Brevet FR2595825A1 — publié le 19870918

La présente invention concerne un appareil de mesure de l'indice de réfraction d'un milieu homogène. Dans la présente description, on entend par "milieu homogène", tout milieu liquide, gazeux, pâteux ou pulvérulent dont les composants ou les constituants sont régulièrement et uniformément répartis en son sein et ne présentant pas de solutions de continuité apparentes dans un volume donné de ce milieu. L'appareil selon la présente invention fait appel aux propriétés optiques connues des fibres optiques, à savoir que l'angle d'acceptance d'un rayon incident est fonction, pour une fibre ayant un indice de réfraction à coeur donné (nu), de l'indice de réfraction (nG) du milieu ambiant dans lequel se trouve plongée ladite fibre, milieu ambiant dénommé ci-après "gaine". Ainsi, en prenant tout d'abord l'eau comme milieu ambiant, eau dont l'indice de réfraction connu est nE = 1,33, le demi-angle d'acceptance 8, donné par la relation connue (où nC > , nE) (avec nC = 1,52 comme indice de réfraction du verre) aura pour valeur : 9 = 470,4. Mais si la même fibre de verre se trouve dans un milieu différent de l'eau et d'indice de réfraction (n) également différent, l'angle d'acceptance de la fibre sera modifié et de sa valeur on pourra calculer l'indice recherché. Ainsi, pour un milieu ayant par exemple un indice nF = 1,4, le demi-angle d'acceptance e sera de 36". La fibre optique ne pourra donc plus véhiculer que les rayons faisant un angle, avec l'axe de propagation, inférieur ou au plus égal à 360. Cela veut dire que plus l'indice de réfraction de la gaine est élevé, par rapport à celui de l'eau tout en restant inférieur à nc, moins la fibre véhiculera de rayons lumineux quelle que soit leur intensité. On conçoit alors qu'après un étalonnage, on peut déduire l'indice de réfraction d'un milieu donné (dans lequel se trouve plongée une fibre optique) de la mesure du flux lumineux véhiculé par une fibre optique. La présente invention fournit donc un appareil de mesure de l'indice de réfraction d'un milieu homogène, essentiellement caractérisé par le fait qu'il comprend - Une source lumineuse - Un premier dispositif conçu pour concentrer les rayons lumineux émis par ladite source lumineuse et pour les canaliser et les diriger sur - Un moyen pour la propagation de pratiquement l'intégralité du flux lumineux émis par ledit premier dispositif de concentration des rayons lumineux, moyen combiné à - Une fibre optique destinée à être mise au contact intime du milieu dont on recherche l'indice de réfraction et munie à son extrémité libre d'un moyen de réflexion du flux lumineux - Un second dispositif conçu pour collecter la quasi-totalité du flux lumineux provenant dudit moyen de réflexion pour le concentrer et l'acheminer vers un moyen de détection et de mesure de ce flux. Suivant d'autres caractéristiques avantageuses - Le premier dispositif, conçu pour concentrer le flux lumineux émis par la source lumineuse et pour la canaliser et la diriger sur le moyen de propagation et sur la fibre optique,comprend au moins un concentrateur de radiations multidirectionnel non imageur comprenant en prolongement d'une fibre optique de section constante, un premier cône de directrices et génératrices appropriées et défini par une interface de réflexion avec un second cône dit "noyau" situé à l'intérieur de ce premier cône dit "entonnoir", la distance des deux interfaces étant sensiblement constante et les radiations étant confinées pour se propager dans l'entonnoir - Le second dispositif, conçu pour collecter la quasi-totalité du flux lumineux en provenance du premier dispositif après réflexion sur le moyen prévu à cet effet à l'extrémité de la fibre optique devant être mise au contact intime du milieu dont on recherche l'indice de réfraction, est également du même type concentrateur multidirectionnel que celui entrant dans la constitution du premier dispositif - La fibre optique destinée à être mise au contact du milieu dont on recherche l'indice de réfraction ou à être "gainée " par ce milieu est de diamètreégal, supérieur ou inférieur à celui des fibres optiques prévues en prolongement desdits premier et second dispositifs concentrateurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre faite en regard de la figure unique annexée représentant schématiquement un appareil conforme à l'invention. Cette description est faite en expliquant en même temps le rôle et la fonction de chacun des éléments essentiels constitutifs de cet appareil Ce dernier comporte une source (S) située à l'intérieur d'une enceinte (E) appropriée. La lumière émise par cette source est concentrée à l'aide d'un concentrateur de radiations multidirectionnel non imageur (CMS) sur la face d'entrée FE d'une fibre optique (FOS). Ce concentrateur peut avantageusement être, par exemple, du type des concentrateurs décrits dans le brevet français nO 84.10386 c'est-à-dire comprenant, en prolongement de ladite fibre optique (FOs) de section constante, un premier cône (C1) - dit entonnoir - de directrices et génératrices appropriées et défini par une interface de réflexion (1) pouvant être obtenue par une couche réfléchissante sur un support (ou par un autre moyen approprié) et au moins un deuxième cône (C2) - dit noyau - situé à l'intérieur du premier cône, la distance entre les deux interfaces (1,2) étant sensiblement constante. Avec une telle réalisation, les radiations sont confinées pour se propager dans l'entonnoir puis dans la fibre optique (FOS) qui le prolonge (comme expliqué dans le brevet rappelé ci-dessus). Une cellule photoélectrique CS, destinée à capter les rayons réfléchis par la face d'entrée (FC) du concentrateur, peut être prévue pour permettre de contrôler, de façon connue en soi, la stabilité du flux lumineux émis par la source (S). La fibre (FOS) en prolongement de l'entonnoir (C1) se trouve constituer en quelque sorte une source lumineuse pour un secteur privilégié d'un concentrateur (CMR) du même type que celui décrit précédemment et comportant ses deux cônes (C3-C4) et dont le prolongement de l'entonnoir est constitué par une fibre optique (FOR) de section constante. Son diamètre peut être égal, supérieur ou inférieur à celui de la fibre FOS. Cette fibre FOR est destinée à être plongée dans le milieu (M) dont on désire déterminer l'indice de réfraction. Le degré de pénétration dans ce milieu est fonction de la hauteur (H) gainée par ce milieu. De préférence, la longueur (H) sera suffisamment grande par rapport au diamètre de la fibre (FOR) (au moins dix fois) pour que ne soient véhiculés que les rayons lumineux compatibles avec son angle d'acceptance (déterminé comme on l'a vu précédemment par les indices de coeur (nc) et de gaine (nu)). Cette fibre FOR se termine par un miroir (R). La lumière acheminée depuis la source (S) (flèches fl) est donc réfléchie à ce niveau et "monte" dans la fibre'(rOR) (flèches f2) puis dans le volume libre du concentrateur multidirectionnel (CMR). Une petite partie de ce flux "remontant" retourne par la fibre FOS (flèches f3) à la source S, dans le rapport des surfaces de la section de la fibre FOS et de la face d'entrée du concentrateur CMR. Un autre concentrateur multidirectionnel (CMD) de même type structurel-que les précédents (avec ses entonnoir et noyau C5-C6) est avantageusement prévu pour acheminer ce flux "remontant" (flèches f2). Sa face d'entrée est confondue avec celle du concentrateur précédent (CMR). Il collecte ainsi la quasi-totalité de ce flux et il le concentre dans sa fibre de prolongement (FOD) à l'extrémité de laquelle on dispose un détecteur approprié, de préférence un détecteur photoélectrique (CD). La fibre FOR, terminée par son miroir constitue ainsi un réfractomètre. Ce miroir peut, bien entendu, être remplacé par un diffuseur, par exemple, malgré les risques possibles d'une perte de sensibilité et d'une augmentation des phénomènes de "bruit". Il va de soi que les concentrateurs multidirectionnels utilisés devront avoir le même angle d'acceptance que la fibre FOR "non gainée". Ils pourront donc être avantageusement constitués dans la même matière appropriée. Un appareil selon l'invention pourra être appliqué à tout milieu homogène liquide, gazeux, pâteux ou pulvérulent, à la condition que la pénétration dans ledit milieu se traduise par un "gainage" uniforme , régulier et homogène. Bien entendu, la précision de la mesure dépendra d'une part de l'indice de coeur nC et d'autre part de l'amplitude de variation de l'indice à mesurer. A titre d'exemple, l'appareil selon l'invention peut servir à déterminer le degré de maturité d'un fruit ou d'un légume grâce à la détermination de l'indice de réfraction du jus qu'il contient. Ainsi, par exemple, pour un fruit dont le degré de maturité peut être apprécié en fonction de la teneur en sucre de son jus, on a Pu suivre l'évolution suivante en prenant l'eau comme référence, c'est-à-dire FOR gainée à l'eau puis par les jus sucrés d'un fruit dans lequel est enfoncée la fibre FOR. Soit n eau = 1,33 au départ puis nF = valeurs figurant au tableau ci-après avec nC = 1,52 et la valeur du flux lumineux 0 = 1 dans le cas de la gaine d'eau. TABLEAU nF= n G O degrés qui 0 flux lumineux rapporté I a 1 1,33 , 47,4 : 1 1,35 : 44,3 ; 0,79 1,37 ' 41,2 1 0,64 1,39 37,9 ' 0,51 1,41 : 34,6 ' 0,39 A partir de ces valeurs, l'homme de l'art pourra, soit établir ses propres courbes, soit se reporter à des abaques donnant les taux de sucres correspondants. On pourra de même déterminer différents paramètres à partir des indices de réfractions correspondants tels que concentrations en un produit donné de solutions, suspensions, poudres, atmosphères gazeuses, etc. On comprendra aisément que,dans le cas pris ici comme exemple de la pénétration d'un fruit, la fibre FOR de l'appareil selon l'invention devra présenter un diamètre aussi faible que possible, à l'instar d'une aiguille ou d'un dard, donc beaucoup plus petit que celui des fibres FOS ou FOD. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre purement explicatif et nullement limitatif et que toutes modifications utiles pourront y être apportées sans sortir de son cadre. RE:vEEDICATIS 1. Appareil de mesure de l'indice de réfraction d'un milieu homogène, caractérisé par le fait qu'il comprend - Une source lumineuse (S) - Un premier dispositif (CMS) conçu pour concentrer les rayons lumineux émis par ladite source lumineuse et pour les canaliser et les diriger sur - Un moyen (FOS-CMR) pour la propagation de pratiquement l'intégralité du flux lumineux émis par ledit premier dispositif de concentration des rayons lumineux, moyen combiné à - Une fibre optique (FOR) destinée à être mise au contact intime du milieu (M) dont on recherche l'indice de réfraction et munie à son extrémité libre d'un moyen de réflexion (R) du flux lumineux - Un second dispositif (CMR-CMD) conçu pour collecter la quasi-totalité du flux lumineux provenant dudit moyen de réflexion pour le concentrer et l'acheminer vers un moyen de détection (CD) et de mesure de ce flux. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier dispositif, conçu pour concentrer le flux lumineux émis par la source lumineuse et pour la canaliser et la diriger sur le moyen de propagation et sur la fibre optique, comprend au moins un concentrateur de radiations multidirectionnel non imageur (CMS) comprenant en prolongement d'une fibre optique (FOS) de section constante, un premier cône (C1) de directrices et génératrices appropriées et défini par une interface de réflexion avec un second cône dit "noyau" (C2) située l'intérieur de ce premiers cône dit "entonnoir", la distance des deux interfaces étant sensiblement constante et les radiations étant confinées pour se propager dans l'entonnoir. 3. Appareil selon les revendications'1 et 2, caractérisé en ce que le second dispositif (CMD), conçu pour collecter la quasi-totalité du flux lumineux en provenance du premier dispositif après réflexion sur le moyen (R) prévu à cet effet à l'extrémité de la fibre optique (FOR) devant être mise au contact intime du milieu (M) dont on recherche l'indice de réfraction, est également du même type concentrateur multidirectionnel que celui entrant dans la constitution du premier dispositif. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fibre optique (FOR), destinée à être mise au contact du milieu (M) dont on recherche l'indice de réfraction ou à être "gainée" par ce milieu, est de diamètre égal, supérieur ou inférieur à celui des fibres optiques prévues en prolongement desdits premier et second dispositifs concentrateurs. 5. Application d'un appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 à la détermination d'une concentration d'un des constituants principaux d'un milieu homogène liquide, gazeux, pâteux ou pulvérulent. 6. Application selon la revendication 5 à la détermination de la maturité d'un fruit par la détermination de la teneur en sucre de son jus.