Brevet FR2596170A1 — publié le 19870925

- 1 - 2596170 TRANSDUCTEUR OPTIQUE La présente invention concerne un transducteur optique comprenant une source de rayonnement optique sur une bande de longueurs d'ondes, une tête optique qui disperse ledit rayonnement en ses composantes de longueurs d'ondes différentes le long d'une zone, de manière que la longueur d'onde du 5 rayonnement arrivant de la tête optique sur un emplacement de ladite zone dépende de cet emplacement, et un élément mobile par rapport à ladite zone et situé sur le parcours du rayonnement. Les transducteurs optiques sensibles aux déplacements sont bien connus, et 10 emploient généralement une source lumineuse et un récepteur (tels que ceux fournis par les extrémités d'une fibre optique), ainsi que des moyens permettant de varier la quantité de lumière tombant sur le récepteur en fonction de ces déplacements. Les moyens permettant de faire varier le rayonnement peuvent comporter un masque mobile ayant une ouverture de 15 dimensions variables ou un filtre de densité neutre ayant une densité qui varie le long de la direction du déplacement. Ces transducteurs peuvent fonctionner d'une manière satisfaisante, pour autant que l'intensité du rayonnement tombant sur le récepteur ne varie pas pour une autre raison. Ainsi, chaque variation du rayonnement émis par la source lumineuse, telle 20 que par exemple, celle due à une modification de la puissance d'alimentation de la source lumineuse, est à l'origine d'erreurs de lecture importantes. On peut réduire l'effet de ces variations de l'intensité de lumière, en modulant le contenu spectral du rayonnement en fonction du déplacement. 25 Cependant, avec les transducteurs de ce genre actuellement connus, il est difficile d'obtenir une sortie linéaire, parce que ces dispositifs produisent une dispersion spectrale qui n'est pas linéaire et parce que les décodeurs de longueur d'onde ne répondent généralement pas de manière linéaire. Un autre agencement prévoit de disperser la lumière en ses composants spectraux et de déplacer un masque codé dans le spectre pour permettre la transmission de différentes parties du spectre en fonction de la position du masque. Le rayonnement ayant traversé le masque est focalisé sur une extrémité d'un câble optique et il est de nouveau dispersé à l'autre -2 - 2596170 extrémité du câble. En mesurant l'intensité du rayonnement dans différentes parties du spectre, on peut déterminer la position du masque. Cependant, avec cet agencement, il est difficile de garantir que tout le rayonnement transmis à travers le masque soit focalisé sur l'extrémité de la fibre réceptrice, parce que l'image formée est étalée sur le-plan image à cause de la nature dispersée du spectre image sur le masque. Un autre problème est que, dans certaines circonstances, il n'est pas possible d'utiliser un masque transparent là o l'accès est nécessaire des deux côtés du masque. La présente invention a donc pour but de fournir un transducteur optique permettant d'éviter les problèmes mentionnés ci-dessus. A cet effet, un transducteur optique selon l'invention est du type indiqué en préambule et il est caractérisé en ce que l'élément mobile comporte un 15 codeur optique formé par des marques réfléchissantes, de telle manière qu'un rayonnement soit réfléchi par l'élément mobile vers la tête optique avec une longueur d'onde différente selon la position de l'élément mobile, en ce que la tête optique est agencée pour défléchir le rayonnement réfléchi en fonction de la longueur d'onde de celui-ci et pour former une 20 image sur l'extrémité d'un guide de rayonnement, et en ce que ledit guide de rayonnement s'étend jusqu'à un détecteur qui est sensible aux différentes longueurs d'ondes du rayonnement et qui délivre un signal de sortie en fonction de la position de l'élément mobile. De préférence, la tête optique comporte un élément de diffraction qui disperse le rayonnement en ses composantes de longueurs d'ondes différentes et défléchit vers le guide de rayonnement le rayonnement réfléchi par lesdites marques. L'élément de diffraction peut être constitué par un réseau de diffraction. Dans sa forme préférée, la tête optique 30 comporte une surface de réflexion convergente qui est disposée de façon à collimater et réfléchir le rayonnement vers l'élément de diffraction et à focaliser le rayonnement sur les marques réfléchissantes et sur l'extrémité du guide de rayonnement. Le transducteur peut comporter un premier guide de rayonnement qui transmet le rayonnement de la source à la tête optique, et un second guide de rayonnement qui est distinct du premier et qui transmet le rayonnement de la tête optique au détecteur. Le premier guide de rayonnement est de - 3 - 2596170 préférence un câble optique à fibre unique. De son côté, la tête optique peut être constituée par un bloc en matière transparente aux rayonnements optiques. Dans une forme de réalisation avantageuse, l'élément mobile est un codeur analogique qui comporte deux pistes réfléchissantes présentant un écartement mutuel qui diffère selon la position du codeur. En même temps, le détecteur est sensible à l'écart entre les longueurs d'ondes réfléchies par les deux pistes et il délivre un signal de sortie en fonction de cet écart. 10 Dans une forme particulière de réalisation, l'élément mobile peut se déplacer dans deux directions perpendiculaires l'une à l'autre, le détecteur est sensible à la fois à l'écart entre les longueurs d'ondes réfléchies et à la valeur absolue de celles-ci, et il délivre un signal de sortie en fonction de la position de l'élément mobile suivant les deux directions. Dans une autre 15 réalisation, l'élément mobile peut être un disque rotatif, l'une des pistes réfléchissantes étant circulaire et centrée sur l'axe de rotation du disque, et l'autre étant en spirale. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description 20 suivante d'exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: La fig. I est un schéma de principe du transducteur, la fig. 2 est une vue en élévation latérale de la tête optique du transducteur, la fig. 3 est une vue en plan d'une première forme de réalisation de l'élément mobile de codage incorporé au transducteur, 30 la fig. 4 est une vue en plan d'une seconde forme de réalisation de l'élément mobile de codage, et les fig. 4A à 4C représentent des signaux de sortie pour différentes 35 positions de l'élément mobile selon la fig. 4. En référence à la fig. 1, le transducteur optique représenté schématiquement comporte une source I de rayonnement optique sur une bande de longueurs - 4 d'ondes % I à 2, grâce à une diode photo-émettrice ou une autre source, par exemple une lampe à incandescence, et à une commande électrique 21. A partir de la sburce 1, le rayonnement est dirigé par un câble optique 2 à fibre unique sur une tête optique 3 qui sera décrite plus loin de manière plus 5 détaillée. La tête optique 3 disperse le rayonnement en ses composantes spectrales et elle le dirige sur un disque codeur 4 qui pivote autour de son axe 5 en fonction des variations d'une variable d'entrée. Cette variable peut par exemple être tirée d'un capteur de pression ou de température, agencé pour faire tourner un arbre d'entrée 6 du disque 4. 10 Le disque codeur 4 réfléchit en direction de la tête optique 3 différentes parties du spectre selon la position du disque. Ce rayonnement réfléchi est recombiné dans ia tête optique 3 et transmis à une extrémité d'un câble optique 7 à fibre unique. L'autre extrémité du câble de retour 7 est 15 raccordée à un décodeur de longueur d'onde 8 qui disperse le rayonnement transmis en retour par le câble en ses composantes de longueur d'onde. Le décodeur 8 peut comporter un dispositif de dispersion de tout type classique, tel qu'un réseau de diffraction ou un prisme. Le spectre formé par le décodeur 8 est focalisé sur une rangée 9 de photodiodes ou de dispositifs 20 similaires, qui délivre sur des lignes 10 des signaux de sortie représentatifs de l'intensité du rayonnement dans les différentes parties du spectre. Comme il y a généralement plusieurs photodiodes qui sont éclairées, il est prévu une unité de traitement 11 des signaux pour identifier les pics d'éclairement. Le signal de sortie de l'unité de traitement Il est délivré à 25 un dispositif d'affichage 12 indiquant la position du disque codeur 4, le cas échéant au moyen d'une échelle qui indique directement la valeur de la variable concernée, par exemple la pression ou la température. En variante, le signal de sortie peut être délivré à d'autres utilisateurs, par exemple pour assurer une commande en fonction de la variable mesurée. 30 Si l'on utilise de la lumière blanche d'intensité suffisante, on peut dériver une fraction de la lumière modifiée et l'utiliser pour former un point lumineux sur un voyant de contrôle. Ceci peut fournir une indication simple et directe de l'état d'une variable. Par exemple, puisque le rouge se trouve 35 à une extrémité du spectre visible, cette couleur pourrait être utilisée pour indiquer une pression dangereusement élevée, tandis que le vert indiquerait une pression correcte. - 5 Z596170 La tête optique 3 sera décrite plus en détail en référence à la fig. 2. Elle est constituée par un bloc de verre compact, formé de différents éléments de verre associés de manière jointive, mais on peut aussi utiliser d'autres matières transparentes aux rayonnements optiques. La majeure partie de la 5 tête 3 est constituée par un bloc de collimation 31 présentant une forme générale rectangulaire et une surface sphérique convergente 32 sur laquelle est déposé un revêtement réfléchissant 33. La surface opposée 34 du bloc 31 est plane et elle supporte les autres composants de la tête optique. Ceux-ci comprennent deux éléments prismatiques 35 et 36 qui sont joints à la partie 10 supérieure de la surface plane 34 et par lesquels le rayonnement entre dans la tête et en sort. L'élément d'entrée 35 possède une surface plane 37 qui est appliquée contre la surface plane 34 du bloc de collimation, et une surface inférieure inclinée 38 qui réfléchit vers le bloc 31 le rayonnement entrant et qui permet au rayonnement sortant du bloc 31 de passer dans 15 l'élément de sortie 36. Celui-ci a la forme d'un parallélépipède dont une face 39 est appliquée contre la face inclinée 38 de l'élément 35. La face opposée 40 est revêtue d'une matière réfléchissante et elle réfléchit le rayonnement en direction de la fibre de retour 7. Un élément de diffraction 41 est monté contre la surface plane 34 en dessous des éléments 35 et 36. L'élément 41 est un bloc de verre ayant une face avant plane 42 qui est appliquée contre le bloc 31, et une face arrière inclinée 43 qui est couverte d'un réseau de diffraction réfléchissant 44. La partie inférieure de la surface plane 34 du bloc de collimation 31 est associée à un élément à prisme 45 possédant une face arrière inclinée 46 qui est pourvue d'un revêtement réfléchissant, pour réfléchir vers le bas sur le disque codeur 4 le rayonnement sortant du bloc 31. De même, cette face 46 réfléchit en direction du bloc 31 le rayonnement réfléchi par le disque 30 codeur 4. En suivant le trajet du rayonnement à travers la tête optique 3, on constate que le rayonnement issu de la fibre d'entrée 2 pénètre dans la tête en direction verticale descendante et que ce rayonnement est divergent. La 35 surface 38 réfléchit le rayonnement vers la droite selon le dessin, approximativement horizontalement en direction de la surface réfléchissante de collimation 32. La courbure de cette surface est telle qu'elle produit un faisceau réfléchi parallèle qui est dirigé vers la gauche du bloc 31 et -6 parvient sur le réseau de diffraction 44. Ce réseau disperse le rayonnement incident en ses composantes spectrales pour produire un faisceau réfléchi s'étalant entre les traits continus et les traits interrompus du dessin. Le rayonnement dispersé est dirigé vers l'arrière sur la surface de collimation 5 32, qui fait converger le rayonnement incident et le renvoie vers la gauche à l'élément à prisme 45. Le rayonnement est réfléchi vers le bas par la face arrière 46 du prisme 45 et il est focalisé sur la surface du disque codeur 4; En conséquence, le rayonnement est dispersé en ses composantes sous forme d'un spectre 60 réparti le long d'une zone radiale du disque 4. 10 Au retour, le rayonnement réfléchi par le disque codeur 4 suit le même chemin à travers la tête optique 3 jusqu'au réseau de diffraction 44. Sur ce réseau, le rayonnement réfléchi par le disque 4 est défléchi selon un angle qui dépend de la longueur d'onde. Après réflexion sur la surface convergente 15 32, le rayonnement atteint la surface inclinée 38 du bloc d'entrée 35. La surface arrière 38 du bloc d'entrée 35 et la surface avant 39 du bloc de sortie 36 forment ensemble une surface divisant le faisceau, de sorte qu'une certaine proportion du rayonnement réfléchi par le disque codeur 4 est transmise par les surfaces 38 et 39 vers la face réfléchissante 40, o le 20 rayonnement est réfléchi vers la fibre de retour 7. Le réseau 44 garantit que tout le rayonnement réfléchi par le disque codeur forme une image au même point à l'extrémité de la fibre de retour 7. On constate que, grâce à l'utilisation de la tête optique 3, le rayonnement 25 est dispersé avant de former une image sur le disque codeur 4 et que celles des longueurs d'ondes qui sont réfléchies par les pistes réfléchissantes du disque codeur sont recombinées par le réseau 44. De cette manière, l'objet de petit diamètre formé par l'extrémité de la fibre d'entrée 2 est étalé le long du spectre 60 sur le disque codeur 4, et le rayonnement réfléchi est 30 combiné et focalisé sous forme d'une image de petit diamètre sur l'extrémité de la fibre de retour 7. Par conséquent, l'image focalisée sur l'extrémité de la fibre de retour 7 est de même taille que l'extrémité de la fibre d'entrée 2, ce qui assure une efficacité maximale si la fibre de retour est de même diamètre que la fibre d'entrée. 35 Avec d'un codeur réfléchissant, on utilise la même tête optique pour disperser et recombiner le rayonnement, ce qui évite la nécessité d'un organe séparé pour cette combinaison, avec le supplément de coût et -7 d'encombrement qu'il impliquerait. En outre, avec un codeur réfléchissant, il n'y a pas besoin d'avoir accès derrière le codeur. Ceci permet de prévoir les marques de codage sur un élément opaque, par exemple sur un volant. Grâce à la surface de collimation 32, le réseau de diffraction 44 et les surfaces réfléchissantes 38, 45 et 40 sont toutes prévues sur un bloc compact, ce qui réduit le risque de mouvement relatif des surfaces par vibration. Il serait possible d'utiliser le même câble optique pour fournir et recevoir le rayonnement. Cependant, si le câble comporte des connecteurs, il y a un risque de réflexion dans les connecteurs et de transmission du rayonnement d'entrée au décodeur, ce qui rendrait difficile de distinguer le rayonnement réfléchi. La fig. 3 illustre une forme de réalisation du disque codeur 4. Celui-ci comporte une base non réfléchissante et des marques réfléchissantes sous la forme de pistes 51 et 52. La piste extérieure 51 est circulaire et centrée sur l'axe 5 du disque. La piste intérieure 52 a une forme en spirale, de sorte que 20 la distance entre les deux pistes 51 et 52 varie sur le pourtour du disque 4. Le spectre formé sur le disque 4 est indiqué par la zone 60 qui s'étend radialement, donc en travers des deux pistes. Selon la position angulaire du disque, ce sont différentes parties du spectre qui sont réfléchies vers la tête optique 3 par la piste en spirale 52. La piste circulaire 51 réfléchit toujours 25 le rayonnement de la même partie du spectre si la piste est bien centrée. Toutefois, si l'on détecte la distance entre les deux pistes, comme dans cette forme de réalisation, le transducteur n'est pas sensible aux erreurs de centrage du disque codeur. Il faut noter que la piste 52 peut avoir différentes formes de spirales, si bien que sa distance à la piste 51 n'est pas forcément une fonction linéaire de l'angle de rotation du disque 4. Par exemple, dans le cas illustré sur la fig. 3, l'écart entre les deux pistes est pratiquement constant dans la partie inférieure de la figure, ce qui donnera un signal de sortie constant dans 35 toute une gamme de valeurs de la variable fournie par le capteur. Avec d'autres formes de la piste 52, on pourrait corriger une éventuelle non-linéarité du détecteur 8, 9, 11 et/ou du capteur de manière à fournir une sortie linéaire par rapport à la variable d'entrée mesurée par le capteur. -8 En variante, le disque codeur pourrait comporter un codage numérique, par exemple le système codé Gray. Le codeur n'a pas nécessairement la forme d'un disque rotatif, comme on 5 vient de le décrire, mais pourrait être constitué par une plaque mobile longitudinalement. La fig. 4 représente une forme possible d'une telle plaque 70 pourvue de deux pistes réfléchissantes 71 et 72 qui s'étendent sur sa longueur. Les pistes 71 et 72 sont inclinées l'une vers l'autre, si bien que leur écartement varie le long de la plaque. 10 Avec ce type de plaque, ii est possible de mesurer les déplacements de la plaque 70 dans les deux directions perpendiculaires indiquées par les flèches de la fig. 4, à savoir suivant la longueur et suivant la largeur de la plaque. La fig. 4A représente le signal de sortie de la rangée de photodiodes 9 15 quand la plaque 70 occupe, par rapport au spectre image 60, la position illustrée par la fig. 4. Si la plaque 70 se déplace vers la gauche, l'écartement entre les parties des pistes 71 et 72 qui sont touchées par le spectre 60 diminue, et les pics correspondants des signaux se rapprochent donc, comme le montre la fig. 4B. Par contre, si la plaque 70 se déplace 20 suivant sa largeur sans se déplacer longitudinalement, l'écart entre les pics de la sortie reste inchangé, mais c'est leur position absolue qui change, comme le montre la fig. 4C. Il est donc possible d'indiquer un déplacement de la plaque selon les deux directions de coordonnées, en mesurant la position absolue de ces pics. Les moyens à utiliser à cet effet sont connus de 25 l'homme du métier. Comme dans le cas de la fig. 3, l'écart entre les pistes 71 et 72 peut varier de manière non linéaire par rapport aux déplacements longitudinaux. En outre, on peut donner à volonté, à l'une des pistes ou aux deux, un tracé 30 rectiligne, courbe, brisé ou discontinu. - 9 - 2596 170 Revendications 1. Transducteur optique comprenant une source de rayonnement optique sur une bande de longueurs d'ondes, une tête optique qui disperse ce rayonnement en ses composantes de longueurs d'ondes différentes le long d'une zone, de manière que la longueur d'onde du rayonnement arrivant de 5 la tête optique sur un emplacement de ladite zone dépende de cet emplacement, et un élément mobile par rapport à ladite zone et situé sur le parcours du rayonnement, caractérisé en ce que l'élément mobile (4, 70) comporte un code optique-formé par des marques réfléchissantes (51, 52, 71, 72) de telle manière qu'un rayonnement soit réfléchi par l'élément mobile 10 vers la tête optique (3) avec une longueur d'onde différente selon la position de l'élément mobile, en ce que la tête optique (3) est agencée pour défléchir le rayonnement réfléchi en fonction de la longueur d'onde de celui-ci et pour former une image sur l'extrémité d'un guide de rayonnement (7), et en ce que ledit guide de rayonnement s'étend jusqu'à un détecteur (8, 9, 11) qui 15 est sensible aux différentes longueurs d'ondes du rayonnement et qui délivre un signal de sortie en fonction de la position de l'élément mobile. 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête optique (3) comporte un élément de diffraction.(44) qui disperse le 20 rayonnement en ses composantes de longueurs d'ondes différentes et défléchit vers le guide de rayonnement (7) le rayonnement réfléchi par lesdites marques (51, 52, 71, 72). 3. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément de 25 diffraction est un réseau de diffraction (44). 4. Transducteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la tête optique (3) comporte une surface de réflexion convergente (32) qui esi disposée de façon à collimater et réfléchir le rayonnement vers l'élément de 30 diffraction (44) et à focaliser le rayonnement sur les marques réfléchissantes (51, 52, 71, 72) et sur l'extrémité du guide de rayonnement (7). - 10 - 2596170 5. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu!il comporte un premier guide de rayonnement (2) qui transmet le rayonnement de la source (1) à la tête optique (3), et un second guide de rayonnement (7) qui est distinct du premier et qui transmet le rayonnement de ia tête optique (3) au détecteur (8, 9, 11). 6. Transducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier guide de rayonnement est un câble optique à fibre unique (2). 7. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête optique (3) est constituée par un bloc (31) en matière transparente aux rayonnements optiques. 8. Transducteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 15 que l'élément mobile est un codeur analogique (4, 70), en ce que ce codeur comporte deux pistes réfléchissantes (51, 52, 71, 72) présentant un écartement mutuel qui diffère selon la position du codeur, et en ce que le détecteur (8, 9, 11 l) est sensible à l'écart entre les longueurs d'ondes réfléchies par les deux pistes et délivre un signal de sortie en fonction de 20 cet écart. 9.. Transducteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément mobile (70) est mobile dans deux directions perpendiculaires l'une à l'autre, et en ce que le détecteur (8, 9, Il) est sensible à la fois à l'écart entre les 25 longueurs d'ondes réfléchies et à la valeur absolue de celles-ci, et délivre un signal de sortie en fonction de la position de l'élément mobile suivant les deux directions. 10. Transducteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément 30 mobile est un disque rotatif (4), en ce que l'une (51) des pistes réfléchissantes est circulaire et centrée sur l'axe de rotation (5) du disque, et en ce que l'autre piste (52) est en spirale.