Brevet FR2450467A1 — publié le 19800926

La présente invention se rapporte à la construction d'instruments optiques et a notamment pour objet un système optique de réflexions multiples. La présente invention peut être utilisée avec le maximum d'avantages dans la spectrophotométrie infrarouge. Outre cela, l'invention peut trouver des applications dans les analyseurs de gaz optiques pour l'analyse rapide de mélanges gazeux complexes, en particulier pour la détermination quantitative de la pollution de l'atmosphèreç ce qui est très important du point de vue de la protection du milieu environnant. A l'heure actuelle, pour augmenter la sensibilité desmesures d'absorption en spectrophotométrie, on utilise les passages multiples du rayonnement à travers une couche absorbante. A cet effet on utilise diverses combinaisons de miroirs transférant le flux lumineux à travers le milieu absorbant avec des pertes peu importantes. Le domaine d'utilisation des dispositifs à miroirs de réflexions multiples est très large, allant des installations uniques, fonctionnant à des températures élevées et servant à étudier les spectres de composés difficilement volatils, aux appareils spectraux fabriqués en série. A l'heure actuelle, tous les spectrophotomètres infrarouges comprennent des cuves à grande longueur du trajet optique pour ltétude de gaz contenus en faibles concentrations ou dont la bande d'absorption est très faible. De telles cuves peuvent lettre utilisées pour les analyses quantitatives aussi bien que qualitatives. On connait un système optique àplusieurs passes, comportant un objectif à miroir à distance focale F, d'un côté, et deux miroirs de champ disposés sous un angle l'un par rapport à l'autre et se trouvant du côté opposé, ainsi que des fentes d'entrée et de sortie adjacentes à eux. En tant que miroirs de champ on utilise des miroirs plans. L'objectif à miroir est disposé par rapport aux miroirs de champ, à une distance double de la distance focale. Dans ce système, lors de la focalisation des images intermédiaires de la fente d'entrée sur les surfaces planes, il ne se produit pas une contraction des faisceaux extrêmes, de sorte que lors des réflexions multiples une partie considérable du rayonnement est diffusée au-delà des faces de l'objectif à miroir (vignettage des faisceaux inclinés). On connait aussi un système optique de- réflexion multiple, comprenant des éléments de réflexion disposés mutuellement en regard et à l'un desquels sont adjacentes des'fentes d'entrée et de sortie, les autres éléments de réflexion étant constitués par deux miroirs concaves. L'élément de réflexion auquel sont adjacentes les fentes d'entrée et de sortie est lui aussi réalisé sous forme d'un miroir concave, les distances focales de tous les miroirs sont égales, tandis que la distance séparant les miroirs mutuellement en regard est de deux fois supérieure à leur distance focale. Ce système optique connu permet d'obtenir un système d'images conjuguées sur les surfaces de réflexion des miroirs. Par passage quadruple des rayons dans le système, le premier (dans le sens de passage des rayons) miroir concave transfère l'image de la fente d'entrée, éclairée par une source de lumière, sur la surface du miroir concave situé en regard. Ce miroir forme l'image du premier miroir concave sur un autre miroir concave qui lui est adjacent et qui transfère l'image intermédiaire de la fente d'entrée du miroir concave situé en regard,à la fente de sortie du système. Par variation de l'angle entre les miroirs concaves situés en face des fentes de sortie et d'entrée, on obtient dans le système un passage multiple (plus que quadruple) des rayons. Cependant, le moindre défaut d'alignement rend le système inapte au zfonctionnement. Etant donné que dans un tel système optique on utilise des miroirs concaves identiques situés en face des fentes, la force lumineuse du système, qui est fonction directe des dimensions géométriques du premier (dans le sens de passage du rayon ) miroir concave, n!est pas suffisante pour qu'il soit possible d'effectuer la plupart des études dans le domaine spectral infrarouge. Le but de l'invention est d'éliminer cet inconvénient. L'invention vise pour cela un système optique de réflexions multiples dans lequel les miroirs concaves disposés en face des fentes d'entrée et de sortie seraient conçus de façon à permettre d'augmenter la force lumineuse du système. Ce but est atteint du fait que dans un système optique de réflexions multiples, du type comprenant des éléments de réflexion, à l'un desquels sont adjacentes des fentes d'entrée et de sortie, les autres éléments étant constitués par deux miroirs concaves, seon l'invention les miroirs concaves ont des dimensions géométriques différentes, et 11 élément de réflexion auquel sont adjacentes les fentes est constitué par deux miroirs identiques constituant un groupe situé symétriquement par rapport à l'une des fentes, la distance séparant ledit groupe de miroirs identiques desdits miroirs concaves, ainsi que la distance focale du miroir concave de plus petites dimensions, étant d'environ 1,5 fois supérieures à la distance focale du miroir concave de plus grandes dimensions. Le système optique proposé permet d'obtenir une augmentation de la force lumineuse et une réduction de l'abérration. Le système optique permet d'obtenir une longueur du trajet optique de 1,5 fois supérieure à la longueur du trajet optique dans les cuves à passage fixé du rayonnement et de dimensions déterminées convenant aux spectrophotomètres infrarouges standard. La disposition rationnelle des miroirs permet d'utiliser, lors de la fabrication des cuves, des tubes cylindriques standard au lieu de chambres de configuration compliquée, ce qui est très important en cas de fonctionnement avec une pression excédentaire (par rapport à la pression atmosphérique) dans les cuves à gaz.Le système optique permet un remplissage maximal, par les. faisceaux-lumineux, de tout le diamètre de la cuve, et peut notre utilisé en tant que cuve à plusieurs passes universelle dans les divers spectrophotomètres infrarouges. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre dtun mode de réalisation donné uniquement à titre d'exemple non limitatif avec référence au dessin unique non limitatif annexé dans lequel - la figure 1 représente une cuve à réflexions multiples, vue en coupe longitudinale, selon l'invention - la figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure I - la figure 3 est une vue en coupe suivant III-III de la figure 1 . Le système optique de réflexions multiples conforme à l'invention va entre décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, dans le cas de son application à une cuve à réflexions multiples. La cuve à réflexions multiples comporte des éléments de réflexions situés mutuellement en regard (figure 1), à l'un desquels sont adjacentes des fentes d'entrée 1 et de sortie 2, les autres éléments étant constitués par deux miroirs concaves 3,4. Les miroirs concaves 3, 4 sont de dimensions géométriques différentes. Ainsi, dans le cas considéré, les dimensions géométriques du miroir concave 3 sont sensiblement supérieures aux dimensions correspondantes du miroir concave 4 dont la distance focale est d'environ 1,5 fois supérieure à la distance focale du miroir concave 3. Dans le cas considéré, les miroirs concaves 3,4 sont de forme sphérique, mais ils peuvent aussi avoir une forme asphérique.L'élément de réflexion auquel sont adjacentes les fentes d'entrée 1 et de sorti 2 consiste en deux miroirs plans identiques constituant un groupe de miroirs 5, 6disposés symétriquement par rapport à la fente de sortie 2. Pour compenser un astigmatisme insignifiant dans le système, il est possible de donner aux surfaces de réflexion des miroirs 5, 6 une forme spéciale, par exemple cylindrique ou torordale. Le centre géométrique du miroir concave 3 et le centre de la fente de sortie 2 sont situés sur une même droite, qui estl'axe optique du système. La distance entre le groupe de miroirs identiques S, 6 et les miroirs concaves 3, 4 est à peu près de 7,5 fois supérieure à la distance focale du miroir concave 3. Chacun des miroirs 3, 4, 5, 6 est fixé dans des montures 7, 8, 9, 10 et équipé d'un dispositif d'ajustement standard 11. Le système de miroirs 3, 4, 5, 6 est monté dans un corps étanche constitué par une partie cylindrique 12 et des couvercles 13 et 14. Les fenêtres 15, 16 sont disposées dans le couvercle 13, devant les fentes d'entrée et de sortie 1, 2. Les miroirs 5, 6 (figure 2) sont de forme rectangulaire et s'inscrivent dans le diamètre de la partie cylindrique 12 du corps. Les dimensions géométriques des fentes d'entrée 1 et de sortie 2 sont égales. Les miroirs concaves 3, 4 (figure 3) sont de forme rectangulaire et sont disposés dans le corps d'une façon optimale, c'est-à-dire que le miroir 3 s'inscrit entièrement dans le diamètre de la partie cylindrique 12 du corps, tandis que le miroir 4 occupe le reste de l'espace. La cuve à réflexions multiples fonctionne de la façon suivante. Les faisceaux provenant dlune source étendue en hauteur (non représentée sur le dessin) sont dirigés à travers la fenêtre 15 (figure 1) et la fente d'entrée 1, le miroir concave 3, et sont réfléchis par ce dernier vers le miroir plat 5 qui, à son tour, les dévie vers l'autre miroir concave 4. Le miroir concave 3 forme une image agrandie de la fente d'entrée 1 sur la surface du miroir concave 4. Celui-ci réfléchit ensuite les rayons vers le miroir plan 6, qui les dévie vers le miroir concave 3, sur lequel ils subissent une dernière réflexion pour être focalisés dans le plan de la fente de sortie 2 dans leur dimension initiale. A travers la fenêtre 16les rayons sortent de la cuve. Etant donné que le système optique est réversible, les rayons peuvent arriver dans la cuve à travers la fente 2 (figure 2) et sortir à travers la fente 1. Dans ce cas, le fonctionnement de la cuve reste le méme. Le miroir concave 4 (figure 3) assure une coUncidence exacte de image réfléchie par le miroir concave 3 sur luimême, de sorte que les rayons ne diffusent pas en dehors des faces du miroir concave 3. Ainsi, on évite un vignettage des faisceaux inclinés. Le fait que, dans la cuve, le miroir concave 3 s'inscrive entièrement dans le diamètre de la partie cylindrique 12 du corps, assure une utilisation maximale de la force lumineuse. Les particularités de construction de la cuve optique à réflexions multiples conforme à l'invention permettent un réglage simple et fiable des miroirs 3, 4, 5, 6 par des opérations séparées effectuées successivement. Il en résulte que les petits défauts d'ajustement n'influent que faiblement sur la stabilité du fonctionnement du système. Ainsi, le système optique de réflexions multiples proposé permet d'augmenter la force d'intensité lumineuse obtenueJde réduire les aberrations, de simplifier l'ajustement et d'augmenter la stabilité du fonctionnement des miroirs. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Système optique de réflexions multiples comportant des éléments de réflexion disposés mutuellement en regard, à l'un desquels sont adjacentes des fentes d'entrée et de sortie, les autres éléments de réflexion étant constitués par deux miroirs concaves, caractérisé en ce que les miroirs concaves sont de dimensions géométriques différentes, que l'élément de réflexion auquel sont adjacentes les fentes est constitué de deux miroirs identiques formant un groupe disposé symétriquement par rapport à lune desdites fentes, la distance séparant ledit groupe de miroirs identiques desdits miroirs concaves, ainsi que la distancé focale du miroir concave deaplus faibles dimensions, étant d'environ 1,5 fois supérieures à la distance focale du miroir concave de plus grandes dimensions. 2. Dispositif optique, notamment cuve à réflexions multiples pour spectrophotométrie, caractérisé en ce qutil comporte application du système optique faisant l'objet de la revendication 1.