Brevet FR2478828A1 — publié le 19810925

La présente invention concerne la modification de l'acceptance angulaire d'une fibre optique et en particulier la possibilité d'obtenir pour une fibre quelconque une réponse angulaire stable sur une plage d'incidence fixée a priori. Elle est utilisable notamment dans le domaine de la métrologie et du contrôle. On connait principalement deux types de fibres optiques a) les fibres dites "à saut d'indice" constituées d'un coeur en matériau d'indice nl, entouré d'une gaine extérieure qui a un indice n2, inférieur à nl. La lumière se propage à l'intérieur du coeur par réflexions totales à l'interface entre le coeur et la gaine. Un ou plusieurs modes de propagation peuvent exister suivant la dimension du coeur et la différence d'indice entre le coeur et la gaine. D) les fibres dites "à gradient d'indice", où l'indice de réfraction du coeur décroit quasi continûment lorsqu'on va de l'axe de la fibre à l'interface coeur-gaine. La présente invention s'applique à ces deux types de fibres mais elle procure des résultats particulièrement avantageux dans le cas des fibres à saut d'indice. Pour une fibre à saut d'indice de longueur pratiquement infinie (plusieurs kilomètres) et éclairée par une onde plane dont la direction de propagation fait un angle O avec l'axe de la fibre, la courbe d'acceptance angulaire A (0) est obtenue en mesurant les variations du rapport entre le flux lumineux total émergent pour une incidence O et le flux lumineux total émergent pour une incidence nulle. Cette courbe, représentée de façon schématique à la figure 1 est symétrique et peut être caractérisée par le terme sin O k, où Ok désigne l'angle d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire est réduite d'un facteur l/k par rapport à sa valeur à une incidence nulle. Il est souvent souhaitable d'obtenir une réponse angulaire aussi constante que possible sur une plage d'incidence étendue , en d'autres termes, il faut rendre maximum le paramètre sin l-e/loo, où al-e/loo représente le demi angle au sommet du cône d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire ne s'écarte pas de sa valeur centrale de E %, E prenant des valeurs aussi faibles que possible Par ailleurs, on peut avoir besoin de limiter l'acceptance angulaire aux grands angles d'incidencec'est-à dire de disposer d'une valeur sin a0 donnée a priori où o représente le demi angle au sommet du cône d'incidence pour lequel l'acceptance angulaire à une valeur nulle. La figure 2 représente le gabarit d'acceptance angulaire auquel on veut parvenir à partir d'une fibre dont l'acceptance angulaire naturelle correspond à celle illustrée par la figure 1 La présente invention permet de réaliser une telle transformation d'acceptance angulaire. Un dispositif de transformation de l'acceptance angulaire d'une fibre optique comporte, selon l'invention, une lentille à gradient d'indice disposée à l'entrée de la fibre optique pour uniformiser l'acceptance angulaire de la fibre. De telles lentilles à variation d'indice sont notamment produites par la Société NIPPON SHEET GLASS, et vendues sous le nom de "lentilles SELFOC". Avantageusement la fibre optique est associée en outre à un mélangeur de mode, de manière à rendre la réponse totalement indépendante de l'incidence dans un domaine angulaire. L'invention s'applique notamment dans tous les systèmes où un capteur contenant une fibre à saut d'indice placé dans un flux collimaté (soleil, laser, diode laser etc .....), doit présenter une réponse uniforme sur un domaine angulaire important ou imposé à l'avance. L'invention comporte en particulier des applications au contrôle automatisé de l'homogénéité et de la planéité de la face d'entrée d'une fibre, ou encore à l'analyse des couleurs d'un objet lointain (un fruit par exemple). La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 et 2 sont des courbes qui ont déjà été définies précédemment. La figure 3 illustre schématiquement le principe d'un montage optique permettant d'obtenir le gabarit d'acceptance angulaire représenté figure 2. La figure 4 illustre schématiquement un mode de réalisation de l'invention. La figure 5 est une vue en coupe prise selon la ligne V - V de la figure 6, représentant un mélangeur de mode qui peut être avantageusement utilisé dans le cadre de l'invention. La figure 6 est une vue d'extérieur, prise selon la flèche VI de la figure 5. La figure 7 illustre schématiquement un montage faisant appel à l'invention et permettant de contrôler lnhomo- généité et la planéité de la face d'entrée d'une fibre optique. La figure 8 illustre schématiquement un montage faisant appel à l'invention et permettant l'analyse des couleurs d'un objet lointain. Le principe utilisé par l'invention est schématisé, figure 3. On peut voir une fibre optique à saut d'indice 1 avec un coeur 2 et une gaine -3. Une lentille L de focale f, d'ouverture élevée (typiquement f : 1) est placée à proximité de la fibre optique 1 de manière à ce que soient confondus, d'une part l'axe optique de la lentille et celui de la fibre, d'autre part, le plan focal de la lentille et la face d'entrée de la fibre. L'ensemble est éclairé par une onde plane surcouvrant la lentille L et inclinée d'un angle a par rapport à l'axe du montage. La lumière se focalise en un point M, tel que OM = f tg a. La fibre optique prélève à l'intérieur du cône lumineux ainsi formé la part correspondant à son acceptance angulaire propre. Or, pour les fibres à saut d'indice, cette acceptance angulaire ne varie pas suivant le point considéré à la surface du coeur. La quantité de lumière injectée à l'intérieur de la fibre ne varie donc pas tant que M reste à l'intérieur du coeur et chute brutalement lorsque M pénètre dans la gaine optique. On aura donc dans ce cas idéal = O f tgal = a 2a1 = 2 Arctg (a/f) (1) f tgqO = a 2ao = 2 Arctg (a/f) (2) les deux équations précédentes supposent que la tâche image est rigoureusement ponctuelle, ce qui ne saurait etre, ne serait-ce que pour des problèmes de diffraction. En conséquence, on aura toujours a1 La valeur de a est obtenue pour une fibre donnée en jouant sur la longueur focale f. Pour faire varier a0, il faut modifier les dimensions de la tâche image, ce qui peut se faire simplement en défocalisant légèrement la fibre. Soit d le diamètre de la tâche image, on a alors 2 oe1 = 2 Arctg f (3) 2 a0 = 2 Arctg a+d/2 (4) f ce qui montre bien que l'on peut donner à a1 et a0 des valeurs quelconques fixées a priori. Tous ces résultats supposent que les dimensions de la tâche image sont uniquement liées à la diffraction et à une éventuelle défocalisation de la fibre. Or les lentilles classiques de courte focale et de grande ouverture sont essentiellement * des lentilles sphériques ou hémisphériques en verre pour lesquelles les aberrations sur l'axe et hors de l'axe sont extrêmement importantes à de telles ouvertures, d/2 et a sont alors du même ordre de grandeur et l'obtention d'un gabarit prédéterminé est délicate. * des objectifs de microscope à fort grandissement, utilisés ou non en immersion : si les observations géométriques sont ici extrêmement bien corrigées, les convergences n'excédent pas 500 dioptries et le champ image est souvent très limité (200 microns environ). De plus l'emploi de tels composants optiques est peu compatible avec les exigences de faible coût et de versatilité habituellement imposées par les montages à fibres optiques. Dans la présente invention, comme illustrée par la figure 4, on remplace la lentille classique par une fibre 4 à gradient d'indice telles que celles produites par la Société NIPPON SHEET GLASS et commercialisées sous le nom de "lentilles SELFOC". Pour ces lentilles 4 la distribution d'indice de réfraction le long d'un rayon est donnée par N (r) = N (1 - Ar2) (5) o où N- est l'indice de réfraction le long de l'axe. o A une constante positive. N (r) l'indice de réfraction à une distance r de l'axe. Dans le cas de l'optique paraxiale, le cheminement des rayons à l'intérieur de la lentille est caractérisé par la relation matricielle XO est la position du rayon a entrée de la lentille 4 UO l'angle d'incidence. X1 la position du rayon a la sortie de la lentille 4 U1 l'angle d'émergence Z la longueur de la lentille 4 En prenant pour longueur la valeur particulisère : Z = ~~ (7) La relation matricelle prend la forme simplifiée suivante ce qui permet de montrer que (1) A une incidence Uo donnée correspond une position unique Le système fonctionne donc comme une lentille de focale dont le plan focal se trouverait sur la face de sortie de la fibre 7. (2) L'angle d'émergence U1 ne dépend pas de UO ; il est uni quement fonction de XO Ul = - N g . (10) Par ailleurs, dans une lentille 41 l'acceptance angulaire est fonction de la position du point considéré. Elle est unitaire jusqu a une valeur O donnée par Pour que le flux injecté dans la fibre soit constant sur 2a1, il faut que (l) ftg al = tg 1 = a 1/2 (12) où 00 correspond à l'angle d'incidence pour lequel llacceptance angulaire de la fibre seule s'annule. Si l'on veut obtenir des valeurs supérieures pour a1 il faudra utiliser un système de masques circulaires qui limite artificiellement la surface dé la fibre 4 aux points qui acceptent les rayons incidents sous un angle inférieur ou égal à a1 La présente invention est schématisée à la figure 4 et l'utilisation de lentilles à gradient d'indice permet d'obtenir facilement des focales très courtes (de 0,5 à 5 mm, soit 200 à 2000 dioptries) avec des systèmes optiques simples et sans grandes aberrations. La face de sortie de la lentilles 4 est disposée contre la face d'entrée de la fibre 1. Comme indiqué précédemment, on peut faire appel à une légère défocalisation pour obtenir un gabarit d'acceptance angulaire fixé a priori. Nous avions supposé jusqu'à présent que la longueur de la fibre optique à saut d'indice considérée était infinie, ce qui permettait d'affirmer que, grâce au mélange naturel des différents modes de propagation, l'émittance en sortie de fibre est uniforme et indépendante de la répartition transverse du flux lumineux incident, la valeur absolue de cette émittance E restant évidemment proportionnelle à la valeur intégrée du flux lumineux incident Les fibres utilisées n'étant jamais de longueur infinie, il conviendra d'employer un mélangeur de modes, c'està-dire un système qui par courbure ou pression réalise de manière artificielle le mélange des différents modes de propagation à l'intérieur de la fibre. Un exemple de réalisation est illustré par les figures 5 et 6. Le mélangeur 5 est constitué par l'empilement de trois plaques 6, 7 et 8. La plaque intermédiaire 7 présente un évidement de manière à former avec les plaques 6 et 8 un conduit 9 en forme d'arche. La fibre optique 1 est disposée à l'intérieur de ce conduit sans être soumise à aucune pression extérieure. Les contraintes qu'elle subit sont dues seulement à sa propre rigidité. Comme illustré figure 5, le trajet suivi par la fibre comporte successivement une partie d'entrée rectiligne ll, une partie à courbure variable dans un sens 12, une partie rectiligne 13, une partie 14 à courbure variable dans le sens contraire au premier, une partie rectiligne 15, une partie 16 à courbure variable dans le sens contraire au précédent, une partie rectiligne de sortie 17. La présente invention est particulièrement utilisable dans tous les systèmes où un capteur contenant une fibre à saut d'indice place dans un flux collimaté (soleil, laser, diode laser etc ....), doit présenter une réponse uniforme sur un domaine angulaire important ou imposé à l'avance. Par ailleurs, l'équation (14) montre que dans le cas d'une focalisation infiniment ponctuelle, c'est-à-dire pour F (X, Y,o) = (X-X , Y-Y ) F (0) (15) où b(X-X Y-Y ) est l'impulsion de DIRAC centrée en (XO,Yo), o il vient et la mesure de E en fonction de(XO, Y )permet de définir si le coefficient de couplage est uniforme sur la surface du coeur, et ce faisant de détecter par la mesure d'éventuelles fluctuations, les imperfections de surface de la fibre telles que micro-ondulations, rayures ou points diffusants. Le principe de cette dernière mesure est également utilisable dans le cas de fibres à gradient d'indice, sous réserve de pouvoir analyser les fluctuations de la réponse autour d'une valeur moyenne liée au profil d'indice dans le coeur. Un exemple de réalisation d'un tel dispositif de mesure est illustré figure 7. Ce dispositif est destiné à contrô ler automatiquement l'homogénéité et la planéité de la face d'entrée d'une fibre. On peut voir la fibre 1 associée au mélangeur 5 et à la lentille à gradient d'indice 4 disposée sur un dispositif 20 rotatif comme indiqué par la flèche 21. La lentille 4 est éclairée par une onde plane et la rotation du dispositif 20 permet de faire varier l'angle a Une lentille 22 est associée à la sortie de la fibre 1 pour envoyer la lumière qui en sort sur un récepteur 23. Ce récepteur envoie par 24 des signaux électriques à un microprocesseur 25. Ce microprocesseur peut commander la rotation du dispositif 20 par une liaison 26. Le microprocesseur 25 pourra détecter automatiquement d'éventuelles fluctuations dans la courbe A (a) et ainsi déterminer en particulier les défauts de planéité et d'homogénéité de la face d'entrée de la fibre. La figure 8 représente schématiquement un dispositif d'analyse des couleurs d'un objet "lointain". Ce dispositif peut notamment être utilisé pour déterminer la maturité de fruits (des pommes par exemple) en fonction de leurs couleurs. On peut voir l'objet 31 disposé en regard de la lentille 4 associée à la fibre 1 et au mélangeur 5. La fibre 1 est associée à un spectrographe 30. On obtient dans cette disposition un mélange des composantes spectrales de l'objet lointain 31 analysé et un tracé automatique de son spectre pour analyse des couleurs. Il va de soi que l'invention n' est pas limitée aux applications qui viennent d'être décrites. R E V E N D I C A T I O N S 10 Dispositif de transformation de l'acceptance angulaire d'une fibre optique, caractérisé en ce qu'il com- porte une lentille à gradient d'indice pour uniformiser l'acceptance angulaire de la fibre0 20 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique est associée en outre à un mélangeur de mode, de manière à rendre la réponse totalement in.,épendante de l'incidence dans un domaine angulaire. 30 Dispositif selon la revendication 2, carac térise en ce que le mélangeur de mode comporte des moyens pour imposer à la fibre au moins une courbure non périodique en forme d'arche tout en ne soumettant la fibre à aucune pression extérieure 40 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le trajet suivi par la fibre comporte successivement - une partie d'entrée rectiligne - une partie à courbure variable dans un sens - une partie rectiligne - une partie à courbure variable dans le sens contraire au premier - une partie rectiligne - une partie a courbure variable dans le sens contraire au précédent - une partie rectiligne de sortie, 50 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une défocalisation de la fibre permettant d'obtenir un gabarit d'acceptance angulaire fixé à priori. 60 Dispositif de contrôle de l'homogénéité et de la planéité de la face d'entrée d'une fibre optique, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de transformation d'acceptance angulaire selon l'une quelconque des revendica tions l à 5, des moyens pour faire varier angle d'inei- dence a, , un récepteur de la lumière issue de la fibre optique, des moyens de traitement des signaux émis par ledit récepteur permettant de détecter d'éventuelles fluctuations de la courbe de l'acceptance angulaire en fonction de l'angle a 70 Dispositif d'analyse des couleurs d'un objet, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de transformation d'acceptance angulaire de fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, un spectrographe associé à la sortie de la fibre optique, l'objet étant disposé en regard de la lentille à gradient d'indice,