Brevet FR2273258A1 — publié le 19751226

On connaît déjà des interféro > tres à deux rayons destinés à déterminer les indices de réfraction de substances à étudier transparentes, gazeuses ou liquides et Qui permettent de mesurer les indices de réfraction avec un haut degré de précision en comparant les chemins optiques de deux parcours présentant géométriquement la même longueur. Les deux parcours à comparer entre eux sont matérialisés par deux chambres séparées l'une de I1 autre et dans llune desquelles se trouve la substance à étudier alors que dans l'autre chambre se trouve une substance à indice de réfraction connu. Au lieu de la substance à indice de réfraction connu on peut également utiliser un vide en tant que parcours de référence.La détermination de l'indice de réfraction inconnu s'effectue visuellement en comparant le décalage relatif de deux systèmes de franges d'interférences superposés et dont l'un sert de système de référence fixe. Un autre dispositif connu formant interféromètre permet également de déterminer des variations d'indice de réfraction en fonction du temps en mesurant le déplacement des franges d'interférences par rapport à un repère fixe. Dans ce dispositif les franges d'interférences sont continuellement enregistrées sur du papier photographique et les variations d'indice de réfraction sont déterminées à partir de la valeur du déplacement des figures de franges. les procédés cités permettent certes de déterminer des indices de réfraction avec un haut degré de précision mais ils sont trop laborieux ou trop coûteux pour effectuer des mesures en continu et ne conviennent pas non plus pour le contrôle de processus se déroulant automatiquement. Afin d'éviter ces inconvénients, la présente invention crée un interféromètre à deux rayons destiné à déterminer les indices de réfraction de substances à étudier ou leur variation dans le temps et qui permet de mesurer en continu, de façon entièrement automatique, des variations de l'indice de réfraction d1un milieu transparent en fonction du temps II I1 stagit de permettre a des variations d'indices de réfraction se produisant au cours de processus d'être déterminées en continu et avec un haut degré de précision, sous une forme appropriée à leur traitement par ordinateur, et d'être utiiisées par exemple pour le réglage de procédés de fabrication.En outre, la présente invention a pour objet de permettre de mesurer l'indice dé réfraction de manière objective, les résultats de mesure étant le moins possible influencés par des variations passagers du dispositif formant interféromètre et n'étant en outre pas affectés par des phénomènes de dérive. Le point de départ de la présente invention est un agencement connu en soi d'un interféromètre à deux rayons comprenant, d'une part, un parcours de rayon contenant la substance à étudier et, d'autre part,-un parcours de rayon contenant la substance de référence, des organes optiques pour-produire un système de franges d'interférences de mesure et un système de franges d'interférences de référence dans le plan d'une fente de sortie, un récepteur monté en aval de la fente de sortie et destiné à mesurer le déplacement relatif que le système de franges d'interférences de mesure présente par rapport au système de franges d'interférences de référence fixe du fait que les deux parcours de rayon partiels sont influencés différemment et un compensateur optique pour déplacer les systèmes de franges d'interférences l'un par rapport à l'autre. La solution apportée à ce problème suivant la présente invention consiste en ce qu'il se trouve sur le parcours de rayon optique de l'interféromètre à deux rayons, entre la fente de sortie et le récepteur, un prisme diviseur qui sert à diviser la lumière des maximums d'ordre zéro des systèmes de franges d'interférences chaque fois en deux faisceaux lumineux partiels séparés et dont les faces en forme de toit sont tournées vers la fente de sortie de telle sorte que son arête séparatrice s'étendant parallèlement à la direction des franges des systèmes d'interférences soit située dans le plan de la fente de sortie, en ce qu'il se trouve sur le parcours de rayon optique, en aval du prisme diviseur, un modulateur qui permet alternativement à un faisceau lumineux partiel issu du système de franges-d'inter- férences de mesure et à un faisceau lumineux partiel diamétralement opposé au premier faisceau et issu du système de franges d'interférences de référence d'atteindre le récepteur pendant que les deux autres faisceaux lumineux partiels sont occultés et en ce qu'il est prévu des organes de réglage électriques connus qui, lorsque les signaux électriques du récepteur ont des niveaux inégaux par suite de différences de marche entre les deux parcours de rayon partiels, modifient la position des compensateurs optiques sur le parcours des rayons de manière à annuler la différence de marche produite par la substance étudiée et la substance de référence. Âvantageusement, les faces en forme de toit du prisme diviseur sont recouvertes d'une couche opaque qui laisse cependant libre une fente enfermant l'arête séparatrice et qui présente une largeur approximativement égale à la demi-largeur du maximum de l'ordre zéro des systèmes de franges d'interférences. Il est en outre recommandable d'utiliser en tant que modulateur un cylindre creux tournant autour de son axe longitudinal et dont la paroi cylindrique présente un certain nombre d'ouvertures rectangulaires de m8me grandeur formant diaphragmes qui sont disposées en deux rangées parallèles et s'étendent sur toute l'étendue cylindrique, tandis que la largeur des parties cylindriques situées entre des ouvertures formant diaphragmes voisines est partout la même et en outre supérieure à celle des ouvertures formant diaphragmes et que les ouvertures formant diaphragmes de 1 'une des deux rangées sont décalées par rapport à celles de l'autre rangée de sorte qu'il se trouve chaque-fois en regard d'une ouverture formant diaphragme de l'une des rangées une partie intermédiaire intacte de I 'autre rangée. enfin il convient d'utiliser, pour la commande du compensateur optique, un amplificateur différentiel qui, en présence de signaux de récepteur de niveaux différents, produit une tension continue commandant le compensateur par 1 'intermé- diaire d'un servomoteur, le parcours de déplacement du compensateur servant à mesurer les différences d'indice de réfraction entre la substance étudiée et la substance de référence. Le dispositif suivant l'invention est expliqué plus en détail ci-dessous à l'aide des dessins annexés. la fig. 1 représente schématiquement, en vue de plan, la conception d'un dispositif formant interféromètre suivant l'invention. La figure la représente, en élévation, le parcours optique de rayons entre les miroirs interférométriques. La figure 2 montre la répartition de l'intensité lumineuse dans le plan de la fente de sortie dans des conditions de réglage de base du système de franges de mesure et du système de franges de référence (différence de marche nulle au milieu de la fente et intensités lumineuses égales des faisceaux lumineux). La fig. 3 représente de manière détaillée un agencement pré féré du prisme diviseur et du modulateur sur le parcours de rayon optique du dispositif interférométrique de la fig. 1. Afin de pouvoir déterminer les indices de réfraction optiques on utilise un dispositif formant interféromètre qui comprend un élément diviseur de faisceau lumineux comme par exemple un prisme double de Posters. Ce dispositif est constitué, comme l'interfé uromètre de laboratoire de Rayleigh-Lbwe, par deux systèmes superposés, à savoir un système de mesure et un système de référence. Suivant la fig. 1, une source lumineuse 1 éclaire, par l'intermédiaire d'un diaphragme 2 et d'un objectif formant collimateur 3, un prisme double de Kbsters 4. La lumière entrant dans celuici en E est divisée au contact de la couche semi-transparente AD en deux faisceaux partiels cohérents a et b qui sont à nouveau réfléchis par les faces latérales AB et AC du prisme double d'où ils sortent parallèlement.Le faisceau partiel a passe ensuite par un compensateur achromatique 5 et par le parcours à air L, c'està-dire le système de mesure interférométrique 6, et est ensuite renvoyé sur lui-même par le miroir opposé 7 en direction du prisme double de Kosters. Dans celui-ci il interfère avec le faisceau partiel b qui de façon analogue, après avoir parcouru le compensateur achromatique 8 et le parcours à vide V du système de mesure 6, est également renvoyé par le miroir opposé 7 vers le prisme double. Le parcours à air et 1 parcours à vide du système de mesure sont limités par des plaques de verre 9 et 10.La lumière interférentielle sort du prisme double en E et O. Elle est dirigée par l'intermédiaire d'un miroir de renvoi Il et d'un objectif 12 dans le plan d'une fente de sortie 13 de manière à produire dans celle-ci une figure d'interférence appelez oi-après système de franges d'interferences de mesure.Afin de compenser qes variations dans l'état de réglage du dispositif constitué par le prisme double de Kôsters 4, les compensateurs 5 et 8, le système de mesure interférométrique 6 et le miroir opposé 7, un système de franges d'interférences de référence est formé dans le plan de la fente de sortie 13 au-dessous du système deX s d'mter- férences de mesure.Le système de franges d'interférences de référence est obtenu par superposition de deux faisceaux lumineux cohérents 14 qui, en passant devant les compensateurs 5 et o, traversent des parcours à air 15 dont les longueurs correspondent à celles des parcours à vide et à air du système de mesure 6 (fig.îa). Etant donné que ce système de franges d'interférences de référence n'est influencé ni par le parcours de mesure ni par le réglage des compensateurs, il conserve toujours sa position et fournit par conséQuent une image de référence constante.La formation du système de franges de mesure et du système de franges de référence dans un plan d'image commun F coïncidAnt avec le plan de la fente de sortie 13 se réalise de telle sorte Que, après un réglage approprié de l'interféromètre, les franges d'interférences des deux systèmes soient parallèles les unes aux autres et juxtaposées de telle manière que les franges d'interférences s'étendent perpendiculairement à l'arete séparatrice des deux systèmes de franges. En outre, il s'agit pour la courbe d'intensité de la frange d'interférence d'ordre zéro du système de franges d'interférences de référence d'être symétrique par rapport au centre de la fente de sortie 13.En outre, au moyen du compensateur achromatique 5, la frange d'interférences d'ordre zéro du système de franges d'interférences de mesure est réglée de manière à s'aligner avec la frange d'interférences d'ordre zéro du système de franges d'interférences de référence. On obtient ainsi dans le plan de la fente deux systèmes de franges d'interférences avec des distributions d'intensité PI et N qui sont complètement identiques entre elles (fig.2).Dans cette position des systèmes de franges d'interférences les faisceaux partiels assortis présentent au milieu de la fente de sortie une différence de marche nulle. Etant donné que, en outre, les deux systèmes de franges sont formés dans des conditions optiques identiques, des influences extérieures conne par exemple de légers changements de l'état de réglage du dispositif dus à des variations de température, des chocs, etc..., ne produisent pratiquement aucun effet sur la mesure puisque de telles variations provoquent des déplacements similaires, tant du point de vue quantitatif qu'en ce qui concerne la direction de mouvement, du système de franges d'interférences de mesure et du système de franges d'interférences de référence.Dans le parcours de rayons optiques il se trouve derrière la fente de sortie 13 un prisme diviseur 16 dont l'arête séparatrice G est située dans le plan d'image F coïncidant avec le plan de la fente de sortie et s'étend en direction des franges des systèmes d'interférences. La position du prisme diviseur est en outre choisie de telle sorte que la lumière du maximum de frange d'ordre zéro soit divisée en deux faisceaux lumineux partiels séparés (I et II, III et 1V). Etant donné que pour effectuer des mesures réfractométriques il suffit de disposer des maximums dtinter- férences ordre zéro, les faces en forme de toit 17 et 18 du prisme diviseur 16 sont recouvertes d'une couche opaque (fig.3). La couche opaque laisse, de part et d'autre de l'arête séparatrice G du prisme diviseur, subsister une zone libre qui forme une fente 19 dont la largeur présente approximativement la valeur de la demi-largeur du maximum d'ordre zéro des systèmes de franges d'interférences. Les faisceaux lumineux partiels I, II, III et IV passent ensuite par un modulateur 20 présentant des ouvertures rectangulaires formant diaphragmes 21. Le modulateur est réalisé sous la forme d'un cylindre creux tournant autour d'un axe 0-0 et dans la paroi duquel les ouvertures formant diaphragmes sont disposées en deux rangées parallèles sur toute l'étendue du cylindre. La largeur des parties cylindriques situées entre des ouvertures formant diaphragmes placées c8te à c8te dans une rangée doit alors être plus grande que la largeur des ouvertures.En outre, les ouvertures formant diaphragmes dans l'une des deux rangées sont décalées par rapport à celles de l'autre rangée de telle sorte qu'il se trouve chaque fois en regard d'une ouverture formant diaphragme de 1 'une des rangées une partie intacte de l'autre rangée. Cette disposition particulière des ouvertures formant diaphragmes permet aux faisceaux lumineux partiels I et IV; II et III d'atteindre respectivement, de manière alternée, par l'intermédiaire d'un prisme déviateur 23 et d'un système condenseur 24, le récepteur 25. En tant que récepteur il est prévu un multiplicateur d'électrons secondaires. À la sortie du multiplicateur d'électrons secondaires se produit une suite d'impulsions dont llam- plitude sert d'indice pour la somme des intensités des faisceaux lumineux partiels I et IV; II et III. L'affectation des impulsions aux faisceaux lumineux partiels correspondants se réalise par des impulsions d'identification produites en utilisant des aimants permanents 26 qui tournent avec le modulateur. La suite d'impulsions est amenée à un amplificateur différentiel 27. Tant que les amplitudes des impulsions et, par suite, les sommes des intensités des faisceaux lumineux partiels présentent des grandeurs différentes, il existe à la sortie de l'amplificateur différentiel 27 une tension affectée d'un signe.Au moyen de la tension de sortie de l'amplificateur différentiel est commandé un servomoteur 28 pour régler le compensateur optique 8. En réglant le compensateur 8, le décalage du système de franges d'interférences de mesure par rapport au système de franges d'interférences de référence fixe peut à nouveau être annulé. Il faut cependant, avant de procéder à l'opération de mesure, réaliser un équilibrage des intensités des faisceaux lumineux partiels I et II, III et IV. Le déplacement du compensateur optique 8 permet de mesurer la valeur de l'indice de réfraction ou de la variation de l'indice de réfraction de la substance a' étudier (dans le cas du présent exemple de réalisation : l'air) se trouvant dans le système de mesure 6. Si, par exemple, le servomoteur 28 permet en outre de faire varier la position de curseur dlun potentiomètre hélicoïdal alimenté avec une tension constante, on dispose au niveau du potentiomètre d'une chute de tension qui est directement proportionnelle au parcours de déplacement et par suite, également, à l'indice de réfraction. Ce signal électrique peut être utilisé par exemple pour commander un organe enregistreur ou imprimeur. Avant d'effectuer l'opération de mesure, les faisceaux lumineux partiels I à IV doivent entre réglés sur des intensités égales. A cette fin la fente 19 du prisme diviseur 16 est d'abord déplacée suivant la double flèche I jusqu'à ce que les faisceaux lumineux partiels III et VI produisent, au niveau de l'installation de traitement de données, des flux lumineux partiels égaux. Afin d'obtenir des faisceaux lumineux partiels I et II présentant des intensités égales, le système de franges d'interférences de mesure est déplacé à l'aide du compensateur optique 8 dans le plan de la fente de sortie suivant la double flèche X d'une quantité correspondante.PUis, au cours de la phase suivante, on déplace la fente de sortie 13 suivant la double flèche Y afin d'égaliser les intensités des faisceaux lumineux I et III (ou II et IV). Les faisceaux lumineux partiels qui ne sont chaque fois pas concernés par le réglage des faisceaux sur des intensités égales, effectué en plusieurs phases, doivent évidemment être occultés. L'interféromètre à deux rayons suivant l'invention permet de déceler encore des déplacements du système de franges d'interférences de mesure correspondant à des différences d'indice de réfraction de 2 . 10-9. Il peut donc etre avantageusement utilisé, par exemple dans des comparateurs optiques de haute précision, en tant que réfractomètre à air ou pour déterminer des indices de réfraction ou des concentrations en cas de mélanges gazeux ou de liquides s'écoulant de manière continue par une cuve. REVEKDICk2IOUS 1. Interféromètre à deux rayons destiné à déterminer les indices de réfraction de substances à étudier ou leur variation dans le temps et comprenant un parcours de rayon partiel contenant la substance à étudier et un autre parcours de rayon partiel contenant la substance de référence, des organes optiques pour former un système de franges d'interférences de mesure et un système de franges d'interférences de référence dans le plan d'une fente de sortie, un récepteur placé en aval de la fente de sortie et permettant de mesurer le déplacement relatif que le système de franges d'interférences de mesure présente par rapport au système de franges d'interférences de référence fixe du fait que les deux parcours de rayon partiels sont influencés différemment et un compensateur optique pour déplacer les deux systèmes de franges d'interférences l'un par rapport à l'autre, caractérisé en ce que sur le parcours de rayon entre la fente de sortie et le récepteur est disposé un prisme diviseur servant à scinder la lumière des maximums d'ordre zéro des systèmes de franges d'interférences chaque fois en deux faisceaux lumineux partiels séparés et dont nt les faces en forme de toit sont tournées vers la fente de sortie de telle sorte que l'arête séparatrice s'étendant parallèlement à la direction des franges des systèmes d'interférences se situe dans le plan de la fente de sortie, en ee qu'il se trouve sur le parcours de rayon optique, à la suite du prisme diviseur, un modulateur qui permet alternativement à un faisceaux lumineux partiel issu du système de franges d'interfé- rences de mesure et à un faisceau lumineux partiel diamétralement opposé au premier'faisceau et issu du système de franges d'interférences de référence d'atteindre le récepteur pendant que les deux autres faisceaux lumineux partiels sont occultés et en ce qu'il est prévu des organes de réglage électriques connus qui, lorsque les signaux électriques du récepteur présentent des niveaux inégaux par suite de différences de marche entre les deux parcours de rayon partiels, modifient la position du compensateur optique sur le parcours de rayon de telle sorte que la différence de marche produite par la substance à étudier et la substance de référence se trouve à'nouveau annulée. 2. Interféromètre à deux rayons suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les faces en forme de toit du prisme diviseur sont recouvertes d'une couche opaque, laquelle laisse subsister une fente libre qui enferme l'arête séparatrice et dont la largeur est approximativement égale à la demi-largeur du maximum d'ordre zéro des systèmes de franges d'interférences. 3. Interféromètre à deux rayons suivant la revendica -tion 1, caractérisé en ce que le modulateur est réalisé sous la forme d'un cylindre creux tournant autour de son axe longitudinal et dont la paroi cylindrique présente un certain nombre d'ouvertures rectangulaires formant diaphragmes de même grandeur qui sont disposées en deux rangées parallèles et s'étendent sur toute la périphérie cylindrique, la largeur des parties cylindriques laissées intactes entre des ouvertures voisines formant diaphragmes étant partout la même et en outre supérieure à la largeur de l'ouverture formant diaphragme et les ouvertures formant diaphragmes de l'une des deux rangées étant décalées.par rapport à celles de l'autre rangée de sorte qu'il se trouve chaque fois en regard d'une ouverture formant diaphragme d'une rangée une partie cylindrique laissée intacte de l'autre rangée. 4. Interféromètre à deux rayons suivant la revendication 1, caractérisé en ce que pour permettre de commander le compensateur optique, il est prévu un amplificateur différentiel qui, en présence de signaux de récepteur de niveaux différents, produit une tension continue qui règle le compensateur par l'intermédiaire d'un servomoteur, le parcours de déplacement du compensateur servant à mesurer des différences d'indice de réfraction entre la substance à étudier et la substance de référence.