Brevet FR2632723A1 — publié le 19891215

SYSTEME DE DETECTION POUR PHOTOMETRE. Description La présente invention a pour objet un système de détection pour photomètre. Elle s'applique notamment à la mesure de coefficient de réflexion ou de transmission d'un échantiLlon placé dans Le photomètre. De manière connue, iL existe deux principaux types de photomètres. Le premier type est principalement utilisé par les chimistes pour la mesure du coefficient d'absorption d'échantiilons. Il comprend une source- émettant un faisceau lumineux. Ce faisceau est divisé en deux parties, une de ces parties traverse un échan tillon témoin servant de référence, L'autre traverse L'échantilLon. Un système de miroirs tournants ou d'obturateur périodique permet la mesure des intensités transmises apres traversées des chantillons par L'une et L'autre parties de ce faisceau, alternativement. Cette mesure est effectuée par un détecteur unique. Le quotient des signaux délivrés par ce détecteur et correspondant aux intensités transmises par L'échantillon de référence et par l'échantillon à étudier est ensuite effectué, dans le but d'éliminer le bruit engendré par les variations d'intensité du faisceau lumineux. Cette mesure ne permet que la détermination du coefficient de transmission de L'echanti-Llon à étudier. D'autre part, - ce type de photomètre ne permet pas la translation et la rotation de L'échantillon ; la mesure est effectuée en un seul point. On trouve une descripiton de teLs photomètres connus dans la notice réalisée par la Société Pye Unicam se rapportant au modèle Unicam SP 1800 ou encore dans le bulletin GR-7761 réalisé par la Société Beckman se rapportant à la série de spectrophotomètres UD-50. Le second type connu de photomètre trouve son utilisation principale dans la mesure des coefficients de transmission et/ou de réflexion de pièces optiques traitées. Il comprend une source émettant un faisceau lumineux ; cette source peut être un système de lasers différentes dont les faisceaux à des Longueurs d'onde différentes sont superposés pour ne former qu'un faisceau principal par exemple. Les longueurs d'onde sont sélectionnées les unes après les autres pour effectuer des mesures. Un dispositif optique approprié permet à t'utilisateur de choisir et de faire varier la polarisation du faisceau lumineux. Le faisceau principal est séparé en un faisceau de référence et un faisceau de mesure. L'intensité du faisceau de référence est mesurée par un premier détecteur. Le faisceau de mesure traverse l'échantillon à étudier fixé sur un support. L'intensité transmise après traversée de l'échantillon à étudier est mesuree par un second détecteur. Ce type de photomètre permet aussi la mesure de L'intensité réfLéchie sur l'Xchantillon. Pour ce faire le second détecteur est placé sur le trajet du faisceau réfléchi par l'échantillon. Les signaux délivrés par les deux détecteurs sont divisés en temps réel l'un par l'autre, ainsi le bruit sur la mesure dû aux fluctuations d'intensité du faisceau laser principal est éliminé. Le signal issu de la division est traite par un ordinateur de manière à donner soit le coefficient de transmission, soit le coefficient de réflexion selon le cas. Dans un tel photomètre connu, l'échantilLon peut être déplacé par translation dans un plan devant le faisceau Lumineux, de manière à tester L'échantillon en plusieurs points. D'autre part, le faisceau peut effectuer une rotation dans un plan perpendiculaire au pLan de l'échantillon et suivant un axe situé dans Le plan de L'échantilLon de manière à obtenir Les coefficients de transmission et de réflexion sous diverses incidences. Ainsi, il peut être fait une cartograp-hie compLète à plusieurs Longueurs d'onde ainsi qu'à des polarisations différentes des coefficients de transmision et de réflexion de pièces optiques de grandes dimensions (miroirs pour Laser de 1 m de diamètre par exemple > . Ce type de photomètre a été décrit au cours de La conférence sur la fabrication de pièces pour L'optique qui s'est tenu å Anaheim, Californie du 9 au 11 décembre 1981, par N.L Thomas et aL. du Lawrence Livermore Laboratory. IL présente certains inconvénients. Dans ce type de photomètre connu, Les détecteurs sont sensibles à La Longueur d'onde; on doit donc changer de détecteurs à chaque- changement de longueur d'onde, ce qui nécessite des manipulations et rend très complexe L'automatisation complète d'un processus de mesure commandé par ordinateur. Pour se départir d'éventuels signaux lumineux parasites, on moduLe le faisceau Lumineux principaL. Un dispositif électronique démoduLe Les signaux élec- triques déli-vrés par les détecteurs avant traitement (division, moyenne ...). Cette technique demande des détecteurs à réponse rapide. Des photodiodes sont utitisées en mode photoconducteur. ELles sont poLarisées à L'aide d'aLimentations Leur fournissant une tension de poLarisation. Afin d'éviter un échauffement engendrant des courants de fuite importants, ces photodiodes sont stabiLisées en température par des modules à effet Peltier. Ce type de détection sophistiquée donc complexe est difficile à mettre en oeuvre. Les détecteurs utiLisés ne présentent qu'une surface sensible de petite dimension. Les faisceaux de référence et de mesure n'atteignent pas directement les détecteurs : ils sont diffusés par un dispositif complexe permettant l'intégration de tout le flux lumineux par la surface sensible. Ce dispositif est représenté schématiquement en coupe sur la figure 1. Ce dispositif est composé d'un écran 10 blanc en acrylique qui casse la cohérence des faisceaux lasers et réduit le "speckle". Un élément diffusant 12 en forme de lentille positive plus épaisse au centre que sur les bords, recentre la lumière diffusée et compense les variations de sensibilité de la surface sensible 14 de la photodiode 16. La lumière recentrée est encore diffusée par un ensemble formé d'un déflecteur 20 et d'un diffuseur 22 placé devant la surface sensible 14. Un système mécanique 18 d'ajustement du positionnement des éléments diffusants permet d'obtenir des variations de signal électrique délivré par les photodiodes de + 0,1 % alors que le faisceau incident est déplacé de + 2 mm de la position centrale de la surface sensible 14 des photodiodes 16. Ce second type de photomètre permet des mesures de coefficients de transmission et de réflexion de pièces optiques de tailles importantes à une précision de + 0,1 X. Une cartog-raphie de la pièce peut être effectuée à diverses longueurs d'onde, diverses poLarisations et diverses incidences mais ceci au prix d'un système de détection complexe et difficile à mettre en oeuvre comprenant deux photodiodes stabilisées en température, un système de modulation synchrone, et un dispositif sophistiqué de diffusion de la lumière sur les photodiodes. De plus, un système de détection particulier doit être prévu pour chaque longueur d'onde. Ce sont ces inconvénients majeurs de ce type de photomètre que l'invention pallie. Cette dernière est bien sur adaptée aux besoins des chimistes dans les mesures de coefficients d'absorption. De manière plus prec-ise, L'invention concerne un photomètre permettant la mesure du coefficient de transmissiontréflexion d'un échantillon comprenant : - une source Lumineuse émettant un faisceau lumineux à au moins une longueur d'onde, et dans une direction de polarisation réglable à volonté, - des moyens pour focaliser ledit faisceau Lumineux, - des moyens pour- séparer ledit faisceau lumineux en un faisceau de référence et en un faisceau de mesure, - une densité optique apte à égaler ltinten- sité des faisceaux de référence et de mesure, - un support de l'échantillon apte à déplacer L'échantilton sur le trajet du faisceau de mesure, - un premier détecteur mesurant l'intensité du faisceau de référence, et délivrant un courant proportionnel à L'intensité du faisceau de référence sur une sortie S1, - un second détecteur mesurant l'intensité du faisceau de mesure transmise/réfléchie par L'échan- tillon, et délivrant un courant porportionnel à l'in- tensité du faisceau de mesure transmise/réfléchie par L'échantillon sur une sortie S2, - un premier convertisseur de courant en tension relié par une entrée EcI à la sortie S1 du premier détecteur et délivrant sur une sortie Sc1 une tension Vr proportionnelle au courant délivré sur la sortie S1 du premier détecteur, - un second convertisseur de courant en tension relié par une entrée Ec2 à la sortie S2 du second détecteur et délivrant sur une sortie Sc2 une tension Vm proportionnelle au courant délivré sur la sortie S2 du second détecteur, - un diviseur de tension relié par deux entrées Edl et Ed2 aux sorties Scl et Sc2 des premier et second convertisseurs de courant en tension respectivement, et délivrant sur une sortie Sd une tension Vd proportionnelle au quotient Vm/Vr, - des moyens de traitement de la tension Vd reliés par une entrée Et à la sortie Sd du diviseur de tension permettant de traiter les mesures effectuées, de calculer, de stocker, et de visualiser les résultats des mesures, caractérisé en ce que lespremier et second détecteurs sont identiques et composés chacun :: - d'une sphère diffusante munie d'une ouverture permettant l'introduction à l'intérieur de la sphère du faisceau lumineux dont l'intensité est à mesurer, - d'un élément photovoltaique délivrant sur une sortie S1 pour le premier détecteur, S2 pour le second détecteur) un courant proportionnel à l'in- tensité du faisceau lumineux introduit dans la sphère diffusante, cet élément étant fixé à l'intérieur de la sphère, - d'un écran diffusant fixé à l'intérieur de la sphère diffusante de manière à protéger L'élément photovoltaique de L'impact direct du faisceau lumineux introduit dans la sphère diffusante. Les éléments photovoltaSques utilisés dans l'invention sont sensibles à une bande spectrate large, on n'a donc pas besoin de les adapter à chaque nouvelle longueur d'onde du faisceau Lumineux. D'autre part, le fonctionnement en mode photovoltaique permet de s'affranchir de tout système de refroidissement puisqu'il n'ehgendre pas d'échauffement intempestif. Les sphères diffusantes réalisent simplement la diffusion du faisceau de référence et de mesure. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux apres la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1, déjà décrite et se rapportant à L'art antérieur représente schématiquement en coupe un dispositif de diffusion de faisceau Lumineux, - La figure 2 représente schématiquement un photomètre selon L'invention, - la figure 3 représente schématiquement un détecteur utilisé dans L'invention. La figure 2 représente schématiquement un photomètre selon l'invention. Ce photomètre comprend une source Lumineuse 30 émettant un faisceau Lumineux. Cette source Lumineuse 30 comprend un laser à VAG (émettant un faisceau à la longueur d'onde 1 060 nm) ou à YLiF4 (longueur d'onde 1 053 nm) et un laser à Argon ionisé (fournissant tes Longueurs d'onde 527 nm et 351 nm) par exemple. Cette source 30 comprend aussi un laser à HeNe qui permet l'alignement optique des différentes pièces composant le photvomètre. Les faisceaux sont rendus coaxiaux par un jeu de miroirs basculants ou de miroirs dichroiques. Des polariseurs (pour les Lasers non polarisés) ou des lames 'demi-onde"(pour les lasers polarisés) permettant le choix de la polarisation du faisceau issu de la source 30 grâce à des moyens méc-aniques 31 de réglage. Des moyens 32 pour focaliser, un systeme optique afocal par exemple, permettant de former sur L'échantillon 1 à tester une tache gaussienne d'environ 5 mm de diamètre. Le faisceau est séparé en un faisceau de référence et un faisceau de mesure par des moyens 34 de séparation, une lame prismatique en verre nu par exemple. Le faisceau de référence est envoyé sur un premier détecteur 40. Le faisceau de mesure est dirigé vers L'échantillon 1 via une densité optique 36 permettant d'égaler les intensités des faisceaux de référence et de mesure Le faisceau transmis/réfléchi par L'échantillon 1 est détecté par un second détecteur 42. La figure 3 représente schématiquement une coupe du second détecteur 42. Les deux détecteurs 40, 42 sont identiques. Le détecteur comporte une sphère diffusante 60, l'intérieur de la sphère est recouvert d'un matériau extrêmement diffusant, de La magnésie par exemple. On peut aussi utiliser de L'oxyde d'holmium ou d'erbium. La sphère est munie d'une ouverture 62 permettant l'introduction du faisceau à détecter. Un élément photovoltaique 64, une diode PIN 10 DP par exemple fabriquée par la société U.D.T., est fixé à l'intérieur de la sphère diffusante 60. Un écran diffusant 66 fixé à La sphère diffusante 60 est interposé entre le faisceau lumineux et L'élé- ment photovoltaique 64.Le faisceau lumineux après de multiples réfLexions et diffusions à l'intérieur de la sphère 60 vient frapper l'élément photovoltaique 64. Ce dernier déLivre alors un courant proportionnel à L'intensité du faisceau lumineux sur une sortie S2 (S1 dans le cas du premier détecteur 40). Un tel dispositif délivre un courant identique à 0,1 % près pour des écarts de centrage de + 2 mm par rapport au centre de l'ouverture 62. Le second détecteur 42 est placé sur un mouvement permettant un ajustement de la position du détecteur 42 pour rattraper de petites déviations dûes à L'épaisseur de l'échantilLon 1 si L'incidence est non nulle. Les détecteurs 40, 42 peuvent etre du type de ceux fabriqués par La société UDT sous Les références UDT 2525 pour La sphère diffusante 60 et UDT 221 pour le bloc récepteur. Comme on le voit sur La figure 2, les sorties S1 et S2 des détecteurs 40, 42 respectivement sont reliées aux entrées Ecl et Ec2 de convertisseurs de courant en tension 44, 46 respectivement. Ces convertisseurs 44, 46 comprennent chacun un préamplificateur. Le convertisseur 44 de la voie de référence délivre une tension Vr sur une sortie Suc1. Le convertisseur 46 de La voie de mesure délivre une tension Vm sur une sortie Sc2. Les sorties Sc1 et Sc2 du premier et du second convertisseurs 44, 46 respectivement, sont reLiées respectivement aux entrées Edl et Ed2 d'un diviseur de tension 48. Ce dernier délivre sur une sortie Sd une tension Vd proportionnel Le au quotient Vm/vr. Cette sortie Sd est reLiée à une entrée Et de moyens de traitement de La tension Vd 50. Ces moyens de traitement 50 comprennent un voltmètre couplé à un microordinateur par exemple. ILs permettent le stockage et la visualisation des paramètres mesurés. On peut par exemple visualiser sur un écran ou sur une copie papier de L'écran une cartographie de la transmission d'un échantillon pour une longueur d'onde, une polarisation et une incidence données. D'autre part, le microordinateur peut éventuellement commander et contrôler les déplacements du support 38, le choix de La longueur d'onde, de la polarisation et de l'incidence du faisceau de mesure sur L'échantillon 1. Un tel dispositif permet des mesures de coefficients de transmission et de réflexion de O à 100 % avec une précision absolue de 1/1000. Les variations de l'angle d'incidence peuvent aller de Oc à 650 en transmssion et de 50 à 650 en réflexion. La polarisation incidente est rectiligne, avec une orientation pouvant varier de O à 900 par rapport au plan d'incidence. IL suffit de rajouter d'autres lasers pour avoir accès à d'autres Longueurs d'onde que celles indiquées. Le dispositif selon l'invention permet de contrler des lames planes, à faces parallèles ou prismatiques, d'épaisseur maximale 150 mm et de diamètre comrpis entre 40 et 1 100 mm. Le balayage des échantillons à mesurer permet L'analyse des grandes pièces (plus de 200 mm de diamètre), ce balayage est débrayable pour l'analyse de petites pièces. Revendication Photomètre permettant La mesure du coeffi cient de transmission/réflexion d'un échantillon (1) comprenant -: - une source lumineuse (30) émettant un faisceau lumineux à au moins une longueur d'onde, et dans une direction de polarisation réglable à volonté, - des moyens (32) pour focaliser ledit faisceau lumineux, --des moyens (34) pour séparer ledit faisceau lumineux en un faisceau de référence et en un faisceau de mesure, - une densité optique (36) apte à égaler l'intensité des faisceaux de référence et de mesure, - un support (38) de L'échantillon (1) apte à déplacer de L'échantillon (1) sur le trajet du faisceau de mesure, - un premier détecteur (40 > mesurant l'inten sité du faisceau de référence, et délivrant un courant proportionnel à l'intensité du faisceau de référence sur une sortie S1, - un second détecteur (42) mesurant l'inten- sité du faisceau de mesure transmise/réfléchie par L'échantillon (1), et délivrant un courant porportionnel à L'intensité du faisceau de mesure transmise/ réfléchie par l'échantillon (1) s-ur une sortie S2, - un premier convertisséur de courant- en tension (44) relié par une entrée Ecl à la sortie S1 du premier détecteur et délivrant sur une sortie Scl une tension Vr proportionnelle au courant délivré sur la sortie S1 du premier détecteur (40), - un second convertisseur de courant en ;;tension (46) relié par une entrée Ec2 à la sortie S2 du second détecteur (42) et délivrant sur une sortie Sc2 une tension Vm proportionnelle au courant délivré sur la sortie S2 du second détecteur, - un diviseur de tension (48) relié par deux entrées Edl et Ed2 aux sorties Scl et Sc2 des premier et second convertisseurs de courant en tension (44, 46) respectivement, et délivrant sur une sortie Sd une tension Vd proportionnelle au quotient Vm/Vr, - des moyens de traitement de la tension Vd (50) reliés par une entrée Et à la sortie Sd du diviseur de tension (48) permettant de traiter Les mesures effectuées, de calculer, de stocker, et de visualiser les résultats des mesures, caractérisé en ce que les premier et second détecteurs (40, 42) sont identiques et composés chacun - d'une sphère diffusante (60) munie d'une ouverture (62) permettant l'introduction à l'intérieur de la sphère (60! du faisceau lumineux dont l'intensité est à mesurer, - d'un élément photovoltaique (64) délivrant sur une sortie S1 pour le premier détecteur, S2 pour le second détecteur) un courant proportionnel à l'intensité du faisceau lumineux introduit dans la sphère diffusante - d'un écran diffusant (66) fixé -à l'inté- rieur de la sphère diffusante (60) de manière à protéger L'élément photovoltaique (64) de l'impact direct du faisceau lumineux introduit dans la sphère diffusante (60 > .