Brevet FR2473708A1 — publié le 19810717

1. La présente invention concerne un procédé de mesure optique de la température, utilisant une source pour émettre de la lumière dans une gamme de longueurs d'ondes donnée, un dispositif conducteur de la lumière pour transmettre de la lumière dans au moins une partie de ladite gamme de lon- gueurs d'ondes, une sonde à cristaux cholestériques et un dispositif de dé- tection. Elle concerne également un dispositif de mesure optique de la tem- pérature, comprenant une source pour émettre de la lumière dans une gamme de longueurs d'ondes donnée, un dispositif conducteur de lumière pour transmet- tre de la lumière dans au moins une partie de ladite gamme de longueurs d'on- des, une sonde à cristaux cholestériques et un dispositif de détection. Elle concerne enfin un procédé de réalisation d'une sonde de mesure optique de la température utilisant une source pour émettre de la lumière dans une gamme de longueurs d'ondes donnée, une fibre optique unique pour transmettre de la lumière émise par cette source, et balayée de façon conti- nue et uniforme en longueur d'onde, dans ladite gamme de longueurs d'ondes, et un dispositif pour détecter une partie de cette lumière à variation conti- nue de la longueur d'onde après réflexion sur des cristaux cholestériques. Le problème de la mesure de la température, dans un environnement électromagnétique sensible à des perturbations engendrées par exemple par les thermomètres classiques à composants métalliques, est bien connu, en particulier dans le domaine de la biologie. Une des solutions développées consiste à construire une sonde dié- lectrique en recourant aux propriétés des cristaux liquides et en particu- lier des cristaux cholestériques qui présentent la faculté de réfléchir la lumière d'une longueur d'onde donnée, lorsqu'ils sont portés à une tempéra- ture donnée. Divers dispositifs plus ou moins expérimentaux ont été mis au point pour effectuer des mesures de température ponctuelles, à l'aide d'une sonde comportant une pastille de cristaux cholestériques disposée à l'extrémité de deux conducteurs de lumière, en particulier deux fibres optiques couplées en- tre elles. Actuellement, tous les dispositifs connus opèrent de façon discon- tinue et utilisent des sondes à deux fibres optiques, relativement encom- brantes en soi. La mesure discontinue d'une part, et l'encombrement d'autre part, constituent des inconvénients fondamentaux qui s'opposent actuellement à une utilisation rationnelle de ces appareils en médecine et en biologie. La présente invention se propose de pallier ces défauts en réali- sant un dispositif et en mettant au point un procédé de mise en oeuvre de ce dispositif, ainsi qu'un procédé de réalisation d'une sonde appropriée, pour 2. - 2473708 effectuer des mesures de température de haute précision en continu, à l'aide d'une sonde d'encombrement très réduit et de flexibilité très grande. Grâce à ce dispositif, il est possible de suivre et d'analyser l'évolution de la température interne d'un tissu organique, mesurée de façon continue. Cette température peut être affichée par un dispositif d'affichage digital ou analogique. Le signal peut être aussi utilisé pour permettre une régulation par un apport extérieur d'énergie, sans introduire les perturbations inhéren- tes aux sondes métalliques conductrices de chaleur et d'électricité. Dans ce but, le pl=océdé de l'invention est caractérisé en ce que l'on filtre la lumière émise par la source de façon à engendrer une lumière balayant en longueur d'onde, de façon continue et uniforme, ladite gamme de longueurs d'ondes, en ce que l'on transmet ladite lumière ainsi engen- drée par l'intermédiaire dudit dispositif conducteur de lumière à ladite son- de à cristaux cholestériques, en ce que l'on détecte au moins une partie de la lumière réfléchie par lesdits cristaux au moyen du dispositif de détec- tion, et en ce que l'on mesure la température au voisinage de la sonde en mesurant le décalage entre un signal de référence engendré au début de cha- que cycle de balayage et un signal de crête correspondant à la réflexion maximale de la lumière sur les cristaux, pour une longueur d'onde donnée de ladite gamme de longueurs d'ondes. Le dispositif selon l'invention, pour la mise en oeuvre de ce pro- cédé, est caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de filtrage de la lumière émise par la source pour engendrer une lumière balayant en longueur d'onde, de façon continue et uniforme, ladite gamme de longueurs d'ondes; un dispositif pour engendrer un signal de référence au début de chaque cy- cle de balayage; un dispositif relié au dispositif de détection pour engen- drer un signal de crête correspondant à chaque valeur crête de la quantité de lumière réfléchie par lesdits cristaux et détectée par ledit détecteur; un dispositif pour mesurer le décalage entre le signal de référence et le signal de crête et pour afficher la température au voisinage de la sonde, en fonction du décalage mesuré; et en ce que le dispositif conducteur de lumière est constitué d'une fibre optique unique, pour transmettre la lu- mière incidente sur les cristaux et la-lumière réfléchie par eux. Le procédé de réalisation de la sonde de mesure optique, utilisée dans le dispositif et pour la mise en oeuvre du procédé, est caractérisé en ce que l'on attaque chimiquement sélectivement le tronçon d'extrémité de la fibre optique, de telle manière qu'il se forme une cavité sensiblement parabolique à l'intérieur de la fibre dans la zone centrale correspondant au coeur, en ce que l'on étire l'enveloppe de protection en matière synthé- tique de façon à ce qu'elle dépasse la surface de cassure transversale de 3. cette fibre, en ce que l'on dépose, dans ladite cavité et sur la surface de cassure, une pastille de cristaux cholestériques, et en ce que l'on soude l'extrémité de l'enveloppe de protection étirée pour enfermer les cristaux à l'intérieur de la poche fermée. La présente invention sera mieux comprise en référence à la des- cription d'un exemple de réalisation et du dessin annexé, dans lequel: La figure 1 représente graphiquement la courbe d'étalonnage d'un cristal cholestérique utilisable dans le cadre de la présente invention, La figure 2 représente une forme de réalisation préférée d'une sonde selon l'invention, La figure 3 représente une vue d'ensemble du dispositif utilisant la sonde de la fig. 2, La figure 4 représente une autre forme de réalisation d'une sonde selon l'invention, La figure 5 représente un schéma d'ensemble du dispositif utilisant la sonde de la fig. 4. Comme mentionné précédemment, le principe du capteur de tempéra- ture est basé sur la propriété des cristaux cholestériques de provoquer une réflexion de Bragg pour la lumière incidente, et par là de ne réfléchir qu'une tranche de longueur d'onde donnée par la condition de Bragg. Cette con- dition dépendant de la température, il est possible, par identification de la longueur d'onde de la lumière réfléchie, de déterminer la température du cristal liquide. Différents mélanges de cristaux liquides peuvent être réali- sés, afin de balayer des gammes de températures différentes pour une réfle- xion dans le domaine de longueur d'onde visible ou infrarouge. Le choix du mélange sera dicté par l'usage prévu pour la sonde. Dans l'exemple représenté, la courbe d'étalonnage comporte, en abscisses, les températures comprises entre T et T+30 C, et, en ordonnées, des longueurs d'ondes comprises entre 400 et 800 nm. Cette courbe est inter- prêtée électroniquement pour déterminer avec précision la température à la- quelle se trouve la sonde, en fonction de la longueur d'onde pour laquelle on observe un pic de réflexion sur le cristal. En référence à la fig. 2, la sonde, utilisée pour effectuer les me- sures ayant permis de tracer la courbe d'étalonnage précédente, comporte une fibre optique 1 pourvue d'un coeur 2, d'un manteau annulaire 3 entourant le coeur et d'une enveloppe de protection 4 en un matériau synthétique souple, qui constitue la gaine du câble optique. L'extrémité antérieure (sur la droite de la figure) constitue la sonde proprement dite, comportant une pastille 5 de cristaux cholestériques emprisonnés dans la gaine 4, qui a été préalable- ment étirée au-delà de la surface de cassure 6 de la fibre 1, et soudée en 7. 4. L473708 La surface de cassure 6 présente un évidement central 8 obtenu par une atta- que chimique sélective du coeur de la fibre, par exemple en la trempant dans de l'acide fluorhydrique, dans lequel est évidemment déposé le cristal liqui, de. Lorsque de la lumière transmise par le coeur 2 de la fibre 1 est réflé- chie par la surface sensiblement parabolique adoptée sur la pastille 5 de cristaux cholestériques, logée dans la cavité 8, c'est-à-dire lorsque les conditions de température et de longueur d'onde correspondent au pic de ré- flexion sur les cristaux, la lumière réfléchie pénètre dans le manteau 3 et se propage jusqu'au tronçon de détection (sur la partie gauche de la figure). Le détecteur 9 comporte un manchon cylindrique 10, de préférence en résine polymérisée transparente, dont la surface de la base annulaire 11 est revêtue d'une couche d'un matériau photosensible, tel que le silicium. Un conducteur 12 transmet le signal engendré par la détection d'un pic de réflexion à un circuit électronique (non représenté), susceptible de déterminer la tempéra- ture à laquelle se trouve la sonde, par une interprétation adéquate de la courbe illustrée par la fig. 1. La fig. 3 présente le schéma de l'ensemble du dispositif pour la sonde présentée à la fig. 2. Ce dispositif comprend une source de lumière blanche 31, une optique 32 pour construire un faisceau parallèle et pour in- jecter cette lumière dans une fibre optique 37. Dans le faisceau parallèle, on interpose un dispositif de filtrage 33 qui-se compose de préférence d'un filtre interférentiel rotatif, entraîné en rotation continue et uniforme par un moteur électrique 35, permettant d'engendrer un balayage de longueur d'onde continu et cyclique. La détection de la longueur d'onde réfléchie permet de déterminer la température des cristaux cholestériques de la sonde 36. Pour é- liminer la lumière transmise par le manteau de la fibre, on a recours à un dispositif bien connu, consistant à enrober un tronçon de la fibre dans un cylindre de résine transparente 42. Un détecteur 39, représenté schématique- ment, est relié de la sonde 36 au moyen d'un connecteur 43. Le détecteur 39, représenté plus en détail sur la fig. 2, se compose essentiellement d'un cy- lindre de résine transparent 10, qui enrobe un petit tronçon de la fibre op- tique, et d'une couche photosensible 11. Cette couche sensible est connectée électriquement à une unité de traitement électronique 40 (non représentée en détail), qui comprend des moyens pour engendrer un signal de référence indi- quant le début de chaque cycle de balayage. Elle comprend également un dispo- sitif pour mesurer le décalage entre le signal de référence et le signal transmis par le détecteur, et correspondant à un pic de réflexion. Un dispo- sitif d'affichage digital ou analogique, ou un enregistreur inscripteur ou à mémoire 41 permet d'indiquer, à l'utilisateur, latempérature mesurée au ni- veau de la sonde. 5. 7 73 708 La sonde de la fig. 4 comporte également une fibre optique unique 21, gainée par une enveloppe 22 entourant le manteau 23 et le coeur 24 de la fibre. La surface de cassure 25 est sensiblement plane. Les cristaux choles- tériques 26 sont emprisonnés entre la surface de cassure 25 et l'extrémité antérieure de l'enveloppe 22 soudée en 27. Lorsqu'une sonde de ce type est utilisée, la lumière incidente, transmise par le coeur 24 de la fibre, est réfléchie sur la surface plane 28 des cristaux liquides. Contrairement à ce qui se passe dans la sonde de la fig. 2, la lumière réfléchie est réinjectée dans le coeur de la fibre et sera isolée au moyen d'une jonction Y. Ce mon- tage est représenté sur le schéma d'ensemble de la fig. 4. La fig. 5 représente schématiquement le dispositif de mesure de la température utilisant la sonde décrite précédemment. Bien que le dispositif représenté comporte une jonction Y utilisée en liaison avec la sonde de la fig. 4, ce dispositif comprend également une source de lumière blanche, une optique permettant de construire un faisceau parallèle et de réinjecter ce- lui-ci dans la fibre optique. Dans le trajet du faisceau parallèle, on pla- cera un filtre interférentiel circulaire, dont la longueur d'onde de trans- mission varie de façon continue avec la rotation du filtre. La rotation du filtre est assurée par un moteur électrique, cette méthode permettant un ba- layage de longueur d'onde continu et répétitif. Il est possible ainsi de lo- caliser périodiquement la couleur de la lumière réfléchie et par là, la tem- pérature du cristal liquide réfléchissant la lumière monochromatique injectée. Bien entendu, le filtre interférentiel pourrait être remplacé par tout appa- reil similaire permettant d'aboutir au même résultat. Le filtre interférentiel 34 définit une gamme de longueurs d'ondes qui sont transmises en continu et de façon cyclique par la fibre optique unique 37, vers les cristaux cholesté- riques de la sonde 36. A chaque température de la sonde, correspond une va- leur de la longueur d'onde pour laquelle les cristaux réfléchissent un maxi- mum de lumière, c'est-à-dire pour laquelle on observe un pic de réflexion. La lumière réfléchie est partiellement transmise par la jonction Y 38 au détec- teur 39 constitué, par exemple, par une cellule photosensible, dont le rôle est de détecter les pics de réflexion successifs. Une unité de traitement électronique 40 (non représentée en détail) comporte un dispositif pour engendrer un signal de référence indiquant le dé- but de chaque cycle de balayage. Ce dispositif peut comporter n'importe quel générateur d'impulsions en phase avec la rotation du moteur, agencé pour pro- duire une impulsion par tour du filtre interférentiel 34. Elle comporte éga- lement un dispositif pour mesurer le décalage entre le signal de référence et le signal transmis par le détecteur et correspondant à un pic de réflexion. Ce décalage peut être déterminé par une mesure de l'intervalle de 6. temps entre les deux signaux ou par une mesure du déphasage ou toute autre me- sure appropriée. Elle comprend enfin un circuit électronique qui permet d'interpré ter la courbe de la fig. 1 qui correspond aux cristaux utilisés dans la sonde 36. Un dispositif d'affichage numérique 41 indique la température exacte à la- quelle se trouve la sonde, à chaque rotation du filtre interférentiel. Ce dispositif permet de mesurer, de façon très précise et dans n'importe quel milieu, la température d'un corps, et de surveiller l'évolution 9 de cette température au cours du temps. 7. 2 t 73708 REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure optique de la température, utilisant une sour- ce pour émettre de la lumière dans une gamme de longueurs d'ondes donnée, un dispositif conducteur de la lumière pour transmettre de la lumière dans au moins une partie de ladite gamme de longueurs d'ondes, une sonde à cristaux cholestériques et un dispositif de détection, caractérisé en ce que l'on fil- tre la lumière émise par la source de façon à engendrer une lumière balayant en longueur d'onde, de façon continue et uniforme, ladite gamme de longueurs d'ondes, en ce que l'on transmet ladite lumière ainsi engendrée par l'inter- médiaire dudit dispositif conducteur de lumière à ladite sonde à cristaux cholestériques, en ce que l'on détecte au moins une partie de la lumière ré- fléchie par lesdits cristaux au moyen du dispositif de détection, et en ce que l'on mesure la température au voisinage de la sonde en mesurant le décalage entre un signal de référence engendré au début de chaque cycle de balayage et un signal de crête correspondant à la réflexion maximale de la lumière sur les cristaux, pour une longueur d'onde donnée de ladite gamme de longueurs d'ondes. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure le décalage entre le signal de référence et le signal de crête par une mesure de temps. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on me- sure le décalage entre le signal de référence et le signal de crête par une mesure de déphasage. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on me- sure ladite lumière à variation continue de la longueur d'onde à la sonde, et en ce que l'on recueille la lumière réfléchie par les cristaux, au moyen d'une fibre optique unique. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on transmet la lumière incidente sur les cristaux cholestériques par le coeur de ladite fibre unique et en ce que l'on transmet la lumière réfléchie au dispo- sitif de détection par le manteau de cette fibre. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on transmet la lumière incidente, sur les cristaux cholestériques, par le coeur de la fibre unique, en ce que l'on recueille la lumière réfléchie dans le coeur de cette fibre et en ce que l'on transmet au moins une partie de la lu- mière réfléchie au détecteur, au moyen d'une seconde fibre optique raccordée à l'aide d'une jonction Y sur la première, en un endroit éloigné de la sonde à cristaux cholestériques. 7. Dispositif de mesure optique de la température, comprenant une 39 source pour émettre de la lumière dans une gamme de longueurs d'ondes donnée, 8r73708 un dispositif conducteur de lumière pour transmettre de la lumière dans au moins une partie de ladite gamme de longueurs d'ondes, une sonde à cristaux cholestériques et un dispositif de détection, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de filtrage de la lumière émise par la source pour engendrer une lumière balayant en longueur d'onde, de façon continue et uniforme, ladite gamme de longueurs d'ondes; un dispositif pour engendrer un signal de réfé- rence au début de chaque cycle de balayage; un dispositif relié au dispositif de détection pour engendrer un signal de crête correspondant à chaque valeur crête de la quantité de lumière réfléchie par lesdits cristaux et détectée par ledit détecteur; un dispositif pour mesurer le décalage entre le signal de référence et le signal de crête et pour afficher la température au voisi- nage de la sonde, en fonction du décalage mesuré; et en ce que le dispositif conducteur de lumière est constitué d'une fibre optique unique, pour transmet- tre la lumière incidente sur les cristaux et la lumière réfléchie par eux. 8. Dispositif selqn la revendication 5, caractérisé en ce que la sonde comporte une pastille de\cristaux cholestériques disposée à l'extrémité du tronçon d'extrémité de ladite-fibre et en contact avec la surface de cas- sure transversale, et une envelopIT de protection fermée à son extrémité. 9. Dispositif selon la 4vendication 8, caractérisé en ce que la surface de cassure transversale du onçon d'extrémité de la fibre est sensi- blement plane. 10. Dispositif selon la vendication 8, caractérisé en ce que la surface de cassure transversale du t I çon d'extrémité de la fibre comporte un évidement central-pénétrant à l'intérieur de la fibre, dans sa zone cen- trale correspondant au coeur. 11. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de filtrage comprend un filtre interférentiel circulaire à varia- tion continue de la longueur d'onde, entraîné en rotation uniforme autour de son axe. 12. Dispositif selon la revendicat n 7, caractérisé en ce que le dispositif de détection comprend une cellule p otoélectrique au silicium. 13. Dispositif selon la revendicatiçn 7, caractérisé en ce que le dispositif de détection comprend un photomultiplicateur. 14. Procédé de réalisation d'une sonde de mesure optique de la température utilisant une source pour émettre de la lumière dans une gamme de longueurs d'ondes donnée, une fibre optique unique pour transmettre de la lu- mière émise par cette source, et balayée de façon continue et uniforme en longueur d'onde, dans ladite gamme de longueurs d'ondes, et un dispositif pour détecter une partie de cette lumière à variation continue de la longueur d'onde après réflexion sur des cristaux cholestériques, caractérisé en ce que 9. l'on attaque chimiquement sélectivement le tronçon d'extrémité de la fibre op- tique, de telle manière qu'il se forme une cavité sensiblement parabolique à l'intérieur de la fibre dans la zone centrale correspondant au coeur, en ce que l'on étire l'enveloppe de protection en matière synthétique de façon à ce qu'elle dépasse la surface de cassure transversale de cette fibre, en ce que l'on dépose, dans ladite cavité et sur la surface de cassure, une pastille de cristaux cholestériques, et en ce que l'on soude l'extrémité de l'enveloppe de protection étirée pour enfermer les cristaux à l'intérieur de la poche 9 fermée.