Brevet FR2725273A1 — publié le 19960405

Appareil de mesure de spectres optiques La présente invention concerne un appareil de mesure de spectres optiques conçu pour mesurer les caractéristiques du spectre optique d'une source de lumière. On décrit ci-après un appareil classique de mesure de spectres optiques représenté sur la figure 4. L'appareil de la figure 4 comprend une source de lumière 1, une fente pour la lumière incidente, ou fente d'entrée, 2, un miroir à surface concave 3, un réseau de diffraction 4, un miroir à surface concave 5, une fente pour la lumière de sortie, ou fente de sortie, 6, un détecteur optique 7, un circuit d'amplification 8, un convertisseur analogique/numérique (CAN), ou numériseur, 9, un moteur 10, un circuit d'excitation 11, une section de commande 12 et une section d'affichage 13. La fente d'entrée 2, le miroir à surface concave 3, le réseau de diffraction 4, le miroir à surface concave 5 et la fente de sortie 6 forment un ensemble connu sous le nom de "spectroscope à dispersion du type Czerny-Turner". Dans cet exemple, un faisceau de lumière issu de la source de lumière 1 est incident sur la fente d'entrée 2. La lumière qui passe par la fente d'entrée 2 est convertie en un faisceau parallèle par le miroir à surface concave 3 et est incidente sur le réseau de diffraction 4. Une pluralité de rayures est formée sur la surface du réseau de diffraction 4. Il est pos- sible de faire tourner le réseau de diffraction 4 d'un angle arbitraire autour d'un axe parallèle à ces rayures au moyen du moteur 10. Le circuit d'excitation 11 change l'angle du réseau de diffraction 4 en commandant le moteur selon des instructions reçues de la section de commande 12. Du faisceau parallèle mentionné plus haut, le réseau de diffraction 4 ne réfléchit que la lumière diffractée d'une com- posante de longueur d'onde précise, déterminée par l'angle du réseau de diffraction 4, dans la direction du miroir à surface concave 5. Le miroir à surface concave 5 forme l'image de la 2 2725273 lumière diffractée sur la fente de sortie 6. Seules les compo- santes de longueur d'onde tombant dans la largeur de la fente de sortie 6 peuvent passer par cette fente de sortie 6. Le détecteur optique 7 reçoit la lumière passant par la fente de sortie 6 et convertit la lumière reçue en un signal électrique proportionnel à l'intensité de la lumière revue. Le circuit d'amplification 8 amplifie le signal de sortie du dé- tecteur optique 7 jusqu'à une tension appropriée pour l'appli- quer à l'entrée du convertisseur analogique/numérique 9. Le convertisseur analogique/numérique 9 convertit le signal de sortie du circuit d'amplification 8 en un signal numérique. La section de commande 12 fixe les longueurs d'onde qui passent par la fente de sortie 6 en envoyant des instructions au circuit d'excitation 11 pour changer l'angle du réseau de difraction 4, et reçoit l'intensité optique de la lumière de sortie sous la forme du signal de sortie du convertisseur ana- logique/numérique 9. La section de commande 12 balaie les lon- gueurs d'onde passant par la fente de sortie 6 d'une longueur d'onde de début de mesure à une longueur de fin de mesure et affiche les caractéristiques de longueur d'onde et d'intensité obtenues de manière répétitive sur l'écran de la section d'affichage 13 sous la forme d'un spectre optique. Cependant, avec cette constitution classique pour un appa- reil de mesure de spectres optiques, il est nécessaire d'arrê- ter le réseau de diffraction 4 à chaque point de mesure lorsque l'appareil balaie la longueur de passage par la fente de sortie 6, de la longueur d'onde de début de mesure à la longueur d'onde de fin de mesure. Par conséquent, il se pose un problème qui consiste en ce que lorsque le nombre de points de mesure augmente, il faut beaucoup de temps pour effectuer les mesures. L'invention a, par conséquent, pour but de fournir un ap- pareil de mesure de spectres optiques qui soit apte à effectuer des mesures très rapidement. Pour atteindre le but indiqué ci-dessus, l'invention four- nit un appareil de mesure de spectres optiques comprenant un réseau de diffraction, un moteur qui fait tourner ledit réseau de diffraction, un détecteur optique qui reçoit la lumière dif- fractée provenant dudit réseau de diffraction et convertit la lumière diffractée en signaux électriques, un convertisseur analogique/numérique qui convertit lesdits signaux électriques en signaux numériques, une section de commande qui fixe un angle de rotation dudit moteur et reçoit des valeurs dudit convertisseur analogique/numérique, un codeur connecté à l'axe de rotation dudit moteur, un compteur connecté à une extrémité de sortie dudit codeur, un registre qui mémorise une valeur fixée par ladite section de commande, et un comparateur qui fournit un signal de conversion analogique/numérique audit convertisseur analogique/numérique lorsque la valeur mémorisée dans ledit compteur et la valeur mémorisée dans ledit registre sont égales. Avec l'appareil de mesure de spectres optiques de l'in- vention, il est possible de faire des mesures très rapidement en effectuant les mesures tout en faisant tourner le réseau de diffraction d'une longueur d'onde de début de mesure à une lon- geur de fin de mesure à une vitesse constante. L'invention est décrite en détail ci-après en relation avec les dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique représentant la consti- tution d'un appareil de mesure de spectres optiques selon un premier mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 est un schéma synoptique représentant la consti- tution d'un appareil de mesure de spectres optiques selon un deuxième mode de réalisation de l'invention; - la figure 3 est un schéma de principe représentant un exemple de la constitution d'un circuit à retard utilisé dans le deuxième mode de réalisation de l'invention; et - la figure 4 est un schéma synoptique d'un appareil classique de mesure de spectres optiques. On décrit ci-après un appareil de mesure de spectres op- tiques selon le premier mode de réalisation de l'invention en relation avec la figure 1. Sur la figure 1, un codeur 14, un compteur 15, un registre 16 et un comparateur 17 sont ajoutés aux éléments représentés sur la figure 4. Comme cela est représenté sur la figure 1, le codeur 14 est connecté à l'axe de rotation du moteur 10 et fournit une série d'impulsions dont le nombre est proportionnel à l'angle de rotation du moteur 10. Le compteur 15 compte le nombre d'im- pulsions fournies par le codeur 14. Par conséquent, la valeur mémorisée dans le compteur 15 correspond à l'angle de rotation du moteur 10 et du réseau de diffraction 4. Par conséquent, la valeur mémorisée dans le compteur 15 correspondent également à la longueur d'onde de la lumière passant par la fente de sortie 6. En outre, le registre 6 est connecté à la section de com- mande 12 et mémorise une valeur arbitraire reçue de la section de commande 12. Le comparateur 17 est connecté au compteur 15 et au registre 16 et compare la valeur mémorisée dans le comp- teur 15 à la valeur mémorisée dans le registre 16. Lorsque les deux valeurs sont égales, le comparateur 17 fournit une impul- sion de déclenchement. Le signal de sortie du comparateur 17 est envoyé au convertisseur 9 comme signal de conversion analo- gique/numérique. Par conséquent, une conversion analogique/- numérique est effectuée par le convertisseur analogique/- numérique 9 à l'instant o les valeurs contenues dans le comp- teur 15 et le registre 16 sont égales. De plus, le comparateur 17 est en outre connecté à la section de commande 12, grâce à quoi la section de commande 12 est avertie du déclenchement d'une conversion analogique/numérique. En ce qui concerne la constitution réelle des circuits, il est possible d'utiliser un circuit intégré qui combine le comp- teur 15, le registre 16 et le comparateur 17, tel que le modèle ZEN-2011 fabriqué par la société Zenic Corporation. On décrit ensuite une méthode de mesure utilisant un appa- reil de mesure de spectres optiques ayant la constitution re- présentée sur la figure 1. Pour commencer, la section de commande 12 fait tourner le réseau de diffraction 4 de manière à permettre le passage d'une longueur d'onde proche de la longueur d'onde de début de mesure et charge dans le registre 16 une valeur correspondant au pre- mier point de mesure. Ensuite, le circuit d'excitation il fait tourner le réseau de diffraction 4 à une vitesse constante de telle manière que la longueur d'onde de la lumière de sortie varie en se rapprochant de la longueur de fin de mesure. Lorsque l'angle du réseau de diffraction 4 atteint le pre- mier point de mesure, les valeurs mémorisées dans le compteur et le registre 16 deviennent égales. Par conséquent, un si- gnal de commande de conversion analogique/numérique est fourni par le comparateur 17 au convertisseur analogique/numérique 9 et une conversion analogique/numérique est effectuée. Un signal de conversion analogique/numérique est envoyé simultanément à la section de commande 12. Lorsque la section de commande 12 détecte le signal de conversion analogique/numérique, elle re- çoit la valeur mesurée de l'intensité optique issue du conver- tisseur analogique/numérique 9 et charge dans le registre 16 une valeur correspondant au point de mesure suivant. Lorsque l'angle du réseau de diffraction 4 atteint le point de mesure suivant, un signal de conversion analogique/- numérique est fourni par le comparateur 17 d'une manière sem- blable au processus décrit ci-dessus, et la section de commande 12 exécute un processus identique à celui décrit plus haut. En répétant ce processus jusqu'à ce que la longueur d'onde de fin de mesure soit atteinte, il est possible de mesurer les carac- téristiques de longueur d'onde et d'intensité optique de chaque point de mesure sans que la section de commande ait besoin d'arrêter le moteur 10. Après que des mesures ont été effec- tuées à tous les points de mesure, la section de commande 12 arrête le moteur 10 au moyen du circuit d'excitation 11. On décrit maintenant la constitution d'un appareil de me- sure de spectres optiques selon le deuxième mode de réalisation de la présente invention en relation avec la figure 2. La 6 2725273 constitution représentée sur la figure 2 comprend un circuit à retard 18 en plus des éléments représentés sur la figure 1 et est apte à résoudre les problèmes suivants. Avec la constitution du premier mode de réalisation, si le temps nécessaire à la section de commande 12 pour traiter les données de mesure obtenues pour un point de mesure est Tmin, la vitesse de rotation du moteur doit être réglée à une valeur telle que l'intervalle de temps entre les impulsions de sortie du comparateur 17 sont plus long que Tmin. Par exemple, si le nombre d'impulsions entre la longueur d'onde de début de mesure et la longueur d'onde de fin de mesure est de 10 000 et que le nombre de points de mesure est de 1 001 et si l'on suppose que l'espacement temporel entre les points de mesure est uniforme, l'espacement est de 10 impulsions. Dans ce cas, l'espacement entre les impulsions de sortie du comparateur 17 est constant parce que l'espacement entre les points de mesure est constant. Par conséquent, la vitesse de rotation du moteur 10 doit être réglée de telle manière que l'espacement temporel des impul- sions de sortie du comparateur 17 soit plus long que Tmin. Cependant, si, par exemple, le nombre d'impulsions entre la longueur d'onde de début de mesure et la longeur d'onde de fin de mesure est de 1 500 et que le nombre de points de mesure est de 1 001 et si l'espacement temporel entre les points de mesure est uniforme, l'espacement pour chaque point de mesure successif est de 1,5 impulsion. Dans ce cas, pour permettre au compteur et au registre de n'utiliser que des nombres entiers, l'espacement entre les points de mesure doit être fixé soit à une, soit à deux impulsions. Cela a pour résultat que l'espa- cement des impulsions de sortie du comparateur 17 est irrégu- lier, de sorte que la vitesse de rotation du moteur 10 doti être réglée de telle manière que l'espacement temporel le plus court soit toujours plus long que Tmin, ce qui rend le temps de mesure plus long. De ce fait, avec la constitution de la figure 1, lorsque l'espacement temporel entre la longeur d'onde de début de me- 7 2725273 sure et la longueur d'onde de fin de mesure est court et que le nombre d'impulsions entre le début et la fin de la mesure n'est pas assez grand par rapport au nombre de points de mesure, l'espacement des impulsions de sortie du comparateur 17 devient dispersif, de sorte qu'il n'est pas possible d'augmenter la vi- tesse du moteur 10. De plus, puisque l'espacement des impul- sions de sortie du comparateur 17 devient dispersif lorsque la vitesse de rotation du moteur 10 est irrégulière, il n'est pas possible non plus d'augmenter la vitesse de rotation du moteur 10 dans ce cas. Comme cela est représenté sur la figure 2, le circuit à retard 18 est monté entre le comparateur 17 et le convertisseur analogique/numérique 9 dans la section de commande 12. Si le comparateur 17 fournit deux impulsions consécutives ayant un espacement temporel T tel que T l'espacement entre les deux impulsions soit maintenu à Tmin. Par conséquent, avec l'ajout d'un circuit à retard 18, la vi- tesse de rotation du moteur peut être réglée de telle façon que l'espacement moyen entre impulsions soit plus long que Tmin, même lorsqu'il y a des irrégularités dans l'espacement des im- pulsions, ce qui permet une réduction de temps de mesure. Comme exemple de circuit à retard 18, on peut utiliser ce- lui qui est représenté sur la figure 3 et qui comprend des bas- cules 20 et 21, un compteur 22, une porte OU 23 et un inverseur 24. Dans un circuit à retard 18 ayant cette constitution, une impulsion émise par le comparateur 17 est mémorisée dans la bascule 20. Le signal de sortie de la bascule 20 est mémorisé dans la bascule 21 en synchronisme avec le signal d'horloge A et est également fourni au convertisseur analogique/numérique 9 et à la section de commande 12. A ce moment, le compteur 22 commence à compter. Si l'impulsion suivante est envoyée à la bascule 20 pen- dant que le compteur est encore en train de compter, le signal de sortie est retardé par la porte OU 23 jusqu'à ce que le 8 2725273 compte soit termine. Après que le compte est terminé, le signal de sortie de la bascule 20 est appliqué à l'entrée de la bas- cule 21. Le signal de sortie de la bascule 20 est alors mémo- risé dansla bascule 21 en synchronisme avec le signal d'horloge A et est envoyé au convertisseur analogique/numérique 9 et à la section de commande 12. Par conséquent, en fixant le temps de comptage du compteur 22 à T par réglage de la fréquence de l'horloge B qui détermine le nombre de comptes du compteur 22, l'espacement temporel minimal entre les impulsions fournies au convertisseur analogique/numérique 9 et à la section de com- mande 12 peut être rendu égal à T. Dans les modes de réalisation décrits dans ce qui précède, le réseau de diffraction 4 et le moteur 10 peuvent être connec- tés soit au moyen de roues dentées, soit par contact direct. De plus, si une configuration optique du type Czerny-Turner a été utilisée dans les modes de réalisation décrits, d'autres types de configurations optiques sont également possibles, telles que les configurations du type de Littrow et du type à double pas- sage. Les inventeurs ont confirmé expérimentalement que tandis qu'un appareil classique de mesure de spectres optiques tel que celui représenté sur la figure 4 demande 10 secondes pour faire quelques mesures données, un appareil de mesure de spectres op- tiques selon le premier mode de réalisation peut effectuer les mêmes mesures en moins d'une seconde, et un appareil selon le deuxième mode de réalisation peut faire les mêmes mesures en moins de 0,5 seconde. 9 2725273 Revendications 1. Appareil de mesure de spectres optiques, comprenant: - un réseau de diffraction (4); - un moteur (10) qui fait tourner ledit réseau de diffraction (4); - un détecteur optique (7) qui reçoit la lumière diffractée provenant du réseau de diffraction (4) et convertit la lumière diffractée en signaux électriques; - un convertisseur analogique/numérique (9) qui convertit les- dits signaux électriques en signaux numériques; - une section de commande (12) qui fixe l'angle de rotation du moteur (10) et reçoit des valeurs issues du convertisseur ana- logique/numérique (9); - un codeur (14) connecté à l'axe de rotation du moteur (10); - un compteur (15) connecté à une extrémité de sortie du codeur (14); - un registre (16) qui mémorise une valeur fixée par la section de commande (12); et un comparateur (17) qui fournit un signal de conversion analogique/numérique au convertisseur analogi- que/numérique (9) lorsque la valeur mémorisée dans le compteur (15) et la valeur mémorisée dans le registre (16) sont égales. 2. Appareil de mesure de spectres optiques selon la revendi- cation 1, comprenant en outre un circuit à retard (18) monté entre le comparateur (17) et le convertisseur analogique/numé- rique (9), qui maintient l'espacement temporel entre les impul- sions de sortie du comparateur (17) à une valeur constante.