Brevet FR2671872A1 — publié le 19920724

SPECTROPHOTOMETRE PORTATIF POUR L'ETUDE IN SITU DU SPECTRE D'ABSORPTION D'UNE SUBSTANCE. La présente invention concerne un spectrophotomètre por- tatif permettant d'étudier in situ le spectre d'absorption d'une substance, par exemple d'un liquide, dont on veut étudier la composition. On sait que les spectrophotomètres font habituellement intervenir un système optique dispersant, comprenant un collimateur constitué d'un objectif (de préférence un doublet achromatique) dont le foyer est muni d'une fente éclairée par la radiation à analyser Les ondes qui se propagent à la sortie de cet objectif sont envoyées sur un élément dispersif (prisme, réseau) qui les dévie différemment en fonction de leur longueur d'onde Les ondes planes ainsi déviées sont alors focalisées et don- nent ainsi, dans une zone de détection, une succession d'images de la source qui constitue le spectre de la radiation Ce spectre est ensuite analysé grâce à un sys- tème optoélectronique. Dans les spectrophotomètres actuels, les éléments disper- sifs sont habituellement constitués par des réseaux qui permettent d'obtenir des pouvoirs de résolution beaucoup plus élevés que les prismes. 2 - Très rapidement, le choix des concepteurs s'est porté sur les réseaux réflectif S de préférence aux réseaux trans- missif S dont le spectre est moins large et qui, du fait qu'ils sont traversés par la lumière, engendrent des aberrations Celles-ci résultent des défauts de précision et d'homogénéité de la matière traversée par la lumière et des propriétés d'absorption de cette matière. Dans le cas o ils sont concaves, ces réseaux présentent en outre l'avantage de pouvoir supprimer au moins l'un des deux objectifs utilisés dans le spectrophotomètre, à savoir: l'objectif utilisé pour rendre parallèles les rayons provenant de la source de rayonnement et/ou l'objectif servant à ramener à une distance finie les spectres de diffraction formés à l'infini. Il s'avère que ces spectrophotomètres à réseaux réflec- tifs qui sont d'excellents appareils de laboratoire ne conviennent pas bien à la réalisation d'appareils porta- tifs destinés à effectuer des analyses in situ, par exemple des analyses visant à déterminer la teneur de l'eau en certains polluants. En effet, le réseau réflectif, qui est habituellement réalisé par métallisation sous vide, est un élément coû- teux et très fragile, qui est très sensible à la pous- sière et à l'humidité et qui se dégrade très rapidement, notamment par oxydation, par corrosion ou par usure. En outre, ces spectrophotomètres utilisent des montages optoélectroniques utilisant un détecteur mobile apte à balayer le spectre qui est produit par le réseau Ces montages font donc appel à des dispositifs mécaniques de précision présentant une cinématique appropriée, ce qui est, par conséquent, peu compatible avec la conception d'un appareil portatif utilisable in situ dans des condi- tions difficiles. 3 - L'invention a donc plus particulièrement pour but de sup- primer ces inconvénients de manière à pouvoir réaliser un spectrophotomètre portatif, bon marché, mais cependant robuste et fiable, insensible à l'humidité ou à une atmo- sphère agressive ou corrosive et qui ne comporte pas de pièce en mouvement ni de surface réfléchissante sensible à la corrosion. A cet effet, elle part de la constatation que dans le cadre des analyses à effectuer in situ à l'aide d'un appareil portatif, par exemple la détection de certains éléments polluants dans l'eau, il n'était pas nécessaire de balayer une gamme de longueur d'onde aussi importante que celle d'un spectrophotomètre de laboratoire classique et, qu'en conséquence, il était possible de s'écarter de la conception classique des spectrophotomètres actuelle- ment utilisés. En conséquence, elle propose un spectrophotomètre dans lequel l'élément dispersif consiste en un doublet compor- tant un réseau transmissif plan accolé à une lentille focalisatrice, et qui comprend un système de détection statique optoélectronique faisant intervenir une multi- plicité de plages de détection disposées dans la zone de détection (qui couvre le lieu de formation des images engendrées par le doublet). Avantageusement, le système de détection pourra com- prendre un masque à fente disposé dans la susdite zone de détection et une multiplicité de cellules optoélectro- niques respectivement associées auxdites fentes. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec réfé- rence aux dessins annexés dans lesquels: 4 - La figure 1 est une représentation schématique d'un spectrophotomètre utilisant une lentille sphérique; La figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1, mais dans le cas o la zone focale utilisée de la lentille est sensiblement plane; La figure 3 est un diagramme représentant dans un plan XOY du lieu des focales pour un doublet à lentille sphérique du type de celui utilisé dans le spectrophotomètre représenté figure 1. Dans ces deux exemples, le spectrophotomètre fait inter- venir un puits de cuve 1 destiné à contenir le liquide dont on veut obtenir le spectre d'absorption et qui com- prend une paroi transparente Tl, T 2, en au moins deux emplacements opposés. Cette cuve 1 est éclairée par une source halogène S, par l'intermédiaire d'une lentille convergente Li conçue de manière à former l'image du filament de la source Si, au centre de la cuve 1 (à mi-distance entre les faces trans- parentes Il, I 2). Cette image est reproduite sur la fente d'entrée F d'un spectrographe grâce à une lentille focalisatrice L 2 pla- cée du côté de la face T 2 de la cuve 1. Ce spectrographe comprend essentiellement un doublet D composé d'une lentille collimatrice plan convexe L 3 acco- lée par sa surface plane à un réseau plan R de type transmissif, orienté de manière à ce que sa face gravée soit appliquée contre la lentille L 3 et soit donc proté- gée par celle-ci. - La lumière engendrée au niveau de la fente d'entrée F, par l'image lumineuse du filament de la source S, et focalisée par la lentille L 3, est déviée par le réseau R en fonction des longueurs d'ondes des rayonnements qui la compose. De ce fait, au lieu d'obtenir une image unique de la fente F, comme ce serait le cas si l'on supprimait le réseau R, on obtient une multiplicité d'images s'échelonnant en fonction des longueurs d'ondes dans une zone focale image Z, cette succession d'images consti- tuant le spectre que l'on veut analyser. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la lentille L 3 est de type plan/sphérique de sorte que la zone focale image (lieu des images de la fente F en fonction de la longueur d'onde) présente une forme incurvée. A titre indicatif, la figure 3 montre le tracé d'une zone focale d'un doublet D dont la lentille plan/sphérique en Crown présente un rayon de courbure de 32 mm et possède une épaisseur axiale de 3 mm, ce doublet étant placé à une distance de 95 mm de la lentille, avec une inclinai- son de 7,90 par rapport à l'axe optique. Sur cette figure, la courbe ovoïde Cl représente le lieu des focales de la lentille L 3 pour un indice de réfrac- tion moyen N = 600 (cercle de Rowland-courbe résultant de l'effet d'éclairement d'un composant optique circulaire hors de son axe de résolution et de la variation d'indice de réfraction du matériau de la lentille). La courbe C 2 représente, quant à elle, le lieu des images de la fente F pour des longueurs d'ondes de rayonnement comprises entre 400 et 800 nm. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la zone focale image est matérialisée par un masque à fentes M incurvé 6 - dont chacune des fentes fl, fn correspond à une raie du spectre à analyser Le rayonnement reçu par ces fentes fl, fn est canalisé par des fibres optiques 2 connec- tées à des photodiodes pl, Pn faisant partie d'un circuit électronique d'analyse A. Il est clair que l'invention ne se limite pas à cette seule solution. Ainsi, si on peut se contenter d'une large bande passante ( 10 nm ou plus), on peut, pour certaines dispositions géométriques, approximer la zone focale Z' à un plan (position géométrique du doublet, angle d'incidence des rayons lumineux). Dans ce cas, la zone focale Z' pourra être matérialisée par la surface sensible plane d'une barrette B de photo- diodes faisant partie du circuit électronique d'analyse A (figure 2). De même, il serait possible d'intercaler entre la fente F et le doublet D un objectif L 4 (en traits interrompus) pour collimater à l'infini l'image de la fente F, et de retourner le doublet D (réseau R situé du côté de l'objectif L 4), la lentille L'3 servant alors à amener les images déviées par le réseau dans la zone focale Z'. Comme précédemment mentionné, un avantage important des spectrophotomètres précédemment décrits consiste en ce qu'ils sont totalement statiques et ne comprennent aucune pièce en mouvement, de sorte que tous leurs composants optiques et optoélectroniques peuvent être logés dans une enceinte totalement étanche Par ailleurs, le réseau transmissif R se trouve protégé par la lentille L 3 à laquelle il se trouve accolé Les problèmes d'agression, de corrosion ou d'altération du fonctionnement en raison d'agents extérieurs ne se posent donc plus. En outre, la consommation énergétique du spectrophoto- mètre pourra être réduite de manière à accroître son autonomie, notamment en n'éclairant la source lumineuse S qu'au moment des mesures Dans ce cas, on procède à une mesure bichromatique en utilisant l'intensité d'une raie en tant qu'élément de référence pour mesurer l'intensité des raies spectrales recherchées. 8 - Revendications 1 Spectrophotomètre portatif permettant l'étude in situ du spectre d'absorption d'une substance et comprenant un élément optiquement dispersif qui dévie en fonction de leurs longueurs d'ondes des ondes prove- nant d'une source et ayant traversé ladite substance, de manière à constituer dans une zone de détection, une suc- cession d'images de la source qui constitue ledit spectre d'absorption, caractérisé en ce que l'élément optiquement dispersif consiste en un doublet (D) comportant un réseau transmis- sif (R) accolé à une lentille focalisatrice (L 3), et en ce qu'il comprend un système de détection statique opto- électronique comportant une multiplicité de plages de détection située dans ladite zone de détection (Z). 2 Spectrophotomètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de détection comprend un masque (M) à fentes (fl à fn) disposé dans la susdite zone de détection (Z) et une multiplicité de cellules optoélectroniques (Pl à Pn) respectivement associées aux- dites fentes (fl à fn). 3 Spectrophotomètre selon l'une des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que la lentille (L 3) du doublet (D) comprend une face sphérique, et en ce que, dans ce cas, le susdit masque (M) à fentes (fi à fn) est de forme incurvée. 4 Spectrophotomètre selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la liaison optique entre les sus- dites fentes (fi à fn) et les susdites cellules optoélec- troniques (Pl à Pn) est assurée par des fibres optiques ( 2). 9 Spectrophotomètre selon la revendication-1, caractérisé en ce que la position géométrique du doublet (D) et l'angle d'incidence des rayons lumineux incidents sur ce doublet sont calculés de manière à obtenir une zone de détection sensiblement plane, et en ce que cette zone de détection est matérialisée par la surface sen- sible d'une barrette (P) de photodiodes faisant partie d'un circuit électronique d'analyse. 6 Spectrophotomètre selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une cuve ( 1) éclairée par une source lumineuse (S) par l'intermédiaire d'une lentille convergente destinée à former l'image du fila- ment de la source (Sî) au centre de la cuve ( 1), en ce que cette image est reproduite sur une fente (F) grâce à une lentille focalisatrice (L 2), et en ce que le susdit doublet (D) est disposé dans l'axe de la fente (F), de manière à engendrer, dans une zone focale image (Z), une succession d'images de cette fente (F) qui constitue le spectre que l'on désire réaliser.