Brevet FR2222645A1 — publié le 19741018

La présente invention a pour objet un système de monochromaw teur pour analyses spectrales réalisant de façon; particulièrement simple et économique une réduction notable de la lumière parasite; gérante d'un monochromateur simple du commerce par un affaiblis- sement des bandes latérales atteignant très rapidement une valeur de l'ordre de 10- 3 par rapport au niveau de la fréquence de la lumière utile Ce phénomène de lumière parasite, qui. se manifeste particu lièrement. vers les extrémités des spectres traités par les ins- truments d'analyse, spectrophotomètres par exemple, a pour cause essentielle. la diffusion. de la lumière en sa transmission et son passage à travers les optiques du monochromateur, Qn peut le ré- duire quelque peu en assurant une très grande propreté d'optiques de haute qualité mais, en fait et jusqu'à prsent, on devait avoir recours å un double monochromateur pour en assurer un affaiblissement efficace:- la lumière parasite. du premier monochromateur est dispersée dans le second et ne peut appreciablement plus sortir de la fente de sortie du second. Théoriquement tout au moins, un double monochromateur assure un affaiblissement des bandes la-. tépales de la lumière utile pouvant atteindre une valeur de ltor dre de 10 Mais dtune part, un double monochromateur est très coûteux, tant en optique. qu'en précision de la conjugaison, qui doit entre parfaite, de ses systèmes dispersifs, d'autre part, en fait, il n'est véritablement justifié que pour des analyses se- phistiqudes, quelques pour cents à peine des nécossJltes pratiques, On a également proposé, pour réduire la lumière parasite, d'interposer entre la source et la fente d'entrée d'un monochre mateur des filtres de bandes passantes et de nombres diversifiés, commutes selon les besoins, mais cette solution est fort incosmm- des pour les appareils qui établissent des enregistrements en fonction de la longueur d'onde car la permutation rapide des filtres est difficile à réaliser et en tous les cas, pour le moins, de aise en pratique délicate surtout si l'analyse spectrale doit atteindre l*ultra-violet, une gamme pour laquelle les filtres sont toujours très coûteux sans être pour autant trée efficaces dans la pratique. En contradiction de ces solutions antérieures, conteuses et délicates, un système de monochromateur pour analyses spectrales selon la présente invention se caractérisé de façon générale en ce que, sur le trajet optique, contenant généralement un condensa teur, entre la source et la fente dtentrée du monochromateur est interpose un élément dispersif assurant en liaison avec la dite optique de projection, à laquelle il peut avantageusement être in corporé, la formation sur la fente d'entrée du monochromateur d' une image lumineuse de largeur supérieure à celle de la fente et sensiblement de même longueur d'onde que la lumière de sortie du monochromateur.Le plus souvent, cet élément dispersif sera ma oeuvré en même temps que le système dispersif du monochromateur bien qu'en certains cas, pour des analyses portant sur des bandes étroites, il puisse autre seulement réglé en fonction des conditions nécessitées par ces analyses. Grâce à la présence de l'élément dispersif, réseau optique ou prisme, l'optique de projection de l'image de la source sur la fente d'entrée du monochromateur se comporte elle-même comme un monochrsaateur "grossier", ne nécessitant pas de précision de réglage ou do commande et d'élément raffine donc coûteux.Le sysv tème se comporte comme un monochromatour *double* par sa caracte'- ris tique série de réduction de la lumière parasite selon;un prin cippe; connut à un degr moindre que dans un double monochromateur classique mais à un degré cependant satisfaisant pour la plupart des cas à'exploitation pratique des équipements d'analyse spectrale. Eh tel système selon la présente invention présente toutefois de grands avantages vis à vis des doubles monochromateurs2- Lorsqu'une source monochromatique éclaire la fente d'entrée d'un monochromateur dont les deux fentes sont de largeurs égales, cas du second élément d'un double monochromateur par exemple, le spectre obtenu représente la distribution spectrale qui, pour un monochromateur parfait est alors de forme triangulaire, comme illustré sur le graphique I de la Fig.7 jointe (longueur d'onde en abscisses, intensité lumineuse I en ordonnées).A A est la largeur de bande, mesurez par exempte à mi-hauteur du maximum, fait, sous l'effet des absrrations optiques (diffraction aux bords des fentes, imperfections de l'optique) la distribution est: sensiblement telle qutindiquée sur le graphique II de cette Fig.7, Dans un double monochromateur classique, les distributions spectrales des deux monochromateurs en série doivent être exactement superposées sinon le rendement lumineux de l'appareil devient très mauvais Pour que cette superposition soit maintenue sur toute l'étendue du spectre, il faut un système de synchronisation des éléments dispersifs et un alignement optique très précis, ce qui entraine un prix de revient élevé.Selon l'invention, au contraire, on assure la formation sur la fente d'entrée d'un monochromateur d'une image monochromatique large par rapport à la largeur de la fente d'entrée 7 (voir Fig.6E). La distribution spectrale du système prend alors l'aspect du graphique III de la Figue I1 suffit alors d'une précision de synchronisation (lorsqutétablie) définie par l'éctrt entre les valeurs 4 et 4 de la longueur dtonde pour atteindre pleinement l'effet recherché et, de toute éviden- ce, l'alignement optique ne pose aucun problème De plus, il en résulte que l'élément dispersif de formation de cette image monochromatique large peut être exploité dans des conditions différentes de celles concernant l'élément dispersif d'un monochromateur classique:- un éclairement en lumière non parallèle de l'élément dispersif est, en particulier, possible sans entrainer de perte sensible sur la réduction de la lumière parasite. Les impératifs mécaniques et optiques étant en eux-mêmes réduits au minimum, le prix de revient d'un système selon l'invention peut donc être particulièrement réduit. Pour poursuivre ltexposé, on se réfère maintenant aux figures jointes:- La Fig.l est une vue simplifie d'un équipement d'analyse spectrale, pour spectrographe par exemple, permettant de situer l'invention, Les Figs.2 à 5 représentent diverses formes d'eséoution, en- trant dans le domaine de l'invention de l'optique de projection formant l'image de la source sur la fente d'entrée du monochromateur, La Fig.6 montre la relation entre la fente d'entrée 7 7 du mo- nochromateur et l'image monochromatique (51) qui lui est projetée et, La Fig.7 montre, comme apparent de ce qui précèdes trois graphiques, I, II et III, de distribution spectrale utiles pour l'ex- pose (on doit comprendre que l'axe des "abscisses" # nra pas de- signification quantitative propre). En se reportant à la Fig.1, le monochromateur 1 est un monochromateur ordinaire simple, d'une structure interne classique qui n'a pas besoin entre détaillée ici. Il comporte une fente d'entrée 7 et une fente de sortie et et sa longueur d'onde est variée par la rotation d'un moteur 2 entraînant l'engrenage 3 de commande de son élément dispersif interne.La lumière monochroma tique qui sort de la fente 8 est, après traitement par toute opti que appropriée, non figurée car indifférente au regard de l'invention, dirigée sur un échantillon 9 de la substance à analyser, activement optique par exemple, et la lumière qui a travers4 cet échantillon est, par exemple, convertie en 10 en an signal électrique commandant la déviation du style enregistreur dans un enregis- treur 12 dont le papier se déroule, par exemple encore, dans le sens de la flèche. La précision d'une telle mesure dépend pour une large part de l'élimination, à tout le moins de la réduction importante, de la lumière parasite du monochromateur. Pour la clarté du dessin, om a indiqué en 6 un miroir de renvoi de limage de la source 5 sur la fente d'entrée 7 du monochromateur 1, miroir omis des exemples de réalisation des Figs. 2 à 5. Pour l'affaiblissement souhaité de la lumière parasite, en effet, un système selon l'invention cern porte, entre la source 5 et la fente 7, un montage de condensateur optique 13 auquel a été incorporé un élément dispersif qui, dans l'exemple représenté, est entraidé par un engrenage 13 renvoyé par 14 de l'arbre du moteur 2.Les calages relatifs des engrenages 3 et 13 et et la prévision (faible) du 'renvoi' eont tels que la lumiè- re sortant de 15 est sensiblement do même valeur de longueur d'onde que celle sortant de la fente 8 du monochromateur ou, de façon plus prise, présente une distribution spectrale, telle qu'indique sur le graphique III de la Fig.7, sensiblement centre sur la dite valeur & = (# 1 * & 2)/2. I1 en est ainsi du fait que, Fig.6, la largeur a de limage monochromatique (51) formée sur du monochromateur 1 fente 7, a une valeur supérieure à la largeur b de cette fente, ce qui est une caractéristique importante des systèmes selon l'invention.Le choix du rapport a/b définit évi- demment les valeurs i et # 2, donc la superposition des distributions spectrales du montage optique 15 et du monochromateur en une telle fenêtre sans impératif de précision contraignante sur l'éta- blissement mécanique et optique de ce montage optique et ses liaisons avec le monochromateur. L'élément dispersif du montage optique 15 peut consister en un réseau optique ou encore en un prisme. Cet élément est repré- sente, dans les exemples des Figs.2 à 5, intégré au condensateur mais il pourrait, sans sortir du cadre de l'invention, en être établi physiquement distinct. Dans l'exemple de la Fig.2, le réseau optique 16 est réflé- chissant et renvoie la lumière émanant de la source 5 qui lui est projetée par le système optique 17 qui est focalisateur, à un certain degré tout au moins. Dans l'exemple de la Fig.3, le; ré- seau optique 26 est un réseau par transmission; recevant la lumière de la-source 5 par un système optique 18 qui en forme un faisceau sensiblement parallèle, La lumière traversant le réseau optique 26 est transmise à la fente 7j par l'intermédiaire d'un sys téme optique 19 possédant un certain degré de focalisationO Dans l'exemple de la Fig.4, l'élément dispersif est un prisme 20, non impérativement de section droite équilatérale bien entendus associé aux systèmes optiques 18 et 19 similaires à ceux de la Fig.3. Dans l'exemple de la Fig.5, l'élément dispersif 21 est un réseau optique réfléchissant concave renvoyant, avec un certain taux de focalisation, sur la gente T la lumière émanant de la source 5 qui lui est transmise par réflexion sur un miroir 2t, parabolique ou sphérique En chacun de ces exemples, la distribution spectrale est dé- finie par le rapport A/R qui fixe l'agrandissement de l'image de la source projette en (5l) sur la fente 7 et le taux de réduction de la lumière parasite dépend de la dispersion du système, donc dé la distance C de l'axe d'inclinaison, 13 sur ces figures, de l'élément dispersif au plan de la fente 7 ou au plan de l'optique de projection 19 de la lumière sur cette fente selon le cas, dispersion linéaire stentende Comme dit, en certains cas d'exploitation pratique, la position de l'élément dispersif peut étre manuellement ajustable et non plus commandée en synchronisation avec la position de 1'élé- ment dispersif du monochromateure REVENDICATIONS. 1. - Système de monochromateur pour analyses spectrales en lequel l'image d'une source lumineuse est formée par une optique de projection sur la fente d'entrée-d'un monochromateur simple dont le système dispersif propre est commandable pour définir la longueur d'onde de la lumière monochromatique qui en sort, caraco tersé en ce qu'à cette optique de projection est associé un ment dispersif d'orientation commandable assurant, en liaison avec elle, la formation sur la fente d'entrée du monochromateur d'une image monochromatique de même longueur d'onde sensiblement que celle définie pour la sortie du monochromateur mais d'une largeur supérieure à celle de la dite fente d'entrée. 2* - Système de monochromateur selon la revendication 1, ca- racteris en ce que ledit élément dispersif est intégré à la dite optique de projection* 3* - Système de monochromateur selon la revendication 2, caractérisé en ce que cet élément dispersif est un réseau optique agissant par réflexion recevant la lumière de la source à travers un système optique dfinissant sensiblement la dite largeur d'sima go monochromatique sur la fente d'entra* 4, - Système de monochromateur selon la revendication 2, ca ractEris en ce que cet élément dispersif est un réseau optique agissant par transmission intercalé entre les systèmes optiques d'entre et de sortie d'un condensateur définissant sensiblement la dite largeur d'image monochromatique sur la fente d'entrée. 5. - Système de monochromateur selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que cet élément dispersif est un prisme intercalé entre les systèmes optiques d'entrée et de sortie d'un condensateur définissant sensiblement la dite largeur d'image monochromatique sur la fente d'entrée. 6. - Système de monochromateur selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que cet liement dispersif est un réseau optique agissant par réflexion et de structure concave formant sur la fente d'entrée une image monochromatique de la dite largeur à partir de la lumière de la source qui lui est appliquée par un miroir relais de structure concave. 7. - Système de monochromateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande d'orientation de cet éliment dispers if est assurée automatiquement par des moyens subordonnés aux moyens de commande d'orientation du système dispersif du mono chromateur. 8. - Système de monochromateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la commande d'orientation de cet élément dispers if est assurée par des moyens de reglage manuel 9. - Système de monochromateur pour analyses spectrales en lequel la fente d'entrée d'un monochromateur simple reçoit l'image d'une source lumineuse par une optique de projection caractérisé en ce que cette optique incorpore un élément dispersif et forme, sur la fente d1entrée du dit monochromateur simple, une image monochromatique de largeur supérieure à celle de la dite- fente