Brevet FR2544875A1 — publié le 19841026

Capteur de déplacement optique. La présente invention concerne les capteurs de déplacement et les transducteurs à réseaux optiques. Une forme connue de réseau optique comprend un- substrat optiquement transparent, tel que du verre, sur lequel est situé un ensemble de lignes opaques disposées parallèlement les unes aux autres et séparées les unes des autres d'une distance prédéterminée Ces réseaux con- nus ont diverses applications et, en particulier, lors- qu'ils sont utilisés en paire et éclairés par un faisceau lumineux, ils tiennent lieu de capteurs de déplacement, du fait qu'un mouvement relatif des deux réseaux entraîne une modulation d'intensité du faisceau lumineux transmis. Le degré de cette modulation, tel que mesuré par un détec- teur faisant partie d'un transducteur, fournit une mesure du déplacement Cependant, toute variation des caractéris- tiques des réseaux ou du faisceau lumineux éclairant, ou encore du détecteur, telle que celle qui peut être amenée par des variations de la tension de l'alimentation élec- trique du détecteur et de la source lumineuse, ou due au vieillissement des composants, fait apparaître des erreurs dans la mesure du déplacement. Un but de la présente invention est de proposer une forme perfectionnée de capteur de déplacement qui pallie ou atténue les inconvénients ci-dessus. A cet effet, la présente invention concerne un capteur de déplacement comprenant des premier et second réseaux optiques, le premier réseau étant mobile par rap- port au second réseau pour réaliser une modulation de l'intensité d'un faisceau de rayonnement interrogateur, chaque réseau comprenant une rangée ordonnée de premier et second ensembles de raies, les raies respectives des pre- mier et second ensembles étant alternativement disposées dans la rangée, les raies des premier et second réseaux étant parallèles, et elle est caractérisée en ce que l'un des premier et second réseaux optiques comprend des raies du premier ensemble qui présentent une caractéristique op- tique selon laquelle la transmittance (ou facteur de trans- mission) ou la réflectance (ou pouvoir de réflexion) des raies est sensiblement indépendante de la longueur d'onde du rayonnement incident, et les raies du second ensemble présentent une caractéristique optique correspondante qui dépend de la longueur d'onde du rayonnement incident de manière que, pour une bande d'une première longueur d'onde, les raies du second ensemble présentent la même transmit- tance ou réflectance que les raies du premier ensemble, et que pour une bande d'une seconde longueur d'onde, les raies du second ensemble présentent une transmittance ou une réflectance différente de celle des raies du premier ensemble. Dans une forme particulière du premier réseau, les premier et second ensembles de la rangée sont suppor- tés par un substrat transparent et le second ensemble est formé d'un revêtement adhérant au substrat, le revêtement étant un matériau formant un filtre éliminateur d'interfé- rences, et le premier ensemble étant constitué de parties non revêtues du substrat. Dans une autre forme du premier réseau, est pré- vu un substrat constitué d'un matériau formant un filtre éliminateur d'interférences, le premier ensemble étant constitué d'un revêtement adhérant au substrat et définis- sant des premières raies hautement réfléchissantes, le second ensemble étant constitué de parties non revêtues du substrat. Dans une autre forme encore du premier réseau, est prévu un substrat constitué d'un matériau formant un filtre d'absorption adhérant à une couche hautement réflé- chissante, le premier ensemble étant formé d'un revêtement adhérant au substrat et définissant des premières raies hautement réfléchissantes, le second ensemble étant cons- titué de parties non revêtues du substrat. Les détecteurs selon la présente invention trou- vent leur application dans les' transducteurs de déplace- ment comprenant des moyens d'émission d'un faisceau lumi- neux agencés pour délivrer au capteur un premier faisceau lumineux dans la bande de la première longueur d'onde et pour délivrer au capteur un second faisceau lumineux dans la bande de la seconde longueur d'onde, des moyens de ré- ception de faisceau lumineux agen - és pour recueillir les premier et second faisceaux à partir du capteur, et des moyens de détection à la sortie des moyens de réception, destinés à mesurer le rapport entre les intensités des premier et second faisceaux. Selon une forme de réalisation d'un réseau op- tique selon la présente invention utilisé dans le capteur de déplacement, le capteur peut opérer soit dans un mode de transmission, soit dans un mode de réflexion Dans tous les cas, on notera que les capteurs réalisent une modulation de l'intensité de l'un des deux faisceaux lumi- neux en conséquence du déplacement de l'un des deux ré- seaux du capteur, alors que l'autre des deux faisceaux lumineux n'est aucunement soumis à une modulation d'in- tensité, ou n'y est soumis que dans une faible mesure, quels que soient les déplacements du réseau, ce faisceau tenant lieu ainsi de faisceau lumineux de référence Dans le cas o le faisceau de référence est soumis lors des déplacements du réseau è une modulation d'intensité dans une faible mesure, celle-ci peut être supprimée par cali- bration électronique En conséquence, toute variation des caractéristiques des composants du transducteur est détec- tée par les moyens de détection et, du fait que la sortie de ceux-ci présente la forme d'un rapport d'intensités, la mesure du déplacement est rendue indépendante des ca- ractéristiques des composants utilisés dans le transduc- teur. Les moyens d'émission de faisceau lumineux peu- vent comprendre une source lumineuse unique émettant de la lumière dans une large bande, une première partie de cette bande constituant le premier faisceau lumineux et une seconde partie de cette bande constituant le second faisceau lumineux, comme déterminé par la loncueur d'onde de transition du second ensemble de raies du réseau selon la présente invention Selon une variante, les moyens d'émission de faisceau lumineux peuvent comprendre une première source lumineuse n'émettant que le premier fais- ceau lumineux et une seconde source lumineuse n'émettant que le second faisceau lumineux. On notera que, si l'on utilise une seule source lumineuse de large bande, la longueur d'onde de transi- tion doit être suffisamment précise pour éliminer toute ambiguité entre les premier et second faisceaux, tandis que, si l'on utilise deux sources lumineuses séparées, la précision de la longueur d'onde de transition n'est pas nécessairement critique Cependant, les longueurs d'onde des premier et second faisceaux devront de préfé- rence être suffisamment proches, afin d'éviter ou de mi- nimiser la divergence due à des effets tels que la dis- persion de Raleigh. Les moyens de réception de faisceau lumineux peuvent comprendre un diviseur de faisceau destiné à fournir séparément aux moyens détecteurs les premier et second faisceaux lumineux Dans ce cas, les moyens de détection comprennent des éléments de détection séparés respectivement destinés à détecter les intensités des premier et second faisceaux lumineux Selon une variante, un seul élément de détection pourra être utilisé, le trans- ducteur étant agencé pour fournir les premier et second faisceaux à des instants séparés Dans cette disposition, les moyens de détection peuvent comprendre une unité de stockage de données, cette solution étant avantageuse en ce que toute détérioration ou variation des caractéristi- ques de l'élément de détection unique n'affectera pas la mesure du déplacement. Les moyens de détection peuvent comprendre tout moyen connu pour fournir le rapport souhaité, tel qu'un diviseur de tension La ou les sources lumineuses mention- nées précédemment peuvent présenter la forme de diodes laser, auquel cas des systèmes de contre-réaction pourront être utilisés pour maintenir l'intensité de sortie stable dans le temps Selon une variante, la source lumineuse pourra présenter la forme d'une diode photo-émissive, auquel cas une mesure de l'intensité de sortie est direc- tement délivrée aux moyens de détection et le taux d'im- pulsions de la diode photo-émissive est agencé pour que les moyens de détection reçoivent séparément les signaux provenant du capteur et ceux qui proviennent directement de la diode photo-émissive, le rapport entre les intensi- tés de ces signaux éliminant l'influence des variations de l'intensité de la diode photo-émissive. De préférence, les moyens d'émission de faisceau lumineux et les moyens de réception de faisceau lumineux comprennent chacun des fibres optiques, afin de rendre le transducteur approprié à une utilisation en milieu hostile. Certaines formes de réalisation de la présente invention sont décrites cidessous à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 illustre une forme de réseau op- tique destiné à être utilisé selon la présente invention les figures 2 à 5 illustrent des formes de réalisation respectives de capteurs de déplacement selon la présente invention, et les figures 6 à 8 illustrent des formes de réalisation respectives de transducteurs de déplacement selon la présente invention. Le réseau 10 illustré sur la figure 1 comprend un substrat en verre 11 comportant une surface antérieure l 1 A sur laquelle est situé un ensemble de lignes 12 s'é- tendant parallèlement les unes aux autres, les lignes ad- jacentes étant séparées par des raies 13 Les raies 13 sont constituées de régions non revêtues du substrat 11, et présentent donc les caractéristiques de transmission du substrat 11, qui sont indépendantes de la longueur d'onde du rayonnement incident Les lignes 12 sont cepen- dant chacune formées d'un revêtement adhérant à la surface 11 A et constitué d'un matériau qui présente une transmis- sivité sélective, en fonction de la bande de longueurs d'onde du rayonnement incident A titre d'exemple, les lignes 12 peuvent être constituées d'un revêtement com- portant une ou plusieurs couches et tenant lieu de filtre d'interférences, qui transmet au-dessous d'une longueur d'onde prédéterminée (la longueur d'onde de transmission) et qui ne transmet pas pour des longueurs d'onde situées au-dessus de la longueur d'onde prédéterminée. La figure 2 illustre un capteur 50 formé d'une paire de réseaux 10 tels qu'individuellement décrits en référence à la figure 1 Ce capteur 50 opère en mode de transmission, de sorte que la lumière incidente est trans- mise à travers le capteur 50 en étant modulée en intensité ou non, selon que la bande de longueurs d'onde est au- dessus ou au-dessous de la longueur d'onde de transition ou prédéterminée des lignes 12. Dans le capteur 50, les lignes 12 des réseaux présentent la caractéristique de transmettre les lon- gueurs d'onde situées au-dessous de la longueur d'onde prédéterminée et de ne pas transmettre les longueurs d'onde situées au-dessus de la longueur d'onde prédétermi- née On notera cependant que la disposition inverse pourra être utilisée, auquel cas les lignes 12 ne transmettront pas au-dessous de la longuenr d'onde prédéterminée et transmettront au-dessus de la longueur d'onde prédétermi- née Dans tous les cas,-le faisceau lumineux incident qui a une longueur d'onde pour laquelle les lignes 12 trans- mettent tient lieu de faisceau de référence et, ainsi, la caractéristique de transmission précise des lignes 12 ain- si que de la partie du substrat 11 sur laquelle sont si- tuées les lignes 12 doit être égale à celle des raies 13. En outre, le faisceau lumineux incident qui a une longueur d'onde pour laquelle les lignes 12 ne transmettent pas tient lieu de faisceau de signal et est modulé en inten- sité par le déplacement d'un réseau 10 par rapport à l'au- tre réseau 10 du capteur 50. La figure 3 illustre un capteur 54 qui comprend un réseau 55 comportant un substrat en verre 56 sur lequel sont situées des lignes 57 qui ne transmettent pas, qui peuvent être soit des lignes de miroir, soit des lignes opaques, et qui ne transmettent jamais, quelle que soit la longueur d'onde du rayonnement incident (c'est-à-dire que le réseau 55 est un réseau conventionnel connu) Le capteur 54 comprend également un réseau 10 tel que décrit en référence à la figure 1 Ce capteur opère en mode de transmission du fait qu'à la fois le faisceau signal et le faisceau de référence sont transmis à travers le cap- teur 54, mais dans ce cas, le faisceau de référence est soumis à une atténuation d'intensité (de l'ordre de 50 %) provoquée par la présence des lignes 57. La figure 4 illustre un capteur 60 qui comprend un réseau conventionnel ou connu 61 comportant des lignes opaques 63 sur un substrat en verre 62 Le second réseau 66 du capteur 60 est formé par des lignes de miroir 65 montées sur un substrat 64 formé d'un matériau formant un filtre d'interférences Ainsi, ce capteur 60 opère en mode de réflexion, et le faisceau de référence dû à la présence des lignes 63 est soumis à une atténuation d-'in- tensité lorsque le substrat 64 ne transmet pas (et est non réfléchissant) De même, le faisceau signal, en plus d'être modulé, est atténué en intensité par la présence du subs- trat 64 lorsque celui-ci transmet. La figure 5 illustre un capteur 70 qui comprend un réseau conventionnel ou connu 71 comportant des lignes opaques 72 sur un substrat en verre 73 Le second réseau 76 est constitué de lignes de miroir 75 à haute réflexion sur un substrat 74 formé d'un matériau de filtrage par absorption 77 adhérant à un revêtement en miroir 78 à haute réflexion Ainsi, le capteur 70 opère en mode de réflexion et le faisceau de référence, bien que soumis à une atténuation d'intensité, est obtenu lorsque le maté- riau 77 est dans son rode de transmission intégrale, la totalité du réseau 76 étant ainsi hautement réfléchissante et tenant lieu simplement de miroir Bien entendu, le faisceau signal est formé par réflexion sur les lignes lorsque le matériau filtrant 77 est dans son mode d'absorption ou opaque. Diverses formes de réalisation de transducteurs de déplacement sont décrites ci-dessous à titre d'exemple en utilisant le capteur 50 de la figure 2, le transducteur étant ainsi en mode de transmission, mais on comprendra que les autres capteurs 54, 60, 70 précédemment décrits pourront remplacer le capteur 50, une adaptation appro- priée étant faite dans la réception des faisceaux lumineux à partir du capteur lorsque celui-ci opère en mode de réflexion. Dans le transducteur 20 illustré sur la figure 6, le capteur 5 r O est interrogé par de la lumière émise le long d'une fibre optique 22, et la lumière transmise est recueillie par une fibre optique 23, les fibres 22 et 23 formant ainsi un câble à fibres optiques bidirectionnel. La lumière est introduite dans la fibre 22 par une lentille autoconvergente 24 à partir d'une source à large bande 25 qui dans le cas présent est constituée d'une diode photo- émissive d'une longueur d'onde centrale de 820 nm Les lignes 12 de chaque réseau 10 du capteur 50 ont une lon- gueur d'onde de coupure de 830 nm, de sorte que la source procure simultanément le premier faisceau lumineux cons- titué de longueurs d'onde inférieures à 830 nm et le se- cond faisceau lumineux constitué de longueurs d'onde supe- rieures à 830 nm La fibre 23 délivre les faisceaux lumi- neux recueillis à une lentille auto-convergente 26 dont la sortie est incidente sur un diviseur de faisceau 27, les fréquences constituant le premier faisceau lumineux étant transmises à travers le diviseur de faisceau 27 vers une première photodiode 28 et les fréquences constituant le second faisceau lumineux étant réfléchies par le diviseur de faisceau 27 sur une seconde photodiode 29 Chaque photo- diode 28, 29 mesure l'intensité dufaisceau lumineux qu'elle reçoit et les sorties électriques des photodiodes 28, 29 sont délivrées à un diviseur de tension 30 qui fournit à sa sortie 31 le rapport des intensités On no- tera que les caractéristiques du diviseur de faisceau 27 doivent être choisies au départ pour être comparables à celles des lignes 12 des réseaux 10, dans la mesure o le diviseur de faisceau 27 transmet le premier faisceau sen- siblement sans pertes et réfléchit le second faisceau sen- siblement sans pertes. Dans le second transducteur illustré sur la fi- gure 7, la source lumineuse 25 comprend une première diode laser 35 ayant une bande étroite à 840 nm, une seconde diode laser 36 ayant une bandze étroite à 904 nm, et un dissecteur de faisceau 37 agencé pour transmettre le faisceau lumineux provenant de la diode laser 35 et pour réfléchir lé faisceau provenant de la diode laser 36 Le dissecteur de faisceau 37 est agencé pour réfléchir un faible pourcentage de la lumière provenant de la diode 35 et pour transmettre le même petit pourcentage de la lumiè- re provenant de la diode laser 36, ceux-ci étant détectés par une photodiode 38 dont la sortie est délivrée comme signal de contre-réaction au circuit d'impulsions et à l'alimentation 39 qui commandent alternativement les dio- des 35 et 36 de manière que leurs faisceaux de sortie soient entrelacés dans le temps. La fibre optique 23 délivre les deux faisceaux lumineux entrelacés dans le temps à une photodiode unique 41 dont la sortie électrique est délivrée à un circuit de traitement 42 qui comprend une unité de stockage de don- nées et une unité de division de données. Dans le second transducteur, la longueur d'onde de coupure des lignes 12 des réseaux 10 est de 870 nm. On notera que les deux diodes laser 35, 36 de la forme de réalisation de la figure 7 pourraient être respectivement remplacées par des diodes photo-émissives associées à des filtres à bande étroite, par exemple, par une diode photo-émissive ayant une longueur d'onde centra- le de 820 nm en combinaison avec un filtre à bande étroite Ealing ayant une longueur d'onde centrale de 820 nm d'une part, et par une diode photoémissive ayant une longueur d'onde centrale de 900 nm en combinaison avec un filtre à bande étroite Ealing ayant une longueur d'onde centrale de 900 nm d'autre part. On notera également que le diviseur de faisceau 37, qui tient lieu de dispositif destiné à combiner les deux faisceaux lumineux, pourrait être remplacé par un coupleur optique à quatre points. Dans le transducteur illustré sur la figure 8, les fluctuations de l'intensité des faisceaux lumineux émis par les deux sources lumineuses 35, 36 sont contrô- lées en échantillonnant la sortie de lumière de celles-ci i L et en couplant la lumière échantillonnée sur la photodiode 41 au moyen de diviseurs de faisceau 45, 46. A titre d'exemple, les réseaux 10 de la figure 1 pourront être fabriqués par les techniques de photolitho- graphie Tout d'abord, le substrat en verre est revêtu du matériau à partir duquel les lignes doivent être formées, puis le matériau est recouvert d'une couche de résine photosensible qui est exposée à de la lumière ultra-vio- lette à travers un réseau de diffraction modèle La résine photosensible est alors développée et gravée de façon ap- propriée en utilisant un agent de gravure au dioxyde de silicium. Bien que chacun des transducteurs décrits forme un système transducteur unique, il peut être utilisé dans un système à multiplexage passif en utilisant un ensemble de paires de longueurs d'onde de source. On notera également que, pour fournir simultané- ment au détecteur un faisceau signal et un faisceau de ré- férence, deux sources de faisceaux lumineux séparées peu- vent être utilisées, chaque faisceau étant modulé en fré- quence et étant séparé dans le détecteur par démodulation. Cette solution élimine la nécessité de mémoriser les don- nées, de la manière précédemment décrite. REVENDICATIONS 1 Capteur de déplacement ( 50) comprenant des premier ( 10) et second ( 10) réseaux optiques, le premier réseau étant mobile par rapport au second réseau pour réa- liser une modulation de l'intensité d'un faisceau de rayon- nemen 4 F interrogateur, chaque réseau ( 10) comprenant une rangée ordonnée de premier et sec nd ensembles de raies ( 12, 13), les raies respectives des premier et second en- sembles étant alternativement disposées dans la rangée, * 10 les raies des premier Pt second réseau étant parallèles, caractérisé en ce que l'un des premier et second réseaux optiques ( 10) comprend des raies ( 13) du premier ensemble qui présentent une caractéristique optique selon laquelle la transmittance ou la réflectance des raies ( 13) est sen- siblement indépendante de la longueur d'onde du rayonne- ment incident, et en ce que les raies ( 12) du second en- semble présentent cne caractéristique optique correspon- dante qui dépend de la longueur d'onde du rayonnement incident, de manière que, pour une bande d'une première longueur d'onde, les raies ( 12) du second ensemble aient la même transmittance ou réflectance que les raies ( 13) du premier ensemble et que, pour une bande d'une seconde longueur d'onde, les raies ( 12) du second ensemble aient une transmittance ou une réflectance différente de celle des raies ( 13) du premier-ensemble. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le premier réseau ( 10), les premier et se- cond ensembles de la rangée sont supportés nar un substrat transparent ( 11) et le second ensemble ( 12) est formé d'un revêtement adhérant au substrat ( 11), le revêtement ( 12) étant un matériau formant un filtre éliminateur d'interfé- rences, et le premier ensemble ( 13) étant constitué de parties non revêtues du substrat ( 11). 3 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier réseau ( 66) comprend un substrat ( 64) constitué d'un matériau formant un filtre éliminateur d'in- terférences, et le premier ensemble ( 65) est formé d'un revêtement adhérant au substrat et définissant des pre- mières raies hautement réfléchissantes, le second ensemble étant constitué de parties non revêtues du substrat ( 64). 4 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier réseau ( 76) comprend un substrat ( 77) constitué d'un matériau formant un filtre d'absorption et adhérant à une couche hautement réfléchissante ( 78) et le premier ensemble ( 7;) est formé d'un revêtement adhérant au substrat ( 77) et définissant des premières raies haute- ment réfléchissantes ( 75), le second ensemble étant cons- titué de parties non revêtues du substrat ( 77). Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'autre ( 55) des premier et second réseaux com- prend un substrat qui transmet ( 56) supportant des lignes ( 57) présentant une caractéristique optique selon laquelle la transmittance ou la réflectance des lignes est indépen- dante de la longueur d'onde du rayonnement incident. 6 Capteur selon l'une quelconque des revendica- tions 3 et 4, caractérisé en ce que l'autre ( 61) des pre- mier et second réseaux comprend un substrat qui transmet ( 62) supportant des lignes ( 63) qui ne transmettent pas et qui ne réfléchissent pas, et ce quelle que soit la longueur d'onde du rayonnement incident. 7 Transducteur de déplacement comprenant un capteur de déplacement selon l'une quelconque des reven- dications l à 6, caractérisé par la combinaison avec des moyens d'émission de faisceau lumineux ( 25, 24, 22) agen- cés pour délivrer au capteur ( 50) un premier faisceau lu- mineux dans la bande de la première lcngueur d'onde et pour délivrer au capteur ( 50) un second faisceau lumineux dans la bande de la seconde longueur d'onde, des moyens de réception de faisceau lumineux ( 23, 26, 27) agencés pour recueillir les premier et second faisceaux à partir du capteur ( 50), et des moyens de détection ( 28, 29, 30 à la sortie des moyens de réception ( 23, 26), destinés à mesu- rer le rapport entre les intensités des premier et second faisceaux. 8 Transducteur selon la revendication 7, carac- térisé en ce que les moyens d'émission de faisceau lumineux ( 25, 24, 22) et les moyens de réception de faisceau lumi- neux ( 23, 26) comprennent chacun des filbres optiques, afin de rendre le transducteur approprié à une utilisation en milieu hostile. 9 Transducteur selon l'une quelconque des re- vendications 7 et 8, caractérisé en ce que les moyens de détection ( 28, 29, 30) comprennent des premier et second éléments de détection ( 28, 29) et les moyens de réception de faisceau lumineux comprennent un diviseur de faisceau ( 27) destiné à délivrer séparément les premier et second faisceaux lumineux aux éléments de détection respectifs ( 28, 29) des moyens de détection ( 28, 29, 30). Transducteur selon l'une quelconque des re- vendications 7 et 8, caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent un élément de détection unique ( 41) et les moyens d'émission de faisceau lumineux ( 23, 26) sont agencés pour fournir les premier et second faisceaux en des instants séparés. 11 Transducteur selon la revendication 10, ca- ractérisé en ce que les moyens de détection ( 41) compren- nent en outre une unité de stockage de données ( 42) des- tinée à stocker les données d'intensité d'un faisceau jusqu'à ce que l'intensité de l'autre faisceau soit dé- tectée, afin de permettre la mesure dudit rapport d'in- tensités.