Brevet FR2514515A1 — publié le 19830415

SYSTEME OPTIQUE A REFLEX ION MULTIPLE La présente invention concerne le domaine des instruments optiques et plus particulièrement les systèmes optiques à réflexion multiple. La pi Rente invention peut être utilisée avec une efficacité particulière pour augmenter la sensibilité des mesures dans la spectrophotométrie d'absorption à infrarouges. L'invention peut également trouver son application dans les analyseurs des gaz optico-acoustiques rapides de haute précision sans emploi de l'appareillage spectral, en particulier pour la détermination quantitative de la pollution de l'atmosphère ce qui revêt une grande importance pour la protection de l'environnement. En outre, la présente invention peut être utilisée dans les réflectomètres à réflexion'multiple afin de mesurer avec une haute précision le facteur de réflexion des échantillons plats aux fables divergences angulaires des faisceaux lumineux. Cette dernière particularité intéresse beaucoup la technique des lasers et les installation à haute énergie. A l'heure actuelle, tout spectrophotomètre à infrarouges comporte un système optique à réflexion multiple à grand trajet optique afin d'étudier les gaz à triez faibles concentrations ou dont les bandes d'absorption sont très faibles. Ces systèmes peuvent être utilisés tant pour l'analyse qualitative que pour l'analyse quantitative. I1 existe un système optique à réflexion mul- tiple (Journal of the optical society of America, 1940, 30 , 338-342, S.D.Smith, L.R.Marehall) dans lequel le flux de rayonnement issu d'un illuminateur passe par un orifice d'entre du corps pour arriver sur un objectif à miroir installé de façon à pouvoir tourner autour de l'axe du flux de rayon nement,après quoi il atteint un ensemble d ' images intermédiaires de la source de rayonnement de l'il luminateur qui renvoie le flux de rayonnement de nouveau sur l'objectif à miroir qui s'y ré'fléchit et, au dernier cycle du trajet du rayonnement, quitte le système à travers un orifice de sortie du corps. Dans ce système, l'ensemble des images intermédiai- res de la source de rayonnement de l'illuminateur comporte deux miroirs plats disposes sous un angle l'un par rapport à l'autre. Dans ledit système, à la focalisation dee images intermédiaires de la source de rayonnement de l'illu- minateur, on n'obtient pas sur les surfaces plates des miroirs la convergence des faisceaux extrêmeqce qui provoque la dispersion d'une partie notable de rayonnement,en cas de passages multiples,qui ne vient pas dans l'objectif à miroir (on observe un effet de lucarne des faisceaux inclines). L'invention vise à fournir un système optique à réflexion multiple dont l'ensemble des images intermédiairez de la source de rayonnement de l'illuminateur est réalisé de façon à élever la transmission du système et à simplifier le réglage du nombre de réflexions. du flux de rayonnement. Le problème est résolu à l'aide d'un système optique à réflexion multiple dans lequel le flux de rayonnement issu d'un illuminateur passe par un ori flce d'entrée d'un corps pour arriver sur un objectif à miroir installé de façon à pouvoir tourner autour de l'axe du flux de rayonnement, atteint un ensemble d ' images intermédiaires de la source de rayonnement de l'illuminateur qui renvoie le flux de rayonnement de nouveau sur l'objectif à miroir, qui 'y réfléchit et, au dernier cycle du trajet du rayonnement, quitte le système à travers un orifice de sortie du corps, ledit système optique étant,conformément à l'invention, caractérisé en ce que l'ensemble des images intermédiaires de la source de rayonnement de l'illuminateur est réalisé sous la forme d'un système de champ composite qui comporte deux miroirs a courbure différente installés de façon que les angles d'incidence du flux de rayonnement sur le miroir à la courbure de surface la plus grande sont inférieurs aux angles d'incidence du faisceau de rayonnement sur le miroir la courbure la moins grande. On peut réaliser ce système de champ avec un miroir plat et un miroir concave. On peut aussi réaliser le système composite avec deux miroirs concaves. Afin de changer le régime de fonctionnement du système optique à réflexion multiple, on peut placer sur la marche du flux de rayonnement un échantillon pour mesurer le facteur de réflexion spéculaire de sa surface plate, fixé dans le support, alors qu'au moment de mesure l'objectif à miroir est tourné autour de l'axe suivant un arc de façon que le flux de rayonnement tombe à tour de rôle sur l'objectif à miroir et sur le système de champ composite et directement dans l'orifice ce de sortie au dernier cycle du trajet. I1 est utile, en ce cas, de tourner l'objectif à miroir autour de l'axe suivant un arc à l'aide d'un levier mobile installé coaxialement au support de l'échantillon, l'objectif à miroir étant placé sur un bout de ce levier. La présente invention permet de supprimer l'effet de lucarne des faisceaux lunineux inclinés dans le flux de rayonnement pour n'importe quel nombre de passages de ce flux de rayonnement dans le système, ce qui améliore la transmission du système et réduit la dépendance de la transmission vis-à-vis du nombre de passages. Cette invention simplifie également le réglage du nombre de passages du flux de rayonnement ce qui élève la précision du réglage du système pour un nombre donné de passages. En outre, cette invention permet d'élever la précision de mesure du facteur de réflexion des échantillons plats à faible encombrement. L'invention ressortira de la description ultérieure des exemples de son exécution schématisés sur les dessins annexés dont - la figure 1 représente une vue d'ensemble en coupe longitudinale d'un système optique à réflexion multiple avec six passages du flux de rayonnement, où le système de champ composite comporte un miroir plat et un miroir concave, conformément à l'invention - la figure 2 représente la coupe II-II de la figure 1, conformément à 11 invention - la figure 3 représente la coupe III-III de la figure 1, conformément à l'invention - la figure 4 représente une vue avant d'un système de champ composite d'un système optique à réflexion multiple à dix passages du flux de rayonnement avec quatre images intermédiaires de la source de rayonnement d'un illuminateur, conformément à l'invention ; ; - la figure 5 représente une coupe longitudinale d'un système à réflexion multiple à six passages du flux de rayonnement, où le système de champ composite comporte deux miroirs concaves, conformément à l'invention ; - la figure 6 représente la vue d'ensemble d'un système optique à réflexion multiple en régime de réflectomètre lors de l'ajustage, conformément à l'invention - la figure 7 représente la vue d'ensemble d'un système optique à réflexion multiple en régime de réflectomètre, au moment de mesure du facteur de réflexion de la surface plane de l'échantillon,conformément à l'invention. En tant qu'exemple, on examine ci-après un système optique à réflexion multiple de mesure à six passages du flux de rayonnement. Dans le système optique à réflexion multiple, le flux de rayonnement 1 (fig. l) issu d'un illuminateur 2 passe à travers un orifice d'entrée 3 (fig. 1, 2) pratiqué dans le couvercle 4 d'un corps 5 et arrive sur un objectif à miroir 6 (fig. 1,3). L'objectif 6 est installé sur le trajet du flux 1 et est fixé à un support 7 pouvant tourner autour d'un axe 8 sur un support 9. Le support 7 porte fixée une latte 10. Sur la latte 10 s'appuie une vis 11 pour régler le nombre de passages du flux 1, la vis traversant le couvercle 12 du corps 5.-Le réglage se fait en tournant un tambour 13 immobilisé sur la vis 1 1. La position de la latte 10 est fixée par une lame ressort 14 fixéé au couvercle 12. Sur le trajet du flux 1 réfléchi sur l'objectif 6, est installé un système de champ composite 15 (fig. 1, 2). Le système de champ composite 15 comporte deux miroirs de courbure différente dont l'un est un miroir plat 16 et l'autre, un miroir concave 17. Les miroirs 16 et 17 sont disposés de façon que les angles d'incidence du flux 1 sur le miroir concave 17 est inférieur aux angles d'incidence du flux 1 sur le miroir plat 16. Les miroirs 16 et 17 sont immobilisés dans un support 18 fixé au couvercle 4. Le couvercle 4 comporte au-dessus de l'ori- fice d'entrée 3 un orifice de sortie 19 par lequel le flux 1 quitte le système durant le dernier cycle de passage. Les orifices 3 et 19 comportent des filtres transparents pour le flux de rayonnement 1 donné. L'objectif 6 forme sur la surface du miroir 17 deux images intermédiaires 21 et 22 de la source de rayonnement (non montrée sur le dessin) de l'illuminateur 2 disposées d'une façon Jvm.étrique par rapport à un centre de courbure 23 de l'objectif 6. En cas de dix passages du flux de rayonnement 1, sur le système de chamn composite 15 (figures 1, 4), se trouvent formées par l'objectif à miroir 6 quatre images intermédiaires 24, 25, 26, 27 de la source de rayonnement de l'illuminateur 2, sur le miroir 17 du système de champ 15. Le centre de courbure 28 de l'objectif 6 est disposé entre les images 25 et 26. Suivant une autre variante d'exécution du système optique à réflexion multiple, le système de champ composite 15 (fig. 5) comporte deux miroirs concaves 29 et 30 de courbure différente installés dans un support 31 fixé au couvercle 4. Les miroirs 29 et 30 sont dis posé s par rapport au flux de rayonnement 1 de façon que les angles d'incidence du flux 1 sur le miroir 29 à plus grande courbure de surface soient inférieurs aux angles d'incidence du flux 1 sur le miroir 30. Suivant une autre variante d'exécution du sys tème optique à réflexion multiple à six passages du flux de rayonnement 1 (figures 6 et 7) fonctionnant en régime de réflectomètre, l'objectif à miroir 31 est mobile sur une extrémité d'un levier 32 dont l'autre ex trémité est placée sur un axe central 33. L'axe 33 est immobilisé dans une embase 34. Le support 18 du système de champ 15 est placé sur un bâti 35 rigidement fixé sur l'axe 33 au-dessus du levier 32. Sur le trajet du flux 1 passant par un orifice 36 d'une membrane 37 (le corps n'est pas montré) est installé, sur l'axe 33, un support rotatif 38 pour recevoir un échantillon 39 (fig. 7) pour mesurer le facteur de réflexion de sa surface plane (non montrée sur le dessin). La membrane 37 (fig. 6, 7) est placée sur le bâti 35. Le bâti 35 comporte une échelle 40 avec divisions angulaires, alors que le support 38 et le levier 32 respectivement sont munis d'index 41 et 42 des divisions angulaires. Après la mise de l'échantillon 39 (figure 7) dans le support 38, on tourne l'objectif 31 à l'aide du levier 32 suivant un arc de façon que le flux 1 réfléchi de l'échantillon 39 tombe à tour de rôle sur ltobjectif 31 et sur le système de champ composite 15 et, au dernier passage, directement dans un orifice de sortie 43 (figures 6, 7) de la membrane 37. Sur le miroir concave 17 sont montrées des images intermédiaires 44 et 45 de la source de rayonnement de l'illuminateur 2 (fig. 1). Le système optique à réflexion multiple en régime d' étude spectrométrique: de gaz,réglé sur six passages du flux de rayonnement,fonctionne de la façon suivante. Le corps 5 (fig.l) du système est rempli du gaz à étudier. Le flux de rayonnement 1 issu de l'illuminateur 2 passe par le filtre 20 de l'orifice d'entrée 3 et arrive sur l'objectif à miroir 6 qui forme l'image intermédiaire 21 (fig. 2) de la source de rayonnement de l'illuminateur 2 (fig. 1),après la réflexion sur le miroir plat 16, dans la partie supérieure du miroir concave 17 du système de champ composite 15. Après la réflexion sur les miroirs 16 et 17, le flux de rayonnement 1 divergeant est renvoyé vers l'objectif 6, s'y réfléchit et se focalise dans la partie inférieure du miroir concave 17 sous la forme de l'image intermédiaire 22 (fig. 2) de la source de rayonnement de l'illuminateur 2 (fig. 1) .Ensuite, le flux 1 se réfléchit sur le miroir plat 16,revient vers l'objectif 6, s'y réfléchit et dans le dernier cycle de passage quitte le systèmepar l'orifice de sortie 19. Lorsqu'on utilise le système de champ composite 15 avec deux miroiis concaves 29 et 30, il y a une certaine compensation des aberrations des images de la source de rayonnement de l'illuminateur 2. Le système fonctionne de la même façon que ci-dessus. Conformément à l'invention, le système de: champ composite 15 assure une conjugaison optique multiple de l'objectif à miroir 6 en supprimant ainsi l'effet de lucarne dans le systèm.e.Lors du déplacement du centre de courbure 28 (fig. 4) de l'objec- tir 6 (fig. 1) par sa rotation vers la ligne d'as semblage des miroirs 16 et 17 du système de champ com- posite 15, le nombre de passages dans le système croit. En cas de dix passages du flux de rayonnement 1 se forment à tour de rôle les images 24, 25, 26, 27 de la source de rayonnement de î'illuminateur 2 (fig. 1). Le système optique réflexion multiple à six passages du flux de rayonnement en régime de rdflectomètre fonctionne pour deux positions différentes de l'objectif 31 (fig. 6, 7) par rapport au système de champ composite 15 correspondant aux mesures avec et sans échantillon 39 (fig. 7). En position initiale de l'objectif 31 (fig. 6), c'est-à-dire sans échantillon, le réfléctomètre fonctionne de la même façon que ci-dessus Sur l'orifice de sortie 43 du système est prelevé un signal I du flux de rayonnement 1. Ensuite, on installe l'échantillon 39 (fig. 7), dont le facteur de réflexion de la surface plate est à déterminer, dans le support 38 et.on tourne l'objec- tif à miroir 31 à l'aide du levier 32 autour de l'axe central 33 de façon que le flux de rayonnement réfléchi sur l'échantillon 39 arrive vers l'objectif à miroir 31. La position de l'objectif 31 et de l'échantillon 39 est indiquée par les index 41 et 42 sur l'échelle 4 des divisions angulaires du bâti 35. Réfléchi sur l'objectif.à miroir 31, le flux de rayonnement l revient vers l'échantillon 39, s'y réfléchit et se dirige vers le système de champ composite 15 où se forment les images intermédiaires 44 et 45 de la source de rayonnement de l'illumina- teur. Ainsi, à chaque passage du flux de rayonnement 1 à travers le système à réflexion multiple il y a réflexion sur l'échantillon 39, alors que d'autres éléments du système optique participent également au travail. L'intensité I1 du signal I, à la mesure de la transmission à la sortie du système avec échantillon faiblit proportionnellement au facteur de réflexion R de l'échantillon en puissance égale au nombre de passages K du flux de rayonnement. Le facteur de réflexion R de l'échantillon 39 est déterminé à l'aide du rapport La présente invention permet en régime de re- flectomètre d'augmenter de K fois la précision des mesures du facteur de réflexion des échantillons plats de faible encombrement. REVENDICATIONS 1. Système optique à réflexion multiple dans lequel le flux de rayonnement (1) issu d'un illuminateur (2) passe par un orifice d'entrée (3) du corps (5) pour arriver sur un objectif à miroir (6) installé de façon à pouvoir tourner autour de l'axe du flux de rayonnement, atteint un ensemble d'images intermédiaires de la source de rayonnement de l'illuminateur qui renvoie le flux de rayonnement de nouveau sur l'objectif à miroir, qui s'y réfléchit et, au dernier cycle du trajet du rayonnement quitte le système à travers un orifice de sortie (9) du corps, caractérisé en ce que l'ensemble des images intermédiaires de la source de rayonnement de l'illuminateur est réalisé sous la forme d'un système de champ composite (15) qui comporte deux miroirs à courbure différente installés de façon que les angles d'incidence du flux de rayonnement sur le miroir à la courbure de surface la plus grande soient inférieurs aux angles d'incidence du flux de rayonnement sur le miroir à la courbure la moins grande. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de champ composite comporte un miroir plat (16) et un miroir concave (17). 3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de champ composite comporte deux miroirs concaves (29 et 30). 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en oe que sur la marche du flux de rayonnement est placé un échantillon (39) pour mesurer le facteur de réflexion de sa surface plane fixé dans un support (38), alors qu'au moment de la mesure l'objectif à miroir (31) est tourné autour de l'axe (33) suivant un arc de façon que le flux de rayonnement tombe à tour de rôle sur l'objectif à miroir et sur le système de champ composite et directement dans l'orifice de sortie au dernier cycle du trajet. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'objectif à miroir est tourné autour de l'axe suivant un arc à l'aide d'un levier mobile (32) installé coaxialement au support de l'échantillon, l'objectif à miroir (31) étant placé sur un bout de ce levier.