angle de six degrés, en 5 supposant un faisceau d'entrée qui produirait une image droite de la source dans le plan de la fente d'une hauteur égale à la corde de la fente, c'est-à-dire 50,8 mm. l'angle © suivant lequel le miroir 23 est monté par rapport au plan XX de la fente doit être^compromis entre la différence de 10 distance focale, Àf, qui est admissible, et la largeur du miroir WQ, qui peut être permise, l'importance de la différence entre les distances focales augmentant avec O et lorsque la largeur WQ du miroir diminue. Pour les calculs, cependant! il faut choisir une valeur initiale de 0 et des .considérations pratiques indiquent qu'un 15 angle de vingt degrés (20°) donne satisfaction dans ce but. 20 25 a) ay = dx 2 cos 0 _ 5.08 (2 cos 20°) _ 5.08 2 x 0,94 __ 2.70" b) E 2 R cos 0 m s = 2 x 66,0 (cos = 132,0 (0,94) Bm 124,0" c) Wo dx F __1_ [__2 sin 0 5.08T1 [_2 (0,34) = 5,08 (1,47 Wo = 8.64" + Sin 5 ~| tg 20 Sin (0-£ , - + 0.052 30 [_2 (0,34) (0,84) (0,29) 69 00200 -8- 2000107 d) Af dx [ 1 - cos Sin 5,08 ! 1 - cos L. Sin 20 o j 5 5,08 r0,25 ~j 0,64 J Af = 1.85" les calculs montrent que le miroir à surface concave alumini-sé qui doit produire une image courbe de la fente indiquée est un 10 miroir dans lequel : 15 té de manière à bénir buter contre le plan de la fente et qu'il est possible d'aligner avec précision le miroir sur le faisceau d'entrée pour éviter tout effet dégradateur. Pour des raisons pratiques, il est par suite préférable d'augmenter les dimensions en largeur et en profondeur du miroir de, par exemple, 10 fo. 20 Si la différence de distance focale est considérée comme étant trop importante on peut recalculer le miroir en prenant des valeurs successives de Q jusqu'à ce qu'on ait obtenu la valeur optimale, la différence de distance focale de 1,85 mm, dans le cas présent, peut être compensée sur la longueur de la fente en donnant une courbure 25 de champ d'une manière connue au système optique produisant le faisceau d'entrée convergent. Pour produire la correction nécessaire dans le cas présent, le rayon de courbure de champ nécessaire serait d'environ 178 mm. 50 d'une façon particulièrement efficace avec la lumière provenant de chaque partie de la fente d'entrée si le centre du faisceau de lumière provenant de chacune des parties de la fente est perpendiculaire ou presque perpendiculaire au plan de la fente. Dans les monochromateurs d'Ebert classiques, on peut/lisposer, pour cette "raison, 55 une lentille de champ, par exemple une lentille convexe de distance focale appropriée, immédiatement en avant de la fente d'entrée. Dans le rayon du cylindre = 124,0 mm ... Bm la profondeur =2,70 mm ... dy la largeur =8,64 mm ... W Ces dimensions supposent que le miroir est taillé et est mon- 1'élément dispersant d'un monochromateur d'Ebert est éclairé 69 00200 "s" J00Û107 is monochromateur décrit plus haut, le miroir cylindrique 23 peut être utilisé comme équivalent de la lentille de champ. Du fait que la courbure du miroir est déterminée par les considérations indiquées plus haut, le système de formation de l'image doit être choi-5 -si de façon à présenter une distance conjuguée d'image dç appropriée. Cette distance conjuguée d'image est la distance entre le bord du miroir qui est le plus rapproché de la fente, au centre de celle-ci, et le point d'intersection entre une première et une seconde lignes, la première ligne se trouvant à une distance égale à 10 la moitié du rayon de courbure par rapport au centre du miroir, parallèlement à ce rayon, et dans le plan de l'axe de courbure et du centre du miroir, et la seconde ligne se trouvant entre le bord précité du miroir le plus proche du centre de la fente et le centre de l'ouverture du système .formant l'image, On peut montrer que la 15 distance conjuguée d'image de doit être égale à fi Pour 2 sin 9 l'exemple donné plus haut, lorsque fi^ est calculé de façon à être égal à 124,0 mm et © = 20°, alors de = 181,1 mi» La position de la lentille 35 de la figure 4 est de préférence déterminée de cette 20 manière. Bien qu'on ait décrit le monochromateur perfectionné selon 1'invention comme comportant un miroir à surface cylindrique concave aluminisée pour produire l'image courbe, d'autres éléments optiques ou d'autres combinaisons d'éléments peuvent être utilisés, com-25 me s'en rendront compte les spécialistes. Par exemple? des miroirs concaves d'une forme autre que cylindrique, des miroirs convexes, des lentilles concaves et des lentilles convexes, peuvent être utilisés mais tous doivent être montés suivant un angle par rapport au plan de la fente du monochromateur. 30 De même, bien que le monochromateur perfectionné ait été dé crit comme comportant un moyen optique servant à produire une image courbe d'une source allongéé sur la fente d'entrée, on peut utiliser un système optique semblable à celui qui a été décrit en le disposant au voisinage de la fente de sortie pour produire une image 35 droite de l'image courbe qui est formée. 69 00200 ' iWtltf BBVMDIGmOIg 1. Monochromateur comportant au moins un miroir sphérique s un réseau plan et une fente d'entrée et une fente de sortie, respectivement ; pour une lumière non mono chromatique et pour une lumière 5 monochromatique, la fente d'entrée, au moins étant courbe, monochromateur caractérisé en ce qu'il comporte une source de lumière allongée et droite et un moyen optique destiné à produire, sur la fente d'entrée courbe, une image sensiblement congruente de la source de lumière » 10 20 Monochromateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un seul miroir sphérique est utilisé pour réfléchir igfLumière provenant de la fente d'entrée sur le réseau et celle qui provient du réseau vers la fente de sortie. 3» Monochromateur suivant la revendication 1 ou la revendica-15 tion 2, dans lequel la source de lumière est une lampe à filament droit. 4. Monochromateur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen optique comprend un moyen servant à former une image de la source de lumière et un miroir 20 cylindrique concave monté suivant un angle par rapport au faisceau convergent incident de lumière qui autrement formerait une image étroite à côté droit, le miroir étant disposé de telle sorte que l'image courbe résultante du faisceau de lumière convergent se trouve à la fente d'entrée du monochromateur. 25 5. Monochromateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen servant à former une image de la source de lumière comprend une lentille convexe. 6» Monochromateur suivant la, revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que le miroir est très rapproché de la fen-30 te d'entrée* T. Monochromateur suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le centre de courbure du miroir se trouve dans un plan formé par le rayon central de la fente d'entrée et la perpendiculaire au plan de la fente au centre de oaerbure de celle-35 ci. 69 00200 ~11" 200#t07 8. Mono chromât eur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que des moyens optiques sont utilisés pour transfomer l'image courbe de la fente de sortie en une image en ligne droite.