Brevet FR2294441A1 — publié le 19760709

L'invention a pour objet un réfractomètre à réflexion totale. Pour mesurer les indices de réfraction de substances, en par ticulier liquides, ou bien certaines grandeurs caractéristiques qui varient de la même façon que l'indice de réfraction, on connait depuis longtemps des appareils appelés réfractomètres et dont le fonctionnement est basé sur itobservation de la direction limite de réflexion totale. De tels appareils comprennent un prisme de référence d'indice N comportant une face plane d'entrée de lumière, une face de mesure au contact de laquelle on place l'échantillon d'indice n inférieur à N, et une face plane de sortie.Les rayons incidents se propageant dans le prisme et tombant sur la face de mesure sous une incidence supérieure à l'angle limite L (compté à partir de la normale, et défini par la relation sin L = ) sont réfléchis totalement, les autres partiellement. la transition est assez brutale pour définir dans le prisme et à l'extérieur une limite de séparation nette entre une plage claire et une plage sombre lies appareils classiques comprennent un moyen de visée, généralement une lunette qui permet d'observer cette limite de séparation des deux plages. la position angulaire de la lunette peut donner une mesure de l'angle limite, et par conséquent du rapport des indices.Mais on peut aussi, par collisation, superposer à la zone observée l'image d'une échelle renvoyée à l'infini et qui peut indiquer, soit directement l'indice mesuré, soit toute autre grandeur proportionnelle à l'indice de réfraction, comme par exemple le degré de concentration d'une solution. On doit donc associer au prisme de référence un dispositif optique, qui, m8me s'il est rudimentaire, reste assez fragile et cob- teux. L'invention a pour objet un nouveau réfractomètre particulièrement simple et de ce fait économique et robuste. Belon l'invention le moyen de visée est un collimateur réalisé dans le bloe même du prisme de référence. A cet effet, le collimateur comprend une face sphérique dont le plan focal objet est symétrique de la face plane d'entrée par rapport à la face de référence, et sur laquelle est ménagée une facette plane de petite dimension constituant la face de sortie, l'échel- le de mesure étant placée directement au contact de la face plane d'entrée. De la sorte, l'échelle graduée est vue à l'infini au travers du dioptre sphérique, et définit donc des directions de visée. Toujours selon l'invention la juxtaposition de la surface plane de sortie du prisme de référence et la surface convexe du collimateur est réalisée de façon suffisante pour que l'oeil de l'ob er- vateur puisse capter à la fois les rayons passant par l'une et l'autre face et voir ainsi superposées la direction limite de réflexion totale due à l'échantillon et les graduations de l'é- chelle qui servent à la repérer. L'invention va maintenant être décrite en se référant à un mode de réalisation particulier, donné à titre d'exemple et représenté sur les dessins annexés. La figure 1 est une vue schématique du prisme de référence. la figure 2 est une vue de face selon II.II figure 1. La figure 3 est une vue en coupe d'un exemple de réalisation de l'appareil. Le prisme 1, en tant que prisme de référence, comprend une face d1 entrée 2, une face de mesure 3 sur laquelle on applique l'échantillon, et une facette plane de sortie 4, derrière laquelle l'observateur place l'oeil. Ltaxe 61 représente la direction moyenne des limites de r4- fléxion totale prévues pour l'appareil et passant par le centre de la facette 40 L'axe 21 est la direction incidente qui lui correspond avant réflexion, faisant le m8me angle L avec la normale à la face de mesure 3. La face d'entrée 2 est le plus généralement plane et perpendiculaire à l'axe 21. La facette 4 est plane et le plus généralement perpendiculaire à l'axe 61. Le colliffiateur est cnnstitué par le meme prisme I comprenant une faé 2 pouvant recevoir une dchelle gradtiée, une face 3 de réflexion, et un dioptre sphérique convexe 6 venant se raccorder à la facette 4.Le dioptre 6 a son centre de courbure sur l'axe 61 et un rayon de courbure tel que son foyer se trouve,après ré flexion,sur la face 2. Si-B est le point du dioptre sphérique situé sur l'axe 61, M le point d'intersection des axes 61 et 21 avec la face 3, A le point de la face 2 situé sur l'axe 21, AN * NS a d, le rayon de courbure de la face 6 sera déterminé par la relation R = d ###, N étant l'indice du prisme 1. La face de sortie 4 est limitée à une facette dont le diamètre sera généralement inférieur au diamètre de la pupille de 11 oeil, compte tenu du fait que la mesure se fera par observation à travers les faces 4 et 6 Par conséquent la pupille de ltoeil recouvrira à la fois la facette de sortie 4 et une partie de la face sphérique 6, comme on l'a représenté sur la figure 2 où la pupille de l'observateur est représentée en pointillés. Ainsi, à travers la facette 4, on verra la limite de séparation de la lumière entrée par la face 2 et réfléchie sur la face de référence. En même temps, par la fane sphérique 6, l'observateur verra l'image rejetée à l'infini de tout objet placé sur la face 2, comme par exemple un micromètre. L'angle de réflexion limite sur la face de référence, sera le meme pour les rayons visuels passant à travers la facette 4 et la face sphérique 6. Ainsi, l'observateur verra tout le secteur utile du micromètre sur lequel sera superposées une plage d'ombre et une plage éclairée séparées par une limite ivette très légèrement courbe. On pourra donc faire directement la mesure, soit de l'indice, soit de toute autre grandeur liée à l'indice n selon la nature de l'échel- le placée sur la face 2. Dans la pratique, on choisira d'abord l'angle moyen de réfle xion limite L en fonction de la valeur moyenne de l'indice n à mesurer et de l'indice N, lui m & e déterminé en fonction de la plage de valeurs que peut prendre n. On se fixera alors les positions des faces d'entrée et de sortie du prisme compte tenu de 11 encombrement permis, et on calculera le rayon R à donner à la face sphérique par la formule indiquée plus haut. La facette plane 4 pourra être obtenue par collage sur la surface sphérique 6 d'une lentille plan concave de meme rayon, ou bien par arasement du dioptre sphérique. De préférence, l'ensemble du prisme sera obtenu par moulage dans une matière présentant les caractéristiques optiques convenables, en particulier d'indice et de dispersion avec les produits à mesurer. Le micromètre, ou, plus généralement ltéchelle de mesure, pourra être gravé directement sur la face d'entrée du bloc ou sur une pièce distincte en contact avec elle. Dans le premier cas, l'instrument est monobloc et par conséquent indéréglable. Le second mode de réalisation peut faciliter la réalisation de l'échelle, et la fixation de celle-ci sur la face d'entrée peut être obtenue par tout moyen, par exemple par un simple collage. Ma ligure 3 donne un exemple d'un mode de réalisation pratique - de l'appareil. On voit que le prisme de référence 1 est monté sur une poignée 7. Pour faciliter la mise en place de l'échantillon à mesurer, le prisme 1 est monté pivotant sur la poignée 7 autour d'un axe 8 et est prolongé par une partie 9 permettant de faire pivoter le prisme autour de son axe8,contre l'action d'un ressort de rappel 10 qui ramène la face de référence 3 du prisme contre une face 11 ménagée sur la poignée 7, et sur laquelle est posée une goutte de l'échantillon à mesurer. Une butée 12 permet de maintenir un espacement entre les faces 3 et 11, et une rainure 13, ménagée autour de la face 11, sert à évacuer la partie en excédent de l'échantillon posée sur la face 11. Dans l'exemple représenté, I'échelle est gravée sur une face dépolie 14 qui peut coulisser par exemple dans des rainures latérales ménagées sur le prisme 1 de part et d'autre de la face d'entrée 2 pour le réglage avant immobilisation définitive. L'appareil qui vient dgêtre décrit se compose donc d'un très petit nombre de pièces de réalisation facile et il est donc économique. De plus, étant donné sa constitution, il est absolument indéréglable et très robuste, La simplicité du système optique fait que le pointé s'effectue au grossissement de 1 (l'échelle seule est grossie sans augmentation de l'encombrement total). Il en résulte qu'on ne pourra pas demander à ce genre d'appareil une très grande précision de mesure des indices. Ceci ne constitue cependant pas un inconvénient dans un certain nombre d'utilisations, par exemple dans l'industrie alimentaire ou la mécanique, où la précision de la mesure est moins recherchée que le faible coût de appareil et sa robustesso. Bien entendu, l'invention ne- se limite pas aux détails du mode de réalisation qui vient dtetre décrit, mais elle en tnklobe au contraire toutes les variantes. On pourrait en effet imaginer bien des systèmes équivalents. Ainsi, pour compenser les différences de dispersion optique entre l'échantillon et le prisme de référence, la facette de sortie pourrait ne pas être tout à fait perpendiculaire à la direction moyenne des limites de reflexion totale. On notera d'autre part que la lumière ne subit dans l'appareil décrit qu'une réflexion sur la face de référence entre la face d'entrée et la face de sortie, mais il est bien évident que pour donner une autre forme à l'appareil, on pourrait Btre amené à prévoir plusieurs réflexions à l'axe du collimateur sans que le principe soit changé. kBRENDICATI0NX 1 - Eéfractomètre à réflexion totale comprenant un prisme de réfé- rence d'indice N muni d'une face plane d'entrée de lumière, d'une face de référence sur laquelle peut titre placé un corps d'indice n à mesurer, et d'une face plane de sortie de la lumiè- re réfléchie sur la face de référence, et un moyen de visée si multanée à l'infini d'une échelle de mesure et de la limite de séparation du faisceau de lumière réfléchi totalement sur le corps d'indice n, caractérisé par le fait que le moyen de visée est un collimateur réalisé dans le bloc même du prisme de réfé rence. 2 - Réfractomètre selon la revendication t caractérisé par le fait que le collimateur comprend une face sphérique dont le plan focal objet est symétrique de la face plane d'entrée par rapport 9 la face de référence, et sur laquelle est ménagée une facette plane de petite dimension constituant la face de sortie, 1 'é- chelle de mesure étant placée directement au contact de la face plane d'entrée. 3 - Réfractomètre selon la revendication 1. caractérisé par le fait d'entrée que la race plane / rait avec la race ae reierence un angle sen- siblement égal à l'angle limite de réfraction sur la dite face de référence pour la valeur moyenne de l'indice n à mesurer, com pte tenu de l'indice J du prisme 4 - Réfractomètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la facette de sortie a un diamètre au plus égal à celui de la pupille de l'oeil de l'obsevvateur. 5 - Réfractomètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la facette de sortie est sensiblement perpendiculaire à la direction limite de réflexion totale pour la valeur moyenne de l'indice n à mesurer. 6 - Réfractomètre selon la revendication 1, caractdrisd par le fait que la facette de sortie est obtenue par arasement de la face sphérique. 7 - Réfractonètre selon la revendication j, caractérisé par le fait que la facette de sortie est constituée par la face plane d 'une lentille plan concave dont la face concave a le même rayon que la face sphérique et est collée sur celle-ci. 8 - Réfractomètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est constitué d'un prisme obtenu par moulage. 9 - Réfractomètre selon la revendication 1 caractérisé par le fait que l'échelle est gravée directement sur la face plane d'entrée. 10 - Réfractomètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'échelle est gravée sur une pièce amovible munie d'un moyen de fixation sur la face plane d'entrée.