Brevet FR2182215A1 — publié le 19731207

i 2182215 La présente invention se rapporte à un modulateur de lumière à décalacre alterné, destiné à déplacer un faisceau lumineux incident de l'une à l'autre, alternativement, de deux trajectoires rectili-fjnçr? parallèles à ce faisceau. 5 II est bien connu de mesurer certaines propriétés opticraes de substances transparentes, notamment des substances liquides telles que des solutions en déterminant l'atténuation subie par un faisceau de lumière traversant cette dernière. Dans des mesures de ce genre, on procède généralement à une comparaison entre l'atténuation 10 produite par un échantillon de la substance étudiée et l'atténuation produite par un snécimen d'une autre substance adoptée conme étalon. Cela donne une mesure dite "relative" de la propriété étudiée à savoir une valeur de cette propriété exprimée par son rapport à la valeur de cette même propriété dans le spécimen étalon. Pour au'une 15 telle comparaison puisse fournir une mesure valable, il faut assurer que l'intensité du faisceau incident tombant sur l'échantillon est exactement la même que l'intensité du faisceau incident qui tombe sur le spécimen étalon. C'est la raison pour laquelle on utilise en général un faisceau incident unique dont la trajectoire est déviée 20 cvclicruement de manière à le faire passer alternativement ^ travers l'échatillon et à travers le spécimen étalon. Une telle déviation cyclique, qui n'affecte en rien l'intensité lumineuse, peut être obtenue de différentes manières. Ainsi, par exemple, on peut recourir â un miroir rotatif auquel on imprime soit une rotation conti-25 nue, soit une oscillation angulaire autour d'un axe perpendiculaire au faisceau initial. On peut également utiliser une lame Plan-parallèle insérée dans la trajectoire du faisceau incident, lame dont on fait varier l'angle d'incidence. On exploite, dans ce cas, le déplacement transversal bien connu que subit un faisceau lumineux lors-30 qu'il traverse une plaque plan-parallèle, ce déplacement étant dû au fait que l'indice de réfraction de la substance dont est faite la plaque diffère de 1!indice de réfraction de l'air ambiant. Alors aue, dans le cas du miroir, la lumière subit un changement de direction, dans le cas de la plaque plan-parallèle, le faisceau lumineux 35 ne subit qu'un déplacement transversal et conserve sa direction initiale. Dans un cas comme dans l'autre, cependant, le faisceau est dévié d'une manière continue, c'est-à-dire qu'il passe par toutes 73 15488 2 2182215 les positions intermédiaires entre ses deux positions extrêmes, lesquelles sont les seules utiles. Or, il y a intérêt à faire en sorte que le rayon traverse aussi rapidement que possible ces positions intermédiaires, dans lesquelles il est inutilisé, de manière 5 que, dans l'une ou l'autre de ses positions extrêmes, il puisse coopérer le plus longuement possible, de manière utile, avec l'échantillon et avec le spécimen étalon, respectivement. En d'autres termes, il est souhaitable, que le faisceau saute alternativement d'une position dans laquelle il coopère avec le spécimen étalon 5 une au-10 tre position dans laquelle il coopère avec l'échantillon mesuré. A cette fin, le faisceau initial doit être soumis à l'action d'un dispositif . qui module sa position par une action "tout ou rien". L'invention a pour objet un modulateur de ce genre. Celui—ci est caractérisé par le fait au'il comprend : 15 - un ensemble de deux blocs (401 ; 402) qui sont faits d'un même matériau transparent et dont chacun est pourvu de deux faces parallèles (403, 404 ; 405, 406), l'une antérieure (403 ; 405) et l'autre postérieure (404 ; 406), ces blocs étant disposés l'un sur l'autre en des positions croisées telles que leurs faces antérieures (4 0 3 ; 20 405) soient situées dans l'un et dans l'autre, respectivement, des deux plans d'un dièdre dont l'arête (40) est contenue dans ces deux faces et est perpendiculaire à ce faisceau incident (102), et dont le plan bissecteur contient ce dernier > - et des moyens de déplacement (409 à 412) agencés de manière ^ im-25 primer à cet ensemble un mouvement de va et vient selon l'arête de ce dièdre, ce mouvement obligeant l'un et l'autre de ces blocs (401 •, 402) à intercepter alternativement, par sa face antérieure (403 ; 405), ce faisceau incident (102) et à restituer, par sa face postérieure (404 ; 406), un faisceau réfracté qui est déplacé alternati-30 vement de l'une et à l'autre de deux trajectoires rectilignes (413, 414) gui sont disposées de part et d'autre du prolongement (103) de ce faisceau incident (102), dans le plan qui passe par ce dernier et aui est perpendiculaire à cette arête (40). L'invention a également pour objet une utilisation de ce modula-35 teur de lumière ; cette utilisation est caractérisée par le fait que l'on dirige l'un desdits faisceaux réfractés sur un échantillon (301) d'un produit dont on veut mesurer la transparence optique et l'autre 73 15488 3 2182215 faisceau réfracté sur un échantillon standard (302) de transparence connue, et crue l'on fait converger les deux faisceaux sortant de ces échantillons (301, 302) sur un même point (503) d'un élément détecteur (501) capable de délivrer un signal électrique représentant 5 l'intensité de la radiation qu'il reçoit, cet élement détecteur étant connecté à un circuit (700) agencé de manière à séparer les signaux correspondant à l'un et à l'autre, respectivement, de ces faisceaux réfractés, de sorte que le tout constitue un photomètre à papillote-ment dont ledit dispositif est le modulateur de lumière. 10 La description détaillée qui va suivre se rapporte au cas particulier, donné à titre d'exemple, oil ce modulateur est incorporé à un spectronhotomètre. Elle est illustrée par le dessin annexé, dans lequel : La fig. 1 est une vue simplifiée, en perspective, représentant le 15 spectrophotomètre dépourvu de boîtier ; La fig. 2 est une vue en plan d'une partie du modulateur de lumière. Le spectrophotomètre représenté à la fig. 1 comprend les éléments principaux suivant : 20 - une source optique 100, produisant un faisceau 101 de lumière blanche parallèle ; - un monochromateur 200, isolant, au sein de ce faisceau de lumière blanche, un faisceau de lumière monochromatique 102 ayant une longueur d'onde déterminée, ce faisceau monochromatique étant dirigé 25 selon l'axe optique 103 du spectrophotomètre ; - un porte-liquide 300, comprenant une paire de cuvettes dont l'une est destinée à recevoir un liquide étalon et dont l'autre est destinée à recevoir un échantillon liquide dont on veut déterminer l'ab-sorbance optique en comparant cette dernière avec 1'absorbance op- 30 tique du liquide étalon (lorsque l'échantillon est une solution et lorsque c'est la concentration de cette solution crue l'on veut mesurer, le liquide de référence est la plupart du temps une solution de concentration zéro, dénommée un "blanc") ; - un modulateur 400, destiné à mouvoir la partie terminale de ce 35 faisceau monochromatique 102 par rapport à ce porte-liquide 300 dans une direction perpendiculaire à l'axe 103, ce mouvement relatif é-tant tel que les deux cuvettes de ce porte-liquide soient explorées 73 15488 4 2182215 optiquement, c'est-à-dire illuminées alternativement et périodiquement par le faisceau monochromatirme issu du monochromateur 200 ; - un détecteur de lumière 500, délivrant des siqnaux électriques représentant les intensités, à la lonqueur d'onde déterminée par 5 le monochromateur 200, des faisceaux qui ont traversé le liquide échantillon et le liquide de référence (ou le blanc) ; - un générateur de signaux de synchronisation 600, lié mécaniquement au modulateur 400 et délivrant des impulsions électrigues qui sont synchrone du mouvement de balayage que ce modulateur imprime 10 au faisceau de lumière 102 ; - une unité électronique 700, connectée au détecteur de lumière 500 et au générateur de sicrnaux de. synchronisation 600, et agencée de manière à trier les signaux résultant de la traversée de la cuvette contenant le blanc des signaux résultant de la traversée de la 15 cuvette contenant l'échantillon, à calculer le logarithme du rapport de ces signaux, c'est-à-dire la densité optique relative de l'échantillon exprimée par son rapport à la densité optique du blanc, et à digitaliser le signal représentant cette densité optique relative y 20 - une unité de commande et d'affichage 800, agencée de manière à afficher un nombre proportionnel à cette densité optique, nombre représentant la concentration de l'échantillon. La source optique 100 comprend une source de lumière blanche, constituée par une lampe 104, un condenseur optique 105, un mi- 25 roir plan 106, un premier diaphragme en forme de fente 107, et un miroir sphcrique concave 108. Ce miroir réfléchit d'une part le faisceau 101 sur un réseau de diffraction 201 qui constitue un élément du monochromateur, et réfléchit d'autre part, le long de l'axe optique 103, le faisceau monochromatique 109 issu du réseau 201. 30 cet agencement engendre ainsi le faisceau monochromatique initial 102 gui sera appelé à balayer le porte-liquide 300. Le monochromateur 200 comprend un réseau 201, qui isole parmi la lumière blanche du faisceau 101 un faisceau monochromatigue 109, un second diaphragme sous la forme d'un trou circulaire 202, et 35 deux filtres optiques 203 et 204 montés dans les deux ouvertures extrêmesd'un curseur 205 pourvu de trois ouvertures dont l'ouverture centrale 206 est vide. Le curseur 205 est monté sur une glis- 73 15488 5 2182215 siëre fixe (non représentée), de manière à pouvoir glissertransversalement dans la direction de la double flèche 207 ; de cette manière, l'une ou l'autre des trois ouvertures peut être placée à volonté dans la trajectoire du faisceau monochromatique 102. Le 5 réseau 201 est monté dans un cadre vetical 208 capable de pivoter autour d'un axe vertical 209 définit par deux pivots 210, 211, engagés dans deux paliers fixes non représentés. Le cadre 208 est plus haut que le réseau 201 lui-même, ce qui permet d'ajuster la position verticale de ce dernier et ménage des passages supérieur 10 214 et inférieur 215, qui sont traversés par le faisceau de lumière blanche 101 et par le faisceau monochromatique 109, respectivement. La position angulaire du cadre 208 et, par conséquent, la longueur d'onde du faisceau monochromatique 10 9 sont commandés par un micromètre 212 relié au cadre par un levier 213. Le micromètre 15 est pourvu d'une fenêtre 214 dans laquelle apparaît l'indication numérique de la longueur d'onde choisie pour le faisceau monochromatique 102. Les filtres 203, 204 ont pour rôle d'empêcher que la lumière indésirable, p. ex. de la lumière parasite, ou de la lumière résultant de la diffraction du second ordre, tombe sur les 20 cuvetteslorsque la longueur d'onde sélectionnée fournie par le roseau 201 se situe dans le rouge et dans le proche infrarouae, ou dans l'ultraviolet ; pour les longueurs d'ondes choisies dans le visible, il n'y a aucune nécessité de prendre cette précaution. Le filtre 203 a, par conséquent, sa bande passante dans l'ultra-25 violet : par exemple, il coupe toute radiation avant une longueur d'onde supérieure à quatre cent vingt nm, et il entre en action quand la longueur d'onde choisie pour le faisceau 102 se situe dans l'ultraviolet, c'est-à-dire est plus courte que, disons, quatre cents nm. De façon semblable, le filtre 204, sa bande pas-30 santé dans le rouge et le proche infrarouge : par exemple, il coupe toute radiation ayant une longueur d'onde inférieure à cinq cent cinquante nm,- et il entre en action aussitôt nue la lonqueur d'onde choisie pour le faisceau 102 se situe dans le rouge et le proche infrarouge. 35 Le porte-liquide 300 est constitué par une paire de cuvettes sé parées, telles que les cuvettes 301 et 302. Ces cuvettes, dont l'une par exemple la cuvette 301, est destinée à recevoir le licrui- 73 15488 e 2182215 de de référence (ou le- "blanc"), et dont l'autre, par exemple la cuvette 302, est destinée à recevoir le liquide échantillon, sont toutes deux de type à écoulement traversant et sont constituées chacune par une cavité cvlindrique, les cavités 303 et 304 respec-5 tivement. Ces cavités ont leurs axes disposés parallèlement à l'axe optique 103 et sont situées dans des positions svmétriques l'une de l'autre par rapport à cet axe, dans un Plan horizontal. Les cavités 303 et 304 sont reliées par des tubes flexibles 305, 306 et 307, 308, respectivement, à des canalisations d'amenée et de 10 fuite respectivement ; les unes pour le liquide de référence (ou le blanc), et les autres pour le liquide échantillon. Des pompes non représentées, de type.quelconque, sont prévues pour fournir les deux liquides à leurs cuvettes respectives. Cette alimentation est généralement de type intermittent, c'est-à-dire crue les cuvet-15 te étant remplies, le renouvellement en liquide n'a lieu qu'après un certain délai pendant lequel s'effectue la mesure. Cependant, des pompes à action continue sont aussi utilisées dans certains cas (par exemple lorsque les liquides sont suffisamment homocrènes et pour autant que la vitesse de renouvellement de ces liquides 20 n'est pas trop élevée). Les faces antérieures (non visibles) et postérieures 309, 310, respectivement, sont usinées de manière à être optiquement plates et parallèles l'une à l'autre afin d'éviter toute perturbation de la trajectoire du faisceau optique lors de la traversée des cuvettes ; ces dernières sont disposées de ma-25 nicre que les faisceaux rencontrent les faces antérieures et postérieures sous une incidence normale. Le modulateur de lumière 400 comprend une paire de plaques de verre 401 et 402, plan-parallèles disposées l'une sur l'autre, chacune d'elles ayant une "épaisseur" e mesurée dans la direction de 30 l'axe 103 (voir la fig. 2 qui représente une vue de dessus). Ces plaques sont toutes deux plan-parallèles, c'est-à-dire que la face d'entrée 403 et la' face de sortie 404 de la plaque 401 sont parallèles entre elles et que la face d'entrée 405 et la face de sortie 4 06 de la plaque 402 sont également parallèles entre elles. Ces 35 deux plaques sont montées dans un support 407 de telle manière que, d'une part, leurs plans d'incidence (définis par le faisceau 102 et par la normale à la face d'entrée respective) soient parai- 73 15488 7 2182215 lèles entre eux et de manière que; d'autre part, les plans des faces d'entrée 403, 405 de chacune des Plaques (et par consécruent les plans de leurs faces de sortie 406, 407) soient inclinés de manière identique par rapport au faisceau incident 102. Dans l'ex-5 emple représenté, ces inclinaisons valent i = 45°, de sorte que, dans ce cas, les plans des faces d'entrée sont perpendiculaires l'un à l'autre. Le support 407 est fixé à l'une des extrémités d'un levier 408 pivotant autour d'un axe horizontal fixe 409 sous l'action d'un excentrique 410 qui, entraîné par un moteur 411, aait 10 sur l'autre extrémité de ce levier par l'intermédiaire d'un galet 412. Les plaques optiques 401 et 402 décrivent ainsi un mouvement alternatif de bas en haut en bas, de sorte qu'elles sont introduites alternativement dans la trajectoire du faisceau incident 102. Conformément à la loi régissant la réfraction d'un faisceau lunii- 15 neux au sein d'une plaque plan-parallèle, le faisceau incident est déplacé dans le plan d'incidence, la valeur S/2 de ce déplacement dépendant de l'indice de réfraction du verre dont est faite la plaque, de l'épaisseur e de cette dernière et de l'angle d'incidence i^. De cette manière le faisceau sortant du modulateur 400 saute alter-20 nativement d'une trajectoire 413 déplacée vers la droite par rapport à la direction du faisceau incident 102 (ainsi que le montre le tracé en traits interrompus dans la fig. 2) à une autre trajectoire 414 déplacée sur la gauche (ainsi que le montre le tracé en trait plein à la fig. 2), les deux faisceaux sortant étant parallèles 25 l'un à l'autre et parallèles au faisceau incident 102. Pour un angle d'incidence i, la valeur de l'écart s entre les trajectoires 413, 414 dépend de l'épaisseur e des plaques. Par raison de svmé-trie, les trajectoires 413 et 414 du faisceau sortant sont contenues dans un plan horizontal passant par le faisceau incident 102 et el- 30 les sont disposées symétriquement par rapport à l'axe optique 103. L'indice de"réfraction du verre des plaques 402 et 403 et l'épaisseur e de ces dernières sont choisis de manière que les trajectoires 413, 414 coïncident avec les axes des cavités 303, 304 des cuvettes 301, 302 de sorte que le faisceau monochromatique incident 102 sau-3E te alternativement d'une cavité à l'autre. Une lentille 415 est prévue pour améliorer la colimation des faisceaux issus du modulateur, avant qu'ils entrent dans les cuvettes respectives. 73 15488 s 2182215 Le détecteur de lumière 500 comprend essentiellement un tube pho-tomultiplicateur 501 couplé à un double prisme opticrue 502. Ce dernier est inséré dans les trajectoires des faisceaux sortant des cuvettes du porte-liquide 300 et est Placé dans une position telle 5 que ces deux faisceaux sortant tombent sur un même point 503 de la photocathode du tube 501. De cette manière, le faisceau issu de la cuvette de blanc 301 et le faisceau issu de la cuvette d'échantillon 302. excitent alternativement le tube photomultiplicateur 501 et, du fait que ces faisceaux tombent sur un même point 503 de la 10 photocathode de ce dernier, la sensibilité de la conversion photoélectrique est la même pour chacun d'eux. Deux diaphragmes 504 et 505 chacun pourvu de deux trous, tels que les trous 506 et 507 pour le diaphragme 505, sont placés de part et d'autre du porte-liquide 300, ces trous étant alignés le long de l'axe des cuvettes 303 et 15 304, respectivement. Ces diaphragmes ont pour rôle d'empêcher aue de la lumière parasite arrivant par le côté tombe sur le photo-tube 501. Le signal délivré par ce dernier est donc dû uniquement au faisceau monochromatique 102. Le photo-tube 501 est connecté élëc-trieruement à l'unité électronique 700, connexion qui est représen-20 tée schématiquement par une ligne 508. Le générateur de signaux de synchronisation 600 est destiné à délivrer une information indiquant quelle trajectoire 413 ou 414 est occupée par le faisceau explorateur. Ce générateur comprend un disque 601 crui est entraîné par le même arbre 602 que l'excen-25 trique 410, et qui est pourvu de deux aimants permanents 603 et 604 situés à 90° l'un de l'autre. En face du disque 601 se trouvent deux enroulements fixes 605, 606 disposés dans des positions svmé-triques par rapport à l'axe 607 du disque 601 de manière à constituer des capteurs inductifs délivrant une impulsion électrique cha-30 aue fois que, sous l'effet de la rotation de l'excentrique 410, un aimant passe en regard de l'un d'eux. La position de ces enroulements par rapport à l'axe 607 et celle des aimants par rapport à l'excentrique 410 sont choisies de manière aue quatre impulsions soient produites-à chaque rotation de ce dernier, ^deux de ces impulsion 35 correspondant au point mort de mouvement angulaire du levier 408 et deux autres étant en quadrature avec les premières. Les deux enroulements sont reliés électriauement à l'unité électroniaue 700, 73 15488 9 2182215 liaison qui est représentée par les lignes 608 et 609. L'unité électronique' 700, dont la structure détaillée n'a pas à être décrite, car elle n'a pas de rapport avec la présente invention, est agencée de manière à séparer les signaux correspondant 5 à l'un et à l'autre, respectivement, des deux faisceaux réfractés (c'est pourquoi elle est reliée au générateur de signaux de synchronisation 600) et à élaborer un signal électrique représentant le rapport entre les signaux provenant de la cuvette 301 contenant le liquide de référence et les signaux provenant de la cuvette 302 10 contenant le liquide à analyser. Ce signal est, de préférence, codé sous forme numérique et acheminé vers un dispositif d'affichage 800. On le voit, l'ensemble qui vient d'être décrit constitue un spectrophotomètre à papillotement dont le dispositif de déplacement op-15 tique 400, qui est l'objet de l'invention, constitue le modulateur de lumière. Il est évident que ce dispositif de déplacement optique n'est pas limité à agir sur une radiation monochromatique : il peut fort bien moduler une lumière "blanche", mais, dans ce cas, chacun des fais-20 ceaux réfractés est étalé spectralement dans le plan de séparation des faisceaux réfractés 413, 414. 73 15488 10 2182215 REVENDICATIONS 1. Modulateur de lumière à décalage alterné destiné à déplacer un faisceau lumineux incident de l'une à l'autre, alternativement, de deux trajectoires rectilignes parallèles à ce faisceau incident, 5 caractérisé par le fait, qu'il comprend : - un ensemble de deux blocs (401 ; 402) qui sont faits d'un même matériau transparent et dont chacun est pourvu de deux faces parallèles (403, 404 ; 405, 406), l'une antérieure (403 ; 405) et l'autre postérieure (404 ; 406), ces blocs étant disposés l'un sur l'au-10 tre en des positions croisées telles que leurs faces antérieures (403 ; 405) soient situées, dans l'un et dans l'autre, respectivement, des deux Plans d'un dièdre dont l'arête (40) est contenue dans ces deux faces et est perpendiculaire 3. ce faisceau incident (102), et dont le plan bissecteur contient ce dernier ; 15 - et des moyens de déplacement (409 à 412) agencés de manière à imprimer à cet ensemble un mouvement de va et vient selon l'arête de ce dièdre, ce mouvement obligeant l'un et l'autre de ces blocs (401 402) à intercepter alternativement, par sa face antérieure (403 ; 405), ce faisceau incident (102) et à restituer, par sa fa-20 ce postérieure (404 ; 406) , un faisceau réfracté nui est déplacé alternativement de l'une et à l'autre de deux trajectoires rectilignes (413, 414) qui sont disposéasde part et d'autre du Prolongement (103) de.ce faisceau incident (102), dans le plan qui passe par ce dernier et qui est perpendiculaire à cette arête (40). 25 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait, que l'épaisseur de ces blocs (401 ; 402), comptée entre leurs faces antérieures (403 ; 405) et postérieures (404 ; 406) respectives, est la même pour chacun d'eux, de sorte que lesdites trajectoires rectilignes (413, 414) sont disposées symétriquement de part et 30 d'autre dudit prolongement (103) du faisceau incident (102). 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait, aue chacun desdits-blocs transparents (401 ; 402) a la forme d'une lame plate de section rectangulaire, dont la hauteur est dirigée selon ladite arête (40), ces lames étant superposées face contre 35 face. 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait, aue lesdits moyens de déplacement comprennent un bras pivotant (408) 73 15488 ii 2182215 capable d'osciller autour d'un axe (409) parallèle à la trajectoire rectiligne dudit faisceau incident (102), lesdits blocs transparents (401 f 402) étant fixés à une extrémité (407) de ce bras (408), dont l'autre extrémité est reliée à un mécanisme (410, 411, 412) produi-5 sant ladite oscillation. 5. Procédé de mise en action du dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait, que l'on dirige l'un desdits faisceaux réfractés sur un échantillon (301) d'un produit dont on veut mesurer la transparence optique et l'autre faisceau réfracté sur 10 un échantillon standard (302) de transparence connue, et que l'on fait converger les deux faisceaux sortant de ces échantillons (301, 302) sur un même point (503) d'un élément détecteur (501) capable de délivrer un signal électrique représentant l'intensité de la radiation qu'il reçoit, cet élément détecteur étant connecté à un 15 circuit {700) agencé de manière à séparer les signaux correspondant à l'un et à l'autre, respectivement, de ces faisceaux réfractés, de sorte que le tout constitue un photomètre à papillotement dont ledit dispositif est le modulateur de lumière. 6. Procédé de mise en action selon la revendication 5, caracté-20 risé par le fait, que l'on prend pour ledit premier échantillon une solution déterminée de concentration connue placée dans une première cuvette (303) , et que l'on prend pour ledit second échantillon une solution semblable à la première, mais de concentration inconnue, placée dans une seconde cuvette (304) identique à la première, 25 de sorte que lèdit photomètre à papillotement permet de déterminer le concentration de la seconde solution exprimée en fonction de celle de la première solution.