Brevet FR2581206A1 — publié le 19861031

La présente invention concerne, d'une manière générale, des transducteurs optiques à fibre optique et, plus particulièrement, des transducteurs de déplacement à fibre unique appropriés pour détecter le mouvement linéaire et rotatif d'une surface réfléchissante déformable. Un exemple de l'état de la technique antérieure est décrit dans le document US-A-4 071 753. Les transducteurs optiques à fibre décrits dans ce brevet consistent en des fibres optiques d'entrée et de sortie séparées. La position de la fibre de sortie est optiquement définie par rapport à la fibre d'entrée, de sorte qu'une partie prédéterminée de la puissance optique transmise par la fibre d'entrée soit appliquée à la fibre de sortie et que la puissance optique modulée reçue par la fibre de sortie soit transmise par celle-ci à partir du transducteur. D'autres exemples de transducteurs optiques à multi-fibres sont décrits dans les documents US-A-3 394 976, 3 789 667, 3 789 674 et 3 961 185. Tous ces transducteurs fonctionnent selon le même principe général que ceux qui sont décrits dans le document US-A-4 071 753. La lumière est introduite dans une fibre d'entrée et est réfléchie par une surface réfléchissante mobile ou déformable pour produire un faisceau de lumière modulé qui est appliqué à une fibre de sortie qui transmet la lumière modulée du transducteur vers un détecteur. L'inconvénient de ces dispositifs connus est que, dans certaines conditions, ils n'ont pas la sensibilité suffisante pour la détection du déplacement de la surface réfléchissante et, comme ce sont des dispositifs multi-fibres, ils ne conviennent pas pour la production d'ensembles micro-miniaturisés. Donc, on recherche actuellement à développer des transducteurs à fibre optique unique qui aient une sensibilité accrue pour détecter des mouvements ou des déviations mineurs d'une surface réfléchissante mobile ou déformable, tout en étant facilement adaptables à des structures micro-miniaturisées. Toutefois, dans les ensembles à fibre unique connus, il est courant d'aligner axialement la fibre, sa face étant perpendiculaire à son axe et pratiquement parallèle à la surface mobile ou déformable. Dans de tels ensembles, un cône de lumière symétrique par rapport à l'axe de la fibre est projeté par cette dernière sur la surface réfléchissante. Un c8ne de lumière réfléchie, symétrique par rapport à l'axe, repart vers la face de la fibre dans laquelle une fraction de 2 2581206 la lumière réfléchie est renvoyée pour être retransmise par la fibre. On a remarqué que la sensibilité de ces ensembles aux déplacements et aux déviations de la surface réfléchissante (c'est-à-dire la variation d'intensité de la lumière renvoyée dans la fibre en fonction de la variation de la distance entre la surface réfléchissante et la face de la fibre quand la surface se déplace) était acceptable quand la distance initiale entre la face de la fibre et la surface réflé- chissante est relativement courte (c'est-à-dire jusqu'à environ la moitié du diamètre d'une fibre dont l'ouverture numérique est de 0,5 environ). Par contre, à des distances plus grandes, la sensibilité aux variations de distance entre la surface réfléchissante et la face de la fibre ne convient pas en pratique. Donc, un objet de la présente invention consiste à prévoir des transducteurs de déplacement optiques à fibre unique ayant une sensibilité suffisante aux variations de distance entre la surface réfléchissante et la face de la fibre dans une plage relativement importante et qui soient adaptables à la production d'ensembles micro- miniaturisés. Un autre objet de la présente invention consiste à prévoir des transducteurs à fibre unique présentant une courbe de sensibilité telle que tout petit déplacement de la surface réfléchissante par rapport à la face de la fibre provoque une variation appréciable de l'intensité de la lumière réfléchie renvoyée dans la fibre. Un autre objet de la présente invention consiste à prévoir des transducteurs optiques à fibre unique qui puissent être utilisés pour détecter des déplacements linéaires et/ou angulaires provoqués par des variations de pression, de force, de moment de torsion, d'accé- lération, de température, de champs électrique ou magnétique appliqués à une surface réfléchissante. Un autre objet encore de la présente invention consiste à prévoir des transducteurs optiques à fibre unique de construction simple et qui puissent avoir une grande variété d'applications. Ces objets sont atteints au moyen de l'invention qui est un transducteur construit à partir d'une fibre ou un guide d'onde optique unique. La fibre ou le guide d'onde optique peut être monomode ou multimode. A l'extrémité de cette fibre ou près de celle-ci, la géométrie de la fibre est modifiée de telle manière que la lumière sortant de la fibre se projette sur une surface réfléchissante mobile ou déformable selon un cône agrandi. Un moyen satisfaisant d'obtenir ce cône agrandi de lumière projetée consiste à définir une zone cintrée ou courbe dans la fibre près de son extrémité de sortie. Un autre moyen satisfaisant consiste à former une surface réfléchissante chanfreinée ou inclinée à la face d'extrémité de sortie de la fibre. L'avantage de ce dispositif est que le cône agrandi se projette à partir de la face d'extrémité de la fibre sur la surface réfléchissante et revient vers la fibre sous la forme d'un autre cône agrandi. Une partie du cône de lumière réfléchie est renvoyée dans la fibre qui la retransmet avec une intensité fonction principalement du rapport de la surface de la face ou de la partie de la fibre qui reçoit le retour de lumière à la surface de l'intersction du cône de lumière réfléchie et du plan défini par la face ou la partie réceptrice de la fibre. Donc, comme la surface de la face ou de la partie réceptrice de la fibre est constante, la sensibilité du système dépend en grande partie de la variation de la surface du cône de la lumière réfléchie et, vu l'agrandissement obtenu, la sensibilité au déplacement de la surface réfléchissante est augmentée, et on a donc une détection de déplacement plus sensible selon la présente invention. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 est une vue schématique d'un ensemble de fibre optique dans lequel on utilise un transducteur optique selon la présente invention, la Fig. 2 est une vue schématique partielle d'un transducteur optique selon la présente invention, la Fig. 3 est une vue schématique partielle d'un autre transducteur optique selon l'invention, la Fig. 4 est une vue^ détaillée agrandie du trajet de la lumière dans une variante du transducteur optique de la Fig. 3, et la Fig. 5 est une vue détaillée agrandie du trajet de la lumière dans une autre variante. 4 2581206 Dans la description de l'invention qui suit et dans les dessins joints, les mêmes références numériques représenteront les mêmes élément structurels dans chacune des figures. En général, on utilisera les termes "fibre optique" ou "guide d'onde optique" pour définir une ligne de transmission en verre ou en plastique comportant un coeur entouré concentriquement de de gaines pour transmettre, par réflexion interne sur l'interface coeur-gaine, un rayonnement électromagnétique se trouvant dans la plage optique du spectre électromagnétique compris entre les micro-ondes et les rayons X, dont les ultra-violet, le spectre visible et les infra-rouge. La Fig. 1 montre un ensemble de fibre optique 10, dans lequel on utilise un transducteur 12 selon la présente invention. Le transducteur 12 est purement optique et il n'y a dedans ni connexions, ni signaux électriques. L'ensemble 10 fonctionne selon le principe de la production d'un signal optique de sortie dont l'amplitude est proportionnelle à la variation de l'information d'entrée, une fibre optique servant à transmettre la variation de puissance optique de sortie à partir du transducteur 12 jusqu'à une destination appropriée. Une source de lumière 14, telle qu'une lampe à incandescence, un laser ou une source lumineuse pour fibre optique transmet un faisceau de lumière qui est introduit dans une fibre optique ou un guide d'onde optique 16 en verre ou en plastique, avec de préférence, un ensemble de couplage à fibre optique tel que celui qui est décrit dans la demande de brevet américaine No. 506 839 déposée par le présent demandeur. La lumière est alors transmise dans le sens direct dans le coeur de la fibre 16 jusqu'au transducteur o elle sort de la fibre 16, à son extrémité de sortie, pour être projetée sur une surface réfléchissante (tel qu'un miroir mobile ou déformable) dont on doit mesurer le déplacement. En pratique, les mesures pratiques qui peuvent être faites concernant le déplacement de la surface réfléchissante sont des mouvements linéaires ou des déplacements angulaires provoqués par des variations de pression, de force, de moment de torsion, de température, d'accélération, de champs magnétiques ou électriques agissant sur la surface réfléchissante et des mesures de courbure inhérentes à la surface elle-même. De la lumière sortant de la fibre 16 et réfléchie par la surface réfléchissante, en fait, seule une petite partie est renvoyée dans le 2581206 coeur de la fibre 16 par le transducteur 12. La lumière renvoyée est alors transmise en direction inverse dans la fibre 16 vers son extrémité de départ o elle constitue une information optique modulée ou un signal lumineux, collecté par un photodétecteur 18 tel qu'une photodiode qui mesure son intensité et la compare à un signal lumineux de référence. La Fig. 2 montre un exemple de réalisation préféré de transducteur optique 12 selon la présente invention qu'on peut utiliser dans divers ensembles tels que le système de la Fig. 1. Dans cet exemple de réalisation, qui est utilisé comme transducteur de déplacement, l'extrémité de sortie 22 de la fibre 16 aboutit dans un boîtier de transducteur 24 o elle est fixée. Près de son extrémité 22 et, de préférence, sur une longueur n'excédant pas cinq à six fois, environ, son diamètre, la fibre 16 est courbée en 52 de manière que la lumière sortant de la fibre 16 par la face 26 se projette en un c8ne ouvert 28 qui est asymétrique par rapport à l'axe principal de la fibre 16. La fibre 16 est placée dans le bottier 24 de telle façon que le c8ne de lumière 28 sorte de la face 26 pour tomber sur une surface réfléchissante 30 d'un élément mobile et déformable 32 qui peut être monté, par exemple, sur des ressorts de rappel 34 et 35, de manière qu'une force appliquée à l'élément 32 le fait se déplacer par rapport à la face d'extrémité 26 et dans un plan parallèle à celui de cette dernière. En fonctionnement, quand la surface réfléchissante 30 se déplace sous l'action d'une force suffisante pour vaincre la force de rappel des ressorts 34 et 35, la partie de la surface 30 illuminée par le c8ne de lumière 28 augmente ou diminue en fonction de la distance x séparant la face 26 et la surface réfléchissante 30, et le c8ne de lumière réfléchie résultant 36 qui est reprojeté vers la face 26 s'agrandit ou se rétrécit de la même façon. Toutefois, en fait, seule une petite partie de la lumière du c8ne réfléchi 36 est renvoyée dans la fibre 26 pour être retransmise par celle-ci au photodétecteur 18. Dans cet exemple de réalisation, la quantité de lumière réfléchie qui est renvoyée dans la fibre dépend principalement du rapport de la surface 26 qui reçoit la lumière à la surface totale de l'intersection du c8ne réfléchi 36 et du plan défini par la face 26. Donc, la 6 2581206 sensibilité de l'ensemble concernant la détection de mouvement de la surface réfléchissante dépend d'abord de l'importance de la variation de la surface de lumière réfléchie projetée résultant des variations de la distance x, puisque la surface de la face 26 à laquelle est appliquée la lumière réfléchie, est constante. A ce propos, on peut remarquer que, par rapport à des ensembles de fibre unique antérieurs tels que ceux qu'on a mentionné ci-dessus dans lesquels un c6ne de lumière symétrique normal est projeté, on obtient une modification de la courbe de sensibilité du système en utilisant l'ensemble de la Fig. 2 dans lequel un cône élargi de lumière 28, asymétrique par rapport à l'axe de la fibre 16, est projeté. Par expérience, il a été constaté que la sensibilité des ensembles connus varie linéairement avec les variations de distance, selon une courbe de sensibilité représentant l'intensité de la lumière renvoyée en fonction de la distance x de la face à la surface réfléchissante, jusqu'à une distance d'environ la moitié du diamètre d'une fibre ayant une ouverture numérique d'environ 0,5. A partir de ce seuil, la courbe de sensibilité pour ces ensembles connus est trop plate pour permettre une discrimination des variations de distance entre la surface réfléchissante et la face de la fibre. Par contre, en utilisant l'ensemble de la Fig. 2, on modifie la courbe de sensi- bilité, de sorte qu'un mouvement même minime de la surface réflé- chissante par rapport à la face de la fibre peut être détecté sur une large plage de distances. On a ainsi constaté qu'en utilisant l'ensemble de la Fig. 2, tout mouvement de la surface réfléchissante à partir d'une distance donnée entratne une variation notable de l'intensité de la lumière réfléchie renvoyée dans la fibre et on détient donc un moyen plus efficace de détecter les mouvements de la surface réfléchissante. Dans le transducteur 12 de la Fig. 3, la fibre optique 16 aboutit dans le bottier 24 o elle est fixée. La fibre 16 se termine par une face qui a été biseautée par un moyen quelconque adéquat, tel que par polissage, pour former une surface inclinée par rapport à son axe. Cette face d'extrémité 38 peut être encore revêtue d'un matériau réfléchissant si on le désire. La pente de la face inclinée 38 est définie par l'angle", Fig 3. D'autre part, l'angle " est complé- mentaire d'un angle / formé par l'axe de la fibre 16 (c'est-à-dire la 7 2581206 direction générale de la lumière transmise dans la fibre 16) et un vecteur 40 normal à la face 38. L'angle/3 définit ainsi l'angle d'incidence de la lumière transmise le long de l'axe. La limite inférieure de cet angle /3 (et, par là même, la limite supérieure de l'angle ") est établie de telle manière que l'angle d'incidence de la lumière aller transmise dans la fibre 16 et rencontrant la face inclinée 38 soit égal ou plus grand que l'angle limite de réflexion totale pour que la lumière ne passe pas à travers la face 38, mais, au contraire, s'y réfléchisse. Quand la face 38 est revêtue d'un matériau réfléchissant, la limite supérieure de l'angle" n'excède pas une valeur pour laquelle la lumière aller transmise dans la fibre 16 se réfléchit sur la face d'extrémité formant miroir dans le sens retour, sans aller vers la périphérie de la fibre et se projeter sur la surface réfléchissante déplaçable ou déformable 30. Le transducteur 12 de la Fig. 3 fonctionne avec la lumière transmise dans la fibre 16 qui se réfléchit sur la face 38 et se projette hors de la fibre 16 en un cône modulé 28 sur la surface réfléchissante 30 d'un élément mobile ou déformable 32. A la Fig. 3, l'angle o L'angle /3 est donc lui aussi à 45 et la lumière transmise dans la fibre 16 le long de l'axe se réfléchit sur la face 38 selon un angle normal à l'axe. Cette lumière est alors dirigée le long de ce trajet perpendiculaire à l'axe de la fibre et, en passant à travers la surface courbe formée par la surface latérale de la fibre, le c8ne de lumière projetée est élargi. Comme on l'a expliqué à propos de l'exemple de réalisation de la Fig. 2, vu le c8ne de lumière modulé qui est projeté, la sensibilité de l'ensemble concernant la détection du mouvement de la surface réfléchissante augmente en fonction de la modification de la courbe de sensibilité résultant de l'intersection du c8ne de lumière agrandi 28 avec la surface réfléchissante 30. De plus, on peut constater que la sensibilité de tels transducteurs est encore augmentée en raison de la variation de la courbe de sensibilité qui résulte du fait que la lumière réfléchie 36 renvoyée dans le coeur de la fibre 16 est aussi réintroduite dans la fibre 16 à travers la surface latérale courbe de la fibre. La Fig. 4 est une vue agrandie détaillée du trajet de lumière dans une autre variante de transducteur 12 dans lequel l'angle 8 2581206 définissant la pente de la face inclinée 38 est supérieur à 45 . Dans cet exemple de réalisation, on peut voir que la lumière réfléchie par la face 38 revient en arrière à travers la fibre, vers la surface latérale courbe de la fibre, et entre en contact avec cette surface selon un angle d'incidence 8. Pour que cette lumière réfléchie soit réfractée à l'extérieur du coeur de la fibre, il faut que l'angle d'incidence S (qui correspond à la formule V- 90 - ou 2( - 90 ) soit inférieur à l'angle limite de réflexion totale de sorte que la lumière ne soit pas réfléchie de façon interne mais, au contraire, sorte de la fibre. De plus, comme la lumière sort du milieu de la fibre 16 qui a un indice de réfraction plus grand que celui de l'air avant d'entrer en contact avec la surface réfléchissante 30, elle est déviée selon la loi de la réfraction, si bien que l'angle d'émergence K est plus grand que l'angle g et qu'il en résulte une autre modulation du cône de lumière projeté, en plus de celle que produit le passage de lumière à travers la surface latérale de la fibre. La Fig. 5 est une vue agrandie détaillée du passage de lumière dans une autre variante du transducteur 12'. Dans cette variante, l'angle " est inférieur à 45 et l'angle e correspond à la formule = 2j4- 90 ou 90 2 supplémentaire du c6ne de lumière projeté. Dans les dessins joints, les représentations sont schématiques pour aider à la compréhension- de l'invention. Les spécialistes de la technique comprendront que les dimensions de ce qui est traité étant extrêmement petites, elles ne peuvent donc être illustrées que schématiquement. Bien qu'on ait décrit l'invention en se référant aux exemples de réalisations préférés, en particulier, d'autres modifi- cations de formes et de détails peuvent être prévues sans sortir de l'esprit ni du domaine de l'invention. Une telle modification peut consister à choisir une configuration de la face d'extrémité de la fibre pour changer la forme du c8ne de la lumière sortante. On peut, 9 2581206 par exemple, donner une forme concave ou convexe à la face d'extrémité. On pourrait également modifier la position et l'orien- tation du transducteur par rapport à la surface réfléchissante pour accomplir des mesures alternatives du déplacement ou de la structure de la surface réfléchissante. 2581206 REVENDICATIONS 1) Transducteur à fibre optique (12) caractérisé en ce qu'il comprend une fibre optique unique (16) et un élément déformable (32) ayant une surface réfléchissante (30), la fibre optique unique (16) permettant de transmettre de la lumière dans le sens aller vers une première extrémité (22) de la fibre o la lumière transmise sort de la fibre sous la forme d'un premier c8ne de lumière modulé (28) qui est projeté sur la surface (30) de l'élément déformable (32) et qui retourne selon un autre c8ne de lumière modulé (36) vers ladite première extrémité (22) de la fibre (16) par laquelle une partie de la lumière du c8ne (36) est renvoyée dans la fibre (16) et est retransmise dans le sens retour vers la seconde extrémité de la fibre, et des moyens (52 ou 38) dans la structure de la fibre (16) sur la première extrémité (22) ou dans le voisinage de celleci pour produire le premier c8ne modulé de lumière (28), afin que la sensibilité concernant le mouvement de la surface réfléchissante (30) de l'élément déformable (32) soit augmentée. 2) Transducteur à fibre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens dans la structure de la fibre destinés à produire le premier c8ne de lumière modulé (28) consistent en un coudage (52) de la fibre réalisée près de la première extrémité (22) afin qu'un c8ne de lumière agrandi, asymétrique par rapport à l'axe de la fibre (16) se projette hors de la fibre. 3) Transducteur à fibre optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite courbure (52) n'est pas à une distance supérieure à six fois le diamètre de la fibre (16) de la première extrémité (22) de la fibre (16). 4) Transducteur à fibre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de la structure de la fibre (16) destinés à produire le premier c8ne de lumière modulé (28) consistent en une surface formée à la première extrémité (22) de la fibre (16) qui est inclinée par rapport à l'axe de la fibre (16). ) Transducteur à fibre optibre selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite surface est inclinée par rapport à l'axe de la fibre (16) selon un angle plus grand que l'angle limite de réflexion totale, afin que ladite lumière transmise se réfléchisse sur ladite surface. Il 2581206 6) Transducteur à fibre optique selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite surface est revêtue d'un matériau réfléchissant. 7) Transducteur à fibre optique selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite surface est inclinée par rapport à l'axe de la fibre (6) selon un angle tel que la lumière qui s'y réfléchit entre en contact avec la surface latérale de la fibre (16) selon un angle d'incidence inférieur à l'angle limite de réflexion totale, afin que ladite lumière soit réfractée hors de la fibre, à travers la surface circonférentielle et qu'elle se projette sur ladite surface réfléchissante. 8) Transducteur à fibre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de la structure de la fibre (16) destinés à produire le premier cSne de lumière modulé (28) consistent en une surface concave formée sur ladite première extrémité (22) de la fibre. 9) Transducteur à fibre optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de la structure de la fibre (16) destinés à produire le premier c8ne de lumière modulé (28) consistent en une surface convexe formée à la première extrémité (22) de la fibre (16).