Brevet FR2565683A1 — publié le 19851213

L'invention concerne un capteur optique, par exemple un capteur de pression optique, constitué par un filtre polariseur délivrant de la lumière polarisée par filtrage de la lumière délivrée par un émetteur de lumière, par un corps transmettant la lumière, modifiant l'état de polarisation de la lumière polarisée suivant une grandeur physique agissant sur le corps, par exemple une pression et un analyseur, délivrant au moins une portion de lumière polarisée linéairement par filtrage de la lumière émise par le corps transmettant la lumière, portion de lumière dont l'intensité varie en fonction de la grandeur physique agissant sur le corps transmettant la lumière. Du DE-OS 341 38 061 est connu un capteur de pression optique du genre mentionné dans le préambule, auquel est amenée, à partir d'une fibre optique, alternativement de la lumière de deux longueurs d'onde différentes. Dans ce capteur de pression, l'analyseur est sous forme de prisme de polarisation qui sépare la lumière ayant traversé le corps transmettant la lumière en un rayon ordinaire et un rayon extraordinaire, dont les intensitiés varient de façon inverse avec la pression agissant sur le corps transmettant la lumière. Lorsque le rayon ordinaire traverse un filtre chromatique pour la lumière présentant l'une des deux longueurs d'onde et le rayon extraordinaire un autre filtre chromatique pour la lumière présentant l'autre longueur d'onde, ces filtres chromatiques délivrent des impulsions de lumière présentant alternativement l'intensité du rayon ordinaire et celle du rayon extra-ordinaire. Ces impulsions de lumière sont transmises par une seule fibre optique à un dispositif d'évaluation, o les impulsions sont différemment fortement amorties, de sorte que le dispositif d'évaluation calcule des valeurs de mesure de pression incorrectes. La présente invention vise à fournir un capteur optique permettant d'obtenir des impulsions de lumière ne présentant qu'une seule longueur d'onde, dont les intensités sont fonctions des grandeurs physiques à déterminer. Ce but est atteint avec un capteur optique qui est caractérisé 256568U PHD 84.088 -2- en ce qu'un rotateur optique à 90 à commutable électriquement est prévu entre le polariseur et l'analyseur. Ainsi, le capteur réalise, à partir de lumière d'une seule longueur d'onde, des impulsions de lumière, dont les intensités varient différemment avec la pression à déterminer et qui sont amorties de la méne manière pendant la transmission au dispositif d'évaluation, de sorte que le dispositif d'évaluation peut compenser les défauts de transmission provoqués par l'amortissement et peut calculer des valeurs de mesure exemptes de défauts. Du fait que pour commuter des cellules à cristal liquide il ne faut que de petites tensions électriques, il est avantageux lorsque le rotateur optique à 90 est sous forme d'une cellule à cristal liquide, excitée par un générateur d'impulsions. Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, le polariseur et/ou l'analyseur est sous forme de prisme diviseur de polarisation assurant le guidage d'une partie de la lumière vers un détecteur de lumière servant à l'alimentation du générateur d'impulsions en énergie électrique provenant de la lumière. Ainsi, le générateur d'impulsions assurant la commutation du rotateur optique à peut fonctionner sans utilisation d'une batterie à charger électriquement, respectivement sans être connecté à une source de tension par l'intermédiaire d'un câble électrique. La description qui va suivre, en se référant aux dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 montre un capteur de pression optique présentant un générateur d'impulsions à commander pour la commutation d'un rotateur optique à 90 . La figure 2 montre un capteur de pression optique présentant un corps argenté d'un côté transmettant la lumière. La figure 3 montre un capteur de pression optique présentant une seule fibre optique comme émetteur de lumière et récepteur de lumière. Sur la figure 1, une fibre optique émettrice 1 amène de la lumière à un capteur de pression optique qui est transformé en lumière parallèle 3 par une lentille 2. Le capteur de pression optique est constitué par un premier polariseur 4, un rotateur à 90 PHD 84.088 -3- commutable 5, un corps transparent 6, une première lame à retard 7 et un analyseur 8. Une portion de lumière 10 filtrée par le premier analyseur est introduite par une lentille 9 dans une fibre optique réceptrice 11. Le corps transparent 6 est constitué par du verre de quartz. Toutefois, il peut également être constitué par d'autres.matériaux transparents, comme par exemple de la matière synthétique transparente. Le premier polariseur 4 et le premier analyseur 8 sont sous forme de prismes de polarisation, c'est-à-dire comme prismes Nicol, comme prismes Glan-Thompson ou comme prismes diviseurs de polarisation. Ils deviennent une partie de la lumière 15, 18 sur un premier détecteur de lumiere 12 et un deuxième détecteur de lumière 13 qui assurent l'alimentation du générateur d'impulsions 14 en énergie électrique provenant des portions de lumière 15 et 18. Le générateur d'impulsions 14 assure la commutation du rotateur optique à 90 5 avec une fréquence qui est fonction de ces signaux d'énergie. Le premier polariseur 4 et le premier analyseur 8 sont alignés de façon que leur direction de polarisation s'étende parallèlement au plan du dessin. L'axe optique de la lame à retard 7 par contre présente un angle de 45 . Le rotateur optique à 90 5 peut être réalisé comme une cellule à cristal liquide, constituée par deux électrodes circulaires transparentes parallèles, entre lesquelles est prévue une couche de cristal liquide optiquement biréfringent. Lorsqu'aucune tension n'est appliquée aux électrodes circulaires, la direction de polarisation de lumière polarisée incidente perpendiculaire aux électrodes circulaires est tournée de 90 . En revanche, lorsque la tension est appliquée aux électrodes circulaires, cette lumière traverse la cellule à cristal liquide de façon invariable. Le rotateur optique à 90 peut également être réalisé comme cellule Kerr, qui est constituée par un condensateur rempli de nitrobenzol, entre les deux armatures duquel passe de la lumière. Lorsqu'une tension continue est appliquée aux armatures de condensateur, la direction de polarisation de la lumière polarisée est tournée de 90 . Le rotateur optique à 90 peut cependant être formé comme cristal électro-optique ou comme rotateur Faraday. Le premier polariseur 4 subdivise la lumière 3 en un rayon - 2565683 PHD 84.088 -4- ordinaire 15 qui est amené sur le détecteur de lumière 12 et un rayon extraordinaire 16. Les rayons ordinaire et extraordinaire 15, 16 sont linéairement polarisés, le plan de polarisation du rayon extraordinaire 16 étant parallèlement au plan de dessin et celui du rayon ordinaire 15 perpendiculaire au plan du dessin. Lorsque le rotateur à 90 5 est mis en service, le rayon extraordinaire 16 traverse le rotateur à 90 5 sans variations. Lorsqu'ume pression 17 agit sur le corps transparent 6 sous un angle de par rapport au plan du dessin, la lumière polarisée linéairement est polarisée elliptiquement. L'état de polarisation dépendant de la pression, la lumière traverse la première lame à retard 7 formée comme lame à quart d'onde et le premier analyseur 8, qui assure le filtrage de cette lumière de façon à obtenir une portion de lumière linéairement polarisée 10, dont l'intensité diminué avec l'augmentation de la pression. La première lame à retard 7 montée après le corps transparent 6 assure la polarisation elliptique de la lumière même lorsqu'aucune pression 17 n'agit sur le corps transparent 6, de sorte que la lumière polarisée linéairement traverse sans variations le corps transparent 6. La portion de lumière 10 est introduite par une lentille 9 dans une fibre optique réceptrice 11 qui est connectée à un circuit d'évaluation non représenté sur le dessin. Lorsque le rotateur à 90 5 est mis hors service, le plan de polarisation du rayon extraordinaire 16 est tourné de 90 , de sorte que le corps transparent 6 est traversé par de la lumière linéairement polarisée, dont le plan de polarisation s'étend perpendiculairement au plan du dessin. Lorsqu'une pression 17 est exercée sur le corps transparent 6, cette lumière est également polarisée elliiquement. Une portion de lumière linéairement polarisée 10 est filtrée à partir de cette lumière par le premier analyseur 8 et son intensité augmente avec la pression 17. Si le rotateur à 90 5 est mis en service, l'intensité de la portion de lumière 10 diminue avec augmentation de la pression 17, et si le rotateur à 90 5 est mis hors service, l'intensité de la portion de lumière 10 augmente avec la pression 17, de sorte qu'une commutation du rotateur à 90 5 permet d'introduire alternativement des impulsions de lumière dans la fibre optique réceptrice 11, dont les intensités varient de façon inverse avec l'augmentation de la pression 17. Ainsi, le circuit d'évaluation non représenté sur le dessin peut PHD 84.088 -5- déterminer la pression 17 d'une façon très précise et indépendante des pertes d'amortissement des fibres optiques émettrices et réceptrices à partir des quotients des intensités de ces impulsions de lumière. Les intensités lumineuses des rayons ordinaires 15 et 18 séparées par le premier polariseur 4 et le premier analyseur 8 sont captées par le détecteur de lumière 12 et 13 qui excite le générateur d'impulsions 14 avec des signaux correspondant aux valeurs de ces intensités lumineuses. La fréquence à laquelle le générateur d'impulsions 14 provoque la commutation du rotateur à 90 5 peut dépendre du rapport des intensités lumineuses des rayons ordinaires 15 et 18, de sorte que la pression 17 peut également être déterminée à partir de la fréquence des impulsions de lumière transmises par les fibres optiques réceptrices 11. Dans le capteur de pression optique représenté sur la figure 2 sont prévus successivement, dans la direction de la lumière 3, un deuxième polariseur sous forme d'une feuille 19, le rotateur à 90 5, un deuxième analyseur sous forme d'un prisme diviseur de polarisation 20, une deuxième lame à retard sous forme d'une lame à 1/8 de longueur d'onde 21 et le corps transparent 6. Les directions de polarisation du polariseur 19 et du deuxième analyseur 20 s'étendent parallèlement au plan du dessin. L'axe optique de la deuxième lame à retard 21 présente en outre un angle de 45 . Le rotateur à 90 5 est commuté à fréquence réglable par un générateur d'impulsions 22. Une troisième lame à retard 28, qui est formée comme une lame quart d'onde et qui présente une face arrière réflectrice 23, est prévue de façon à retourner le rayon lumineux 24 dévié par le deuxième analyseur 20 dans la direction du deuxième analyseur 20. La face arrière du corps transparent 6 est également munie d'une couche réflectrice 25. Un rayon ordinaire 26 est séparé de la lumière en réflexion dans l'analyseur 20 et introduit par la lentille 27 dans la fibre optique réceptrice 11. Le générateur d'impulsions 22 est alimenté en épergie électrique par une batterie électrique. Toutefois, le deuxième polariseur 19 peut également être réalisé comme prisme diviseur de polarisation envoyant une partie de la lumière 3 sur un détecteur de lumière pour l'alimentation en énergie du générateur d'impulsions 22. Lorsque le rotateur à 90 5 est mis en service, la lumière PHD 84.088 -6- polarisée linéairement par le deuxième polariseur 19 et oscillant parallèlement au plan du dessin traverse de façon non variée le rotateur à 90 5 et le deuxième analyseur 20. Dans la deuxième lame à retard 21 cette lumière est polarisée elliptiquement. L'état de polarisation de cette lumière est alors modifié dans le corps transparent 6 avant et après la réflexion par la couche réflectrice 25 de façon que le petit axe de l'ellipse de polarisation augmente à mesure que la pression 17 agissant sur le corps 6 sous un angle de 45 par rapport à la direction de polarisation du deuxième analyseur 20 est plus élevée. Après augmentation continue du petit axe dans la deuxième lame à retard 21, le rayon ordinaire 26 est séparé de cette lumière dans le deuxième analyseur 20 et introduit dans la fibre optique réceptrice 11, dont l'intensite lumineuse correspond à la longueur du petit axe de l'ellipse de polarisation de la lumière et augmente avec la pression 17. Lorsque le rotateur à 90 5 est mis hors service, le plan de polarisation de la lumière polarisée linéairement par le deuxième polariseur 19 est tourné de 90 et la lumière polarisée linéairement oscillant maintenant perpendiculairement par rapport au plan du dessin est complètement déviée dans la direction de la troisième lame à retard 28. Etant donné la réflexion à la face arrière réflectrice 23, la lumière 24 traverse deux fois la lame à retard 28 formée par une lame quart d'onde, de sorte que le plan de polarisation de la lumière réfléchie est tourné de 90 et s'étend parallèlement au plan du dessin, Cette lumière traverse le deuxième analyseur 20 sans subir de variations et est ensuite introduite par la lentille 27 dans la fibre optique réceptrice 11. Suivant la fréquence à laquelle le générateur d'impulsions 22 assure la commutation du rotateur à 90 5, des impulsions de lumière alternatives sont donc introduites dans la fibre optique réceptrice 11, présentant, d'une façon alternative, une intensité lumineuse dépendant de la pression et, une intensité lumineuse O ne dépendant pas de la pression. Dans un dispositif d'évaluation formateur de quotients non représenté sur le dessin, la pression 17 peut être déterminée à partir des intensités lumineuses de ces impulsions de lumière, le résultat de mesure de pression ainsi déterminé n'étant pas influencé par les pertes d'amortissement se produisant dans les fibres optiques émettrice et réceptrice. PHD 84.088 -7- Le capteur de pression optique représenté sur la figure 3 polarise la lumière fournie par la fibre photoconductrice 1 et transformée en faisceaux parallèles à l'aide de la lentille 2, lumière qui traverse ensuite le rotateur à 90 5, un troisième analyseur 30, une quatrième lame à retard 31, qui est sous forme d'une lame à 1/8 de longueur d'onde et le corps transparent 6. Les directions de polarisation du troisième polariseur 29 et du troisième analyseur 30 s'étendent parallèlement au plan du dessin, alors que l'axe optique de la quatrième lame à retard 31 présente en outre un angle de '. La couche réflectrice 25 assure la réflexion de cette lumière qui traverse le corps transparent 6, la quatrième lame à retard 31, le troisième analyseur 30, le rotateur à 90' 5, un troisième polariseur 29 et la lentille 2 et est introduite dans la fibre photoconductrice 1, qui est par conséquent tant une fibre optique émettrice qu'une fibre optique réceptrice. Le rotateur à 90' 5 est excité par le générateur d'impulsions 22 qui est alimenté en énergie par un batterie électrique. Ici aussi, le troisième polariseur 29 peut être formé par un prisme diviseur de polarisation qui envoie une partie de la lumière 3 sur un détecteur de lumière pour l'alimentation du générateur d'impulsions 22 en énergie électrique. Sur la deuxième sortie du troisième analyseur 30 qui est sous forme de prisme diviseur de polarisation est appliquée une couche réflectrice 32. Lorsque le rotateur à 90 5 est mis en service, la lumière polarisée linéairement par le troisième polariseur 29 traverse sans inconvénients le rotateur à 90 5 et le troisième analyseur 30 et est polarisée elliptiquement dans la quatrième lame à retard 31. Etant donné la pression 17 agissant sur le corps transparent 6, l'état de polarisation de la lumière polarisée elliptiquement lors de la traversée, aller et retour, du corps 6 varie de façon que le grand axe de l'ellipse de polarisation diminue avec la pression 17, de sorte que dans le troisième analyseur 30, de la lumière polarisée linéairement s'obtient par filtrage de cette lumière et son intensité diminue avec la pression 17. Cette lumière traverse sans inconvénients le rotateur à 900 5 et le troisième polariseur 29 et est introduite à nouveau dans la fibre photoconductrice 1. Lorsque le rotateur à 90 5 est mis hors service, le plan de PHD 84.088 -8- polarisation de la lumière polarisée linéairement du troisième polariseur 29 est tourné de 90 . Cette lumière est guidée avec un plan de polarisation perpendiculaire au plan du dessin à partir du troisième analyseur 30 sur la couche injectrice 32, en réfléchie et envoyée à partir du troisième analyseur 30 à travers le rotateur à 90 5. Celui-ci est mis hors service et tourne le plan de polarisation de la lumière linéairement polarisée à nouveau de 90 , de sorte que cette lumière est linéairement polarisée avec un plan de polarisation parallèle au plan du dessin et peut traverser sans inconvénients ainsi le troisième polariseur 29 et peut être introduite par la lentille 2 dans la fibre photoconductrice. Ainsi, suivant la fréquence à laquelle le générateur d'impulsions 22 provoque la commutation du rotateur à 90 5, des impulsions dont l'intensité est alternativement dépendante de la pression et indépendante de la pression sont introduites dans la fibre photoconductrice. A partir des impulsions peut être déterminée la pression 17 dans un dispositif d'évaluation formateur de quotients non représenté sur le dessin d'une façon indépendante des pertes d'amortissement dans la fibre photoconductrice 1. Le capteur de pression optique peut également déterminer d'autres grandeurs physiques comme par exemple des champs électriques ou magnétiques. Des champs électriques peuvent être déterminés, lorsque le corps transparent 6 est par exemple sous forme d'une cellule Kerr qui modifie l'état de polarisation de la lumière polarisée en fonction d'un champ électrique agissant sur la cellule K. Des champs magnétiques peuvent être déterminés lorsque le corps transparent 6 est constitué par un grenat dopé au bismuth, qui modifie l'état de polarisation de la lumière suivant un champ magnétique agissant sur le corps 6. -9- REVENDICATIONS: 1. Capteur optique par exemple un capteur de pression optique, constitué par un polariseur (4), délivrant de la lumière polarisée (16) par filtrage de la lumière (3) délivrée par un émetteur de lumière (1,2), par un corps (6) transmettant la lumière, modifiant l'état de polarisation de la lumière polarisée (16) suivant une gran- deur physique agissant sur le corps, par exemple une pression (17), et un analyseur (8), délivrant au moins une portion de lumière pola- risée linéairement (10) par filtrage de la lumière émise par le corps (6) transmettant la lumière, portion de lumière dont l'intensité varie en fonction de la grandeur physique sur le corps transmettant la lumière, caractérisé en ce qu'un rotateur (5) optique à 90 commutable électriquement est prévu entre le polariseur (4) et l'analyseur (8). 2. Capteur optique selon la revendication 1, caraoc- térisé en ce que le rotateur (5) optique à 900 est sous forme de cellule à cristal liquide excitée par un générateur (14) d'impulsions. 3. Capteur optique selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le polariseur (4) et/ou l'analyseur (8) est sous forme de prisme diviseur assurant le guidage d'une partie de la lumière vers un détecteur de lumière alimentant le générateur (22) d'impulsions en énergie électrique provenant de la lumière.