Brevet FR2381320A1 — publié le 19780915

La présente invention a pour objet un appareil de mesure optique à distance. Elle trouve une application notamment dans l'analyse par spectrométrie Raman des gaz ou des liquides a des fins de détection de polluants. On sait qu'une des méthodes les plus intéressantes pour détecter et doser a distance les corps polluants consiste à effectuer une spectrométrie a distance dudit corps en utilisant un appareil désigné généralement par "Lidar Raman, le terme "tidar" étant un achronyme dérivant de l'expression anglo-saxonne "Light Detection and Ranging" et le terme "Raman" indiquant que cet appareil est base sur le phénomene de diffusion du même nom. De façon générale, un tel appareil comprend une source de rayonnement optique (constituée généralement par un laser), un télescope monté sur un chassies mobile permettant la visée en site et en azimut, ce télescope recueillant le rayonnement rétrodiffusé par le milieu a analyser et un spec tromètre (du genre monochromateur) qui permet de mesurer les intensités et la fréquence de la lumière rétrodiffusée et, par 1a mime, d'identifier et de doser les éléments constituant le milieu observé. Si le rayonnement émis par la source possède une fréquence F, on trouve, parmi les différents rayonnements rétrodiffusés par le milieu éclairé par la source, des rayonnements aux fréquences F + f. Le spectromètre est conçu pour la mesure de la fréquence f dont la valeur permet d'identifier les corps en présence. Des tables ont, en effet, été dressées, qui établissent la correspondance entre le décalage en fréquence et la structure moléculaire. Dans la plupart des appareils utilisés dans cette application, la source de rayonnement, le télescope et le spectromètre sont solidaires sur un meme châssis de façon a obtenir un couplage optique permanent. Or, lorsqu'on désire effectuer une analyse fine à grande distance, il est nécessaire d'utiliser, d'une part, une source puissante de rayonnement lumineux, qui est donc lourde et encombrante, et, d'autre part, un monochromateur de très haute performance, qui est également lourd et qui nécessite des réglages délicats ; le montage des différents organes sur un même châssis et la mise en mouvement de l'ensemble posent alors davantage de problèmes, et l'appareil risque de souffrir de déréglages fréquents. La présente invention a justement pour objet un appareil qui évite ces inconvénients, notamment en ce que la partie mobile de l'appareil est de poids et d'encombrement plus faibles que dans l'art antérieur et en ce que les diffF- rents réglages optiques qu'il nécessite sont simples donc moins sujets aux déréglages. Ce but est atteint selon l'invention en disposant la source de rayonnement et le spectromètre a poste fixe ; le télescope reste monté sur le châssis mobile, lequel comprend alors des moyens de couplage optique entre les parties fixes et les parties mobiles. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un appareil de mesure optique a distance, comprenant une source de rayonnement optique, un télescope monté sur un chassies mobile en site et en azimut et un récepteur, caractérisé en ce que ladite source et ledit récepteur sont fixes, le chassies mobile comprenant des miroirs de renvoi aptes a coupler optiquement le télescope et le récepteur et a diriger le rayonnement de la source dans une direction sensiblement parallèle a l'axe du télescope. Dans le cas du "Lidar Raman le récepteur est un spectromètre, par exemple un monochromateur. De préférence, les miroirs du chassies mobile sont solidaires d'une monture en forme de croix a deux branches, l'une a axe vertical et l'autre à axe horizontal, les deux branches étant munies de moyens permettant leur rotation autour de leur axe, un premier couple de miroirs antiparallèles étant montés aux extrémités de la branche horizontale et inclinés à 450 sur l'axe de cette branche et un second couple de miroirs parallèles et solidaires étant montés à l'intersection des axes des deux branches verticale et horizontale et inclinés a 450 sur les axes de ces branches. Cette définition de l'invention ne s'applique pas uniquement a des appareils du type "Lidar Raman4,, mais plus généralement a tout appareil de mesure optique à distance, qu'il s'agisse d'appareils pour la mesure de la distance d'un objet (télémètres), ou d'appareils pour détecter la présence d'un objet ou mesurer sa vitesse de déplacement (Radar optique). Ce n'est donc qu'à titre explicatif que la description qui suit se réfère à un appareil de spectrométrie optique a distance. Cette description donne, à titre non limitatif, des exemples de réalisation de l'invention et se réfère à des figures annexées sur lesquelles - la figure 1 représente un appareil de l'art antérieur à émetteur et récepteur mobiles - la figure 2 illustre la structure des moyens de couplage optique entre les parties fixes et les parties mobiles dans un appareil selon la présente invention - la figure 3 représente un mode de réalisation particulier des moyens de couplage entre la branche verticale du châssis mobile, la source et le récepteur fixes - la figure 4 représente un mode de réalisation particulier des moyens de liaison entre la branche horizontale du châssis mobile, le télescope et les moyens pour diriger le rayonnement vers la cible - la figure 5 représente une vue d'ensemble de l'appareil selon l'invention. La structure générale d'un appareil de spectrométrie optique à distance selon l'art antérieur est représentée sur la figure 1. Cet appareil comprend une source 2 de rayonnement lumineux, (par exemple un laser émettant dans l'ultra-violet), un télescope de réception 4 et un spectromètre 6. La source 2, le télescope 4 et le spectromètre 6 sont montés sur un châssis mobile 8 constitué par une armature mobile autour d'un axe vertical 10 et d'un axe horizontal 12. L'ensemble est monté sur un socle 14. L'alimentation en énergie et le traitement des informations sont assurés par un ensemble 18. Ainsi qu'il a été exposé plus haut, un tel appareil fonctionne convenablement tant que les moyens d'émission et de réception sont d'encombrement et de poids raisonnables ; mais il n'en est plus de même lorsque lon doit utiliser des appareils lourds et délicats à mettre en oeuvre. L'invention remédie à cet inconvénient en proposant un appareil dans lequel la source et le récepteur (qui, dans le cas du "Lidar Raman", est un spectromètre) sont fixes et disposés comme il est représenté schématiquement sur la figure 2. Sur cette figure, la source porte la référence 20 et le spectromètre la référence 24. Le châssis mobile 26 comprend quatre miroirs (ou-prismes) de renvoi désignés respectivement par M1, M2, M3, M4 Le miroir M1 est disposé à 45 sur lthorizontale et est mobile autour de la verticale ; le miroir M2, qui lui fait face, est lui aussi disposé 450 sur l'horizontale ( une correction de parallaxe près, comme on le verra mieux par la suite) et il est mobile autour d'un axe horizontal.Ce premier couple de miroirs permet de diriger le rayonnement émis par la source 20 vers la cible à analyser Cette source peut émettre son rayonnement directement sur le miroir M1, si elle est disposée verticalement ; mais il est généralement plus avantageux de disposer la source horizontalement et d'utiliser un miroir fixe de renvoi 28 incliné à 450 en renvoyant le rayonnement à la verticale sur le miroir M1. Le troisième miroir M3 est disposé parallèlement au miroir M1 et il en est solidaire ; il peut donc tourner également autour de la verticale ; le quatrième miroir M4 est disposé à 450 sur l'horizontale, il est antiparallèle au mi roir M et en est solidaire. Il est solidaire également du 2 télescope dont il définit l'orientation de l'axe de pointage. Ce second couple de miroirs M3M4 permet de diriger le rayonnement capté par le télescope vers le spectromètre 24 Ce spectromètre peut autre disposé verticalement au-dessus du miroir M3, mais il est plus avantageux de le disposer horizontalement et d'utiliser un miroir fixe de renvoi 30 disposé à 450 sur la verticale. La fonction remplie par cet ensemble de miroirs est claire : le rayonnement issu de la source 20 est dirigé convenablement vers l'objet à analyser gracie aux miroirs 28 (fixes) et M1 et M2 (mobiles), la visée s'effectuant en azimut par rotation du miroir M1 autour de la verticale et en site par rotation du miroir M2 autour de l'horizontale. Comme le miroir M3 est solidaire de M1 et le miroir M4 solidaire de M2, le télescope se trouve convenablement orienté pour recevoir le rayonnement rétrodiffusé par l'objet. Les miroirs M3, M4 (mobiles) et 30 (fixes) dirigent convenablement le rayonnement reçu par le télescope vers le spectromètre 24 Les figures 3 et 4 représentent un mode de réalisation particulier du chas8is mobile permettant de remplir les fonctions décrites a propos de la figure 2.Dans le mode de réalisation, illustré sur ces figures, les miroirs M1, M2, M3, M4 sont solidaires d'une monture en forme de croix a deux branches, l'une a axe vertical et l'autre à axe horizontal. La figure 3 représente en détail la structure de la branche verticale et la figure 4 celle de la branche horizontale. Selon le mode de réalisation illustré sur la figure 3, la branche verticale comprend un tube vertical 32 qui peut tourner autour de son axe vertical 34 grace à des paliers 36 et 38 montés sur un b ti fixe 40. A l'intérieur de ce tube sont disposés les deux miroirs M1 et M3 qui, dans la variante illus trée, sont constitués par des prismes 42 et 44 à reflexion totale.Pour faciliter la compréhension du fonctionnement de cette partie du dispositif, les places respectives occupées par la source de rayonnement 46 et par le spectromètre 48 sont indiquées dans le cas où source et spectromètre sont tous deux en position horizontale, ce qui entrain l'utilisation des miroirs de renvoi fixes 28 et 30 qui, dans la variante illustrée sont eux aussi constitués de prismes fixes å réflexion totale respectivement 50 et 52 Le tube 32 possède dans sa partie médiane, deux embouts tubulaires 54 et 56 qui supportent la branche horizontale de l'armature en forme de croix, ainsi qu'il est représenté sur la figure 4 Cette branche horizontale est constituée d'un tube horizontal 58 en deux parties disposées de part et d'autre du tube vertical 32.Ces deux parties peuvent tourner autour de leur axe horitontal grâce à deux paliers 60 et 62 Les deux parties du tube horizontal 58 sont rendues solidaires en rotation par tout moyen approprié et notamment par une commande mécanique, qui dans l'exemple illustré par la figure 4, est un ensemble de deux roues dentées 64 et 66 entralnées par deux vis sans fin 68 et 70 commandées par un même organe non représenté, qui peut être du type manuel ou automatique, à commande locale ou à distance A l'une des extrémités du tube horizontal 58, est disposée une bride 72 permettant la fixation du télescope 74. Le miroir de renvoi M4 qui est solidaire de la branche horizontale, et, par conséquent, du télescope 74, est lui aussi constitué avantageusement par un prisme 76 à réflexion totale. A l'autre extrémité de la branche horizontale est disposé le miroir de renvoi M2 qui est, lui aussi, constitué avantageusement par un prisme 78 à réflexion totale Ce prisme peut être orienté autour d'un axe perpendiculaire au plan de la figure pour effectuer une correction de parallaxe A cette fin, il est prévu un moyen de réglage 80, par exemple du genre à vis graduée en fonction de la distance de la cible a analyser, commandable manuellement ou automatiquement. Par la double rotation autour de l'axe vertical du tube 32 et autour de l'axe horizontal du tube 58, il est possible d'effectuer une visée dans n'importe quelle direction. En pratique, les paliers 36 et 38 sont conçus pour qu'il soit possible d'effectuer une rotation de 1800 autour de l'axe vertical (visée en azimut) alors qu'il suffit en général que les paliers 60 et 62 permettent une rotation de 900 autour de l'axe horizontal (réglage en sites On observera que dans un tel mode de réalisation du châssis mobile, la longueur des trajets optiques et le paral lépisme (ou l'antiparallélisme) des pièces optiques mobiles sont conservés quelle que soit la position des deux branches l'une par rapport à l'autre La figure 5 représente une vue d'ensemble de l'appareil qui, par comparaison avec celle de la figure 1, permet de mieux apprécier l'originalité de la présente invention Sur cette figure, la source 90 est disposée horizontalement à la partie inférieure de l'appareil et le spectromètre 92, lui aussi horizontal, à la partie supérieure Un support fixe 94 supporte le chassis mobile qui comprend un tube vertical 96, mobile en rotation autour de son axe et permettant le réglage en azimut, et un tube horizontal 98 mobile en rotation autour de son axe et qui permet le réglage en site Le télescope 100 est fixe à liune des extrémités du tube horizontal et les moyens de réglage de parallaxe 102 à l'autre extrémité du tube. Bien qu'une grande variété de télescopes, de spectromètres et de sources lumineuses puissent être utilisés dans le cadre de la présente invention, on peut indiquer à titre explicatif, que le demandeur à réalisé un appareil "Lidar Raman" selon l'invention avec les moyens suivants, qui semblent être avantageux - le télescope est du type Cassegrain, il a un diamètre de 60 cm, une focale de 2,80 m et une ouverture de F/4,7. Il est équipé d'un dispositif de mise au point par déplacement du miroir secondaire.Le montage de l'invention ne nécessite pas l'orientation centrale du miroir principal puisque le faisceau lumineux de réception est renvoyé à 11 extérieur du télescope dans une direction faisant un angle de 900 avec l'axe de pointage La longueur du tube du télescope est d'environ 1,50 m Son poids est de tordre de 100 à 200 kg. - le spectromètre est un monochromateur du type Czerny-Turner équipé de deux réseaux holographiques Sa distance focale est de 60 cm, son ouverture de F/4,7. Son poids est de 75 kg environ, La détection se fait à l'aide d'un photomultiplica teur Le signal de détection peut être enregistré sur un oscilloscope à mémoire et traité par un analyseur multicanaux. - la source lumineuse est un laser du type YAG associé à un multiplicateur de tréquence (doubleur, tripleur ou quadru pleur) Le laser et son équipement optique sont thermostatés. Le laser fonctionne en impulsions, à la cadence de 0,5 Hz par exemple A 1064 nm, il délivre 2000 mJ en 7ns ; à 532 nm, il délivre 600 mJ en 6 ns et à 266 nm, il délivre 150 mJ en 5 ns. Pour plus de détails sur les appareils d'analyse par spectrométrie Raman, on pourra consulter par exemple la demande de brevet français nO 75 13950 déposée par le demandeur le 5 mai 1975 pour : "Dispositif d'analyse de gaz par spectrométrie Raman. REVENDICATIONS- 1 Appareil de mesure optique à distance, comprenant une source de rayonnement optique, un telescope monté sur un chassies mobile en site et en azimut et un récepteur caractérisé en ce que ladite source et ledit récepteur sont~fixesi le chassis mobile comprenant des miroirs de renvoi aptes à coupler optiquement le télescope et le récepteur et à diriger le rayonnement de la source dans une direction sensiblement parallèle à l'axe du télescope 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits miroirs du châssis mobile sont solidaires d'une monture en forme de croix à deux branches, l'une à axe vertical et l'autre à axe horizontal, les deux branches étant munies de moyens permettant Leur rotation autour de leur axe, un premier couple de miroirs antiparallèles et solidaires étant montés aux extrémitéç de la branche horizontale et inclinés à 450 sur l'axe de cette branche et un second couple de miroirs parallèles et solidaires étant montés à l'intersection des axes des deux branches verticale et horizontale et lncli- nés à 450 sur les axes de ces branches 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source est disposée horizontalement et est munie d'un miroir de renvoi fixe apte à diriger verticalement le rayonnement qu'elle émet sur l'un des miroirs de la branche verticale 4 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu il comprend en outre un miroir fixe apte à renvoyer le rayonnement provenant duun des miroirs de la branche verticale sur le récepteur qui est monté horizontalement 5 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le telescope est fixé à l'une des extrémités de la branche horizontale et a son axe de pointage perpendiculaire à l'axe de ladite branche 6 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'inclinaison du miroir de renvoi disposé à I'extré- mité de la branche horizontale opposée au télescope, est commandée par des moyens de réglage de parallaxe. 7 Appareil selon l'une quelconque-des revendications 2 à 6, caracterise en ce que les miroirs de renvoi sont constitués par des prismes à réflexion totale 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les deux prismes constituant les deux miroirs de la branche verticale sont accolés par leurs faces réfléchis- santes. 9. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la monture est formée de deux tubes a angle droit, les miroirs de renvoi étant disposés à l'intérieur desdits tubes. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur est un spectromètre, notamment un monochromateur.