Brevet FR2360895A1 — publié le 19780303

tes systèmes optiques à fibres sont formés d'une ou de plusieurs fibres individuelles, constituées par un noyau fortement réfringent, entouré d'une enveloppe d'indice de réfraction plus faible. tes fibres individuelles peuvent entre mobiles les unes par rapport aux autres, ou être confondues. On obtient l'effet de transmission de la lumière par application répétée de la réflexion totale de la lumière à la surface de séparation entre noyau et enveloppe. L'effet photoconducteur se produit à la manière désirée, seulement si chaque réflexion totale a lieu pratiquement sans perte, ce qui est assuré lorsque la répartition des indices de réfraction se rapproche au maximum d'une répartition idéale (de préférence rectangulaire) et qu'aucune perte par dispersion et absorption ne se produit dans le verre du noyau et à la surface de séparation entre noyau et enveloppe. Pour que la réflexion totale soit exempte de perte, il est toutefois indispensable également que l'enveloppe des fibres ait une épaisseur minimum. On sait qu'il se forme dans l'enveloppe une onde dite amortie transversalement, dans laquelle l'intensité diminue exponentiellement et sans qu'il y ait transport d'énergie. Il faut pour cela que l'enveloppe possède une épaisseur théorique infiniment grande et pratiquement de l'ordre d'au moins trois longueurs d'onde de lumière. Dans le cas contraire, la réflexion totale est perturbée en tant que telle et il se produit un découplage de lumière. Pour cette raison, il faut veiller strictement à ce que l'épaisseur de l'enveloppe des fibres'dans des optiques à fibres confondues et flexibles soit toujours de l'ordre a'au moins trois fois la longueur d'onde de lumière (en lumière visible, par exemple de longueur d'onde moyenne de 0,5 pm, l'épaisseur de l'enveloppe doit étre d'au moins 1,5 Fm et de préférence, de 2 nom). Dans des systèmes phototransmetteurs le dépassement et le passage de la lumière a' travers l'enveloppe (désigné ci-après par "interférence") a pour résultat pratique une perte de lumière et, par suite, une diminution des propriétés conductrices du faisceau de fibres. Dans des systèmes confondus de transmission d'images, la lumière passe dans les fibres voisines en cas d'interférence, ce qui affaiblit le contraste. Pour cette raison, dans des systèmes confondus de transmission d'images, on réduit la lumière vagabondant dans les enveloppes au moyen d'éléments absorbant la lumière disperse, qui sont placés entre les diverses fibres (EXTRA MURAL ABSORPTION - EMA). Le contraste dans la transmission d'images est ainsi maintenu. Dans un système optique à fibres, on peut toutefois provoquer volontairement l'effet d'interférence, au lieu de l'éviter. Il suffit pour cela de donner à l'enveloppe des fibres individuelles une épaisseur assez faible, de préférence de l'ordre de grandeur d'une longueur d'onde de lumière. Par suite de l'effet de tunnel optique, il entre alors de la lumière dans les fibres voisines lorsqu'il s'agit de systèmes confondus, ou il se produit un découplage de lumière pour autant qu'autour d'une fibre individuelle se trouve encore une enveloppe dont l'indice de réfraction est supérieur à celui de la première enveloppe. Les effets de mixage et de découplage ainsi provoqués sciemment conduisent à de nouvelles applications des optiques à fibres, comme le montreront les exemples ci-après. La description de systèmes optiques à fibres avec des effets d'interférence, qui va suivre en regard du dessin annexé, donné à titre-d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut titre réalisée. - la figure 1 représente la structure d'une fibre optique ordinaire ; - la figure 2 montre l'effet d'interférence ou de tunnel obtenu avec une enveloppe d'épaisseur suffisamment faible ; - la figure 3 montre le processus de transmission de la lumière dans un système optique à fibres confondues avec effet d'interférence ; - la figure 4 montre l'action exercée par une plaque d'interférence à fibres de petit diamètre sur un deuxième système optique à fibres de plus gros diamètre ; - la figure 5 représente un double cône à rétrécissement intérieur pour l'obtention d'un mixage statistique ; - la figure 6 montre l'effet du découplage par interférence pour une fibre avec double enveloppe. La figure 1 montre l'effet photoconducteur connu dans une fibre optique, formée d'un noyau fortement réfringent l et d'une enveloppe 2 de faible indice de réfraction. lorsqu'un rayon lumineux 3 rencontre sous un angle 4 relativement grand la face frontale de la fibre, la lumière (rayon 5) est découplée de l'enveloppe si l'angle limite, connu d'après les lois optiques, est dépassé. Au franchissement vers le bas de cet angle, il se produit une réflexion totale sur la couche séparant le noyau de l'enveloppe. le rayon lumineux 6 entre sous l'angle d'incidence 7 et est réfracté à l'intérieur du noyau. Le rayon 8 frappe sous l'angle 9 la surface de séparation entre noyau et enveloppe et est réfléchi totalement (rayon 10). L'apparition de l'interférence ou de l'effet de tunnel de la lumière va titre exposée en référence à la figure 2. Le rayon lumineux 6 entre sous l'angle 7 dans l'optique a' fibres. L'angle d'incidence entre lé noyau et l'enveloppe est l'angle 9. On ne considèrera que le cas de la réflexion totale. L'enveloppe est admise d'épaisseur 12. Derrière elle se trouve de nouveau de la matière ayant l'indice de réfraction du noyau. En cas d'interférence, une partie de la lumière 11 passe dans le milieu au-delà de l'enveloppe, pareillement sous l'angle 9, tandis que le reste est réfléchi normalement en un rayon 10. Le parcours de la lumière dans l'enveloppe elle-même ne peut pas être représenté en géométrie optique car le cosinus de cet angle est imaginaire. Seule est possible dans ce cas une étude purement théorique de l'onde. La transmission de la lumière à travers la couche d'enveloppe mince est une fonction de l'angle d'incidence, de la longueur d'onde et des deux indices de réfraction, ainsi que de l'épaisseur de l'enveloppe comme indiqué dans la formule 1. En calculant d'après cette formule les taux d'interférence pour les divers angles d'incidence 7 dans les fibres et les angles d'incidence correspondants 9 entre le noyau et l'enveloppe, on obtient, pour diverses valeurs de l'épaisseur 12, en fonction de la longueur d'onde, un taux de perméabilité très différent, comme représenté dans le tableau 1. Le calcul a été effectué pour des épaisseurs d'enveloppe allant d'un quart de la longueur d'onde à deux longueurs onde. En parallèle, ce tableau indique les épaisseurs pratiques correspondant aux diverses longueursd"onde. Le tableau montre clairement qu'une partie extrêmement faible interfère pour des épaisseurs d'enveloppe comprises entre une et deux longueurs d'onde. Par contre, pour une épaisseur de l'ordre d'une demi-longueur d'onde, l'interférence est d'environ 1% et, pour~une épaisseur d'un quart de longueur d'onde, elle est de 10 à 30% suivant l'angle d'entrée. Dans un système optique à fibres confondues avec mixage d'interférence, les relations sont évidemment plus compliquées, car la lumière traverse successivement plusieurs fibres. Etant donné qu'il existe en général un très grand nombre de réflexions, on aboutit, dans un tel système, à un parcours de rayons extremement complexe, comme celui représenté dans la figure 3. La lumière du rayon 11 peut interférer à nouveau sur la surface de séparation voisine (rayon 13) ; elle peut également revenir dans la fibre de départ (rayon 14) et se mélanger à l'intensité d'origine (rayon 15). L'invention va entre illustrée par les exemples ci-après EXEMPlE 1. Diminution des défauts d'image dans des systèmes optiques à fibres. Les systèmes optiques à fibres sont affectés de défauts de transmission d'image typiques, qui sont tout à fait différents de ceux des systèmes optiques classiques. il s'agit essentiellement de brisures de fibres, de fibres dites grises et de perturbations dans la disposition des fibres individuelles. Ce dernier défaut est particulièrement ressenti dans des systèmes transmettant des images, nécessitant, de préférence, une disposition hexagonale des fibres individuelles. On a cherche à éliminer ou à réduire ces défauts par différents moyens (brevets de la R.F.A.Nos 15 47 137, 22 42 834 et 22 41 804, brevet britannique No.923 569,etc.).Toutes ces solutions nécessitent toutefois des moyens auxiliaires optiques ou mécaniques comateux. En ayant recours à une plaque de fibres d'interférence posée sur la sortie d'un tel système transmetteur d'images, on peut éliminer, notamment, les perturbations des paquetages. Pour cela, la plaque d1interférence doit titre formée de fibres de diamètre sensiblement plus petit que celui des fibres du système de départ. Alors qu'on n'utilise pratiquenent pas de fibres de diamètre inférieur à 5 pm, car une enveloppe d'épaisseur usuelle ne laisserait plus au noyau qu'une part beaucoup trop petite, on ne rencontre pas cette difficulté avec des plaques de fibres d'interférence. Dans ce cas en effet, l'enveloppe possède une faible épaisseur en raison de effet d'interférence et contribue elle-m8me à la transmission de la lumière. On peut utiliser par conséquent des diamètres de fibres extrêmement petits, pouvant descendre jusqu'à 2 pm et même moins. Il en résulte qu'aucune difficulté de principe ne s'oppose à la mise en oeuvre d'une plaque dtinterférence à fibres de diamètre notablement moindre. La figure 4 montre comment une répartition rectangulaire est atténuée par la pose d'une plaque de fibres d'interférence. le système 17 est formé de fibres ordinaires avec noyau 18 et enveloppe 19. L'information transmise est représentée par le diagramme 20. A une faible distance est posée la plaque dite de fibres d'interférence 16 avec des noyaux 1 et des enveloppes 2 tellement minces qu'il se produit une interférence. La répartition rectangulaire 20 du système de départ doit entre créée par une transmission à 100 de la lumière de certaines fibres et par une obscurité absolue d'une fibre voisine. Si l'on met en oeuvre différents systèmes d'interférence 16 à fibres optiques, il se produit un empatement de la répartition, relativement indépendant du diamètre des fibres individuelles et représenté dans le diagramme 21. Le dessin montre clairement qu'une interférence n'a lieu alors que dans une zone relativement petite, de sorte qu'il se produit bien un fort mixage de la lumière entre les diverses fibres dans la plaque d'interférence avec diminution concomitante du contraste dans la plaque de fibres elle-méme, mais que le contraste global du système de départ change à peine de façon perceptible.Par contre, les parties noires, dues aux enveloppes du système de départ, n'apparaissent plus aussi noire s. On ne- constate pas de formation éventuelle d'effets chromatiques sur les fibres individuelles de la plaque. Cela se manifeste directement sur les défauts de répartition des fibres du système de départ. Ces défauts sont en effet d'autant plus apparents que les parties ne transmettant pas de lumière, comme les enveloppes et les coins, se distinguent plus nettement des parties éclairantes. La plaque de fibres d'interférence réduit ce tripe de contraste et contribue ainsi à l'atténuation des défauts d'image précités. Il est bien évident que ces réductions de défauts sont réalisées avec une dépense notablement plus faible que dans les cas cités plus haut. Le système représenté dans la figure 4 peut entre formé, par exemple, de fibres conductrices d'images de 20 pm et de fibres de 4 à 6 m de diamètre dans les plaques, pour un taux d'interférence de 0,01 entre les diverses fibres de la plaque d'interférence. EXEIE 2. Mixage statistique. Si l'on choisit, conformément au tableau 1, des épaisseurs d'enveloppe de l'ordre d'un quart de longueur d'onde, soit de 0,1 à 0,15 pm en lumière visible, on obtient des taux d'interférence de 10 à 30% par réflexion, très différents pour les diverses longueurs d'onde. Il en résulte qu'après un relativement petit nombre de réflexions, la fibre voisine contient une proportion notable de lumière avec interférence en retour, comme le montre la figure 3. Cet effet est accru encore davantage par l'utilisation préférentielle de fibres de petit diamètre (2 à 5 m). Il se produit alors un très grand nombre de réflexions. Celles-ci déterminent une interférence aller-retour, de sorte qu'en fin de compte la lumière parvient dans toutes les fibres de la plaque ou de la barre de fibres.Ce phénomène se déroule de manière très différente pour les diverses longueurs d'onde, comme le montre le tableau. le grand nombre de réflexions et l'aller-retour des processus d'interférence a toutefois pour effet final que la lumière blanche incidente réapparaît en lumière blanche. Dans de nombreuses applications des optiques à fibres, on est intéressé par ce qu'on appelle un mixage statistique de fibres. Il s'agit, de préférence, d'optiques à fibres à plusieurs bras, dont on exige, à l'extrémité commune, un mixage aussi statistique que possible des fibres des divers bras. La pratique montre qu'un tel mixage ne peut être réalisé à l'extrémité commune qu'avec une grande complication. Par contre, en utilisant un système non mixé, on peut produire un effet de mixage analogue par addition d'une barre de fibres à effet d'interférence. La seule condition est qu'on utilise une barre de fibres de longueur suffisante, munie extérieurement d'une enveloppe supplémentaire ou d'une métallisation, pour éviter une perte de lumière par découplage sur le bord. EXEIPlE 3. Mise en oeuvre de doubles cônes Pour un mixage statistique. Une variante spéciale de l'exemple 2 est constituée par l'utilisation d'un double cOne selon la figure 5. Les surfaces d'extrémité 23 et 25 se correspondent et contiennent les fibres individuelles avec noyau 26 et enveloppe 27. Cette dernière se rétrécit au milieu en 24 si fortement (28) qu'il se produit une interférence. Un avantage supplémentaire de ce double c8ne réside en ce que, en conformité avec les lois du cane, la lumière est déviée de nouveau à l'extrémité de sortie, dans une plage angulaire, qui est définie uniquement par les dimensions du cbne et par l'utilisation de l'indice de réfraction. Ce dernier point est important, étant donné qu'en fabrication d'enveloppes très minces, il n'est pas possible d'obtenir un profil rectangulaire idéal, de sorte qu'il peut se produire une dispersion de la lumière dans une plage angulaire plus grande que la plage désirée. Avec un tel cOne double on peut donc réaliser un mixage statistique, sans devoir accepter l'inconvénient éventuel dû à une augmentation de l'angle de réflexion. EXEMPlE 4. Découplage d'interférence sur des fibres individuelles. Si l'on munit une fibre individuelle avec noyau 1 selon la figure 6 d'une enveloppe 2 extrtmement mince, il se produit naturellement un découplage d'interférence, à la condition que cette enveloppe soit entourée d'une enveloppe supplémen- taire 30, dont l'indice de réfraction est plus grand que celui de la première (de préférence identique à celui du noyau). La lumière 6 dans le noyau est en partie découplée (il) et, dans le cas idéal, totalement réfléchie à la limite entre la deuxième enveloppe 30 et l'air (31). L'encrassement existant normalement à la surface détermine toutefois une dispersion sensible de la lumière 32. Une partie est évidemment absorbée. La deuxième enveloppe est indispensable, ne serait-ce que pour protéger mécaniquement la première enveloppe très mince. Au cas où les indices de réfraction entre noyau et enveloppe sont identiques, on peut appliquer les valeurs du tableau. Um telle fibre a donc la propriété de découpler la lumière le long de la fibre elle-mevme. L'exemple montre que le taux de découplage ne doit pas étre trop grand, car il n'y a pas ici d'interférence en retour, de sorte que la perte d'intensité peut Etre très grande. C'est ainsi, par exemple, qu'avec une fibre de 100 pm de 100 mm. de longueur, avec environ 500 réflexions, on peut obtenir un abaissement à 60% de l'intensité de départ, pour un taux d'interférence de 0,1%. Par contre, l'intensité de départ descend à 36* pour un taux d'interférence de 0,2%. Conformément au tableau, les épaisseurs d'enveloppe doivent être de l'ordre de grandeur d'un peu plus qu'une demi-longueur d'onde, de préférence de 0,3 ,um. Il se produit naturellement des effets chromatiques, étant donné que, d'après le tableau, l'interférence dépend très fortement tant de la longueur d'onde que de l'angle. On obtient par conséquent une fibre qui s'éclaire chromatiquement de façon différente, les couleurs changeant en outre suivant les angles. Il en résulte qu'un tel arrangement se prote de préférence à des fins décoratives. Une variante spéciale réside dans l'utilisation d'une fibre 33 légèrement conique, représentée pareillement dans la figure 6. En aceord avec les lois connues la réduction continue des barres d'enveloppe détermine une réflexion uniforme de la lumière. EXEMPLE 5. Rubans de fibres constitués de fibres d'interférence. Une autre possibilité est l'utilisation de rubans formés de fibres individuelles, juxtaposées et réunies entre elles. Pour obtenir l'effet d'interférence, il est indispensable que l'adhésif employé possède un indice de réfraction analogue à celui du noyau. L'effet d'interférence peut titre supprimé ultérieurement sur des parties du ruban de fibres, de préférence à l'une de ses extrémités. En effet, si l'on y applique un adhésif en une couche d'épaisseur correspondant à au moins trois longueurs d'ondes et dont l'indice de réfraction est voisin de celui de la première enveloppe, il se produit un effet photoconducteur régulier. L'extrémité du ruban de fibres peut Cotre alors rassemblée en un faisceau normal-, de sorte que le couplage de la lumière ne rencontre aucune difficulté. Aux emplacements qui n'ont pas été revêtus par pulvérisation, apparat le découplage avec l'effet chromatique existant le cas échéant.Par pulvérisation d'un motif quelconque sur le ruban de fibres, on peut exécuter n'importe quel type de représentation. De plus, il est possible de métalliser l'autre extrémité du ruban de fibres pour éviter une perte de lumière à la sortie. Ces applications peuvent jouer également un roule préférentiel dans le domaine de la décoration. Etant donné qu'une réflexion par dispersion a lieu sur des souillures, il faut veiller naturellement à la propreté de la surface lors de la pulvérisation de l'adhésif compensateur. Formule 1. Taux d'interférence 16 abȇ-&gamma; T = 2 2 - &gamma;.2 2 2 a = nK cos # 4# b h # T taux d'interférence indice de réfraction du noyau (1) indice de réfraction de l'enveloppe (2) #' anglé d'incidence (9 dans la figure 2) b épaisseur de l'enveloppe (12 dans la figure 2) A longueur d'onde lumineuse Tableau 1 Taux d'interférence en fonction de l'angle d'inci dence A (7) et de l'épaisseur d'enveloppe h (12) k h 2 A } 0,6 0,5 o 0,25 & BR h X ~ 0,4 pm 0,8 jun 0,4 pm 0,24 pm 0,20 pin 0,16n 0,19pin o = 0,7 pia 1t4 pm 0,7 pin 0,42 pm 0,35 iiin 0,28 Sm & BR 100 84,10 2.1 -8 1.1ou 0,0037 0,0088 0,021 0,079 200 78,30 2.1o 10-4 0,0317 0,0305 0,068 0,224 300 72,70 4. 10-6 3.10 3 0,040 0,077 0,148 0,392 REVENDICATIONS 1. Système optique à fibres constitué de fibres optique ment couplées entre elles et formées d'un noyau fortement réfringent et d'une enveloppe de faible indice de réfraction, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'enveloppe est tellement réduite que la réflexion totale n'est pas idéale et qu'à chaque réflexion de la lumière, une partie traverse l'enve- loppe et pénètre dans la fibre voisine ou dans un milieu optique voisin. 2. Système optique à fibres selon la revendication 1 destiné à une transmission d'images, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'enveloppe est comprise entre 0,4 et 0,6 fois la longueur d'onde de la lumière utilisée. 3. Système optique à fibres selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que- l'épaisseur de l'enveloppe est comprise entre 0,2 et 0,3 pm pour des diamètres de fibres compris entre 2 et 5 Fm. 4. Système optique à fibres selon la revendication i, destiné à cotre utilisé à des fins impliquant une transmission de lumière, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'enveloppe est inférieure à 0,4 fois la longueur d'onde de la lumière. 5. Système optique à fibres selon la revendication 1 ou 4, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'enveloppe est inférieure à 0,2 pm pour des diamètres de fibres plus petits que 5 jini avec utilisation de lumière visible. 6. Système optique à fibres selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est formé d'une plaque de fibres. 7. Système optique à fibres selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur de la plaque de fibres est inférieure à 2 mm et le diamètre de chaque fibre plus petit que 10 pm. 8. Système optique à fibres selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la plaque de fibres est réunie à un deuxième système transmetteur d'images, de sorte que le diamètre des fibres de la plaque est nettement plus petit que celui des fibres du système. 9. Système optique à fibres selon la revendication 8, caractérisé en ce que les fibres de la plaque ont un diamètre inférieur à 6 um et celles du deuxième système tralasmetteur d'images un diamètre inférieur à 20 pm. 10. Système optique à fibres selon l'une quelconque des revendications 1,4,5 ou 6, caractérisé en ce qu'il est formé d'un double cône s'effilant vers l'intérieur. 11. Système optique à fibres selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est entouré d'une deuxième enveloppe dont l'indice de réfraction est plus grand que celui de la première enveloppe, de sorte que la lumière est découplée par dispersion sur le grand coté. 12. Système optique à fibres selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'indice de réfraction de la deuxième enveloppe correspond à celui du noyau. 13. Système optique à fibres selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il est formé d'une fibre individuelle. 14. Système optique à fibres selon l'une quelconque des revendications il à 13, caractérisé en ce qu'il s'effile côniquement, de sorte que la lumière est réfléchie uniformément. 15. Système optique à fibres selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'il est revêtu localement d'une couche ayant l'indice de réfraction de l'enveloppe, de sorte que le découplage est supprimé à ces emplacements. 16. Système optique selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il est formé d'un ruban de fibres. 17. Système optique à fibres selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'on forme un ruban de fibres revêtu de la couche à une extrémité, de façon à pouvoir Entre rassemblé en un faisceau pour la lumière incidente. 18. Système optique à fibres selon'une quelconque des revendications 11 à 17, caractérisé en ce que son extrémité est métallisée pour permettre un nouveau découplage de la lumière réfléchie.