Brevet FR2622305A1 — publié le 19890428

COMMUTATEUR OPTIQUE ET SYSTEME DE CONTROLE SPECTROMETRIQUE UTILISANT CE COMMUTATEUR DESCRIPTION La présente invention concerne un commutateur optique. Elle s'applique notamment au contrôle en ligne d'un procédé, en plusieurs points, avec un même appareil, et en particulier à La réalisation d'un système de contrôle spectrométrique de plusieurs cellules de mesure montées en parallèle. On connaSt déjà divers commutateurs optiques en deux parties dont l'une est mobile en rotation par rapport à l'autre La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents en proposant un commutateur optique dont la conception est simpLe et qui n'introduit qu'une faible atténuation optique dans les liaisons optiques qu'il permet d'établir. De façon précise, la présente invention a pour objet un commutateur optique, caractérisé en ce qu'il comprend - un premier et un second éléments, l'un de ces éléments étant mobile en rotation autour d'un axe principal, par rapport à l'autre élément, ce dernier étant fixe, - un premier groupe comprenant un premier et un second moyens de connexion pour fibre optique, qui sont montés sur le premier élément, et - un second groupe comprenant n premiers et n seconds moyens de connexion pour fibre optique qui sont organisés en n couples de premier et second moyens et qui sont montés sur le second éLément, n étant un nombre entier au moins égal à 1, L'agencement relatif des moyens de connexion sur les premier et second élements étant tel que, par une rotation appropriée de L'élément mobile autour dudit axe principal, on puisse mettre le premier et le second moyens de connexion du premier groupe respectivement en regard du premier et du second moyens de connexion de tout couple choisi parmi les n couples du second groupe. Lors de l'utitisation du commutateur optique objet de L'invention, chaque moyen de connexion est muni d'une fibre optique et l'on comprend que, de par la conception du commutateur de l'invention, les pertes optiques entre deux fibres se trouvant en regard l'une de l'autre sont les pertes de tout connecteur optique classique (soit de l'ordre de 1 à 3 dB selon la grosseur des fibres). L'invention permet d'effectuer des mesures en ligne avec une seule interconnexion "de fibre à fibres" sur la voie d'aller de la lumière vers les points de mesure et une seule interconnexion "de fibres à fibre" sur la voie de retour de la lumière des points de mesure. L'invention permet en outre à un faisceau lumineux transmis par la voie "aller", de traverser successivement chaque voie de mesure prise parmi n voies avec la même intensité, en minimisant les pertes optiques d'interface, tout en conservant son intégralité spectrale. Le diamètre externe de la gaine optique des fibres utilisables avec le commutateur objet de l'invention peut être aussi bien petit (moins de 0,5 mm) que grand (plus de 0,5 mm). Selon un mode de réalisation préféré du commutateur objet de l'invention, le premier moyen de connexion du premier groupe et chaque premier moyen de connexion du second groupe sont à une même première distance dudit axe principal, et le second moyen de connexion du premier groupe et chaque second moyen de connexion du second groupe sont à une même seconde distance dudit axe principal, différente de la première distance. De préférence, chaque moyen de connexion dont est muni l'élément mobile est rendu mobile en rotation autour d'un axe parallèle audit axe principal et passant par ledit moyen de connexion, afin de s'opposer, lorsque la rotation a Lieu, à la torsion de la fibre dont ce moyen de connexion est muni (lors de l'utiLisation du commutateur). A cet effet, chaque moyen de connexion dont est muni L'élément mobile peut être monté sur ce dernier par l'intermédiaire d'un roulement à billes dont l'axe de rotation est paralléle audit axe principal. De préférence également, le commutateur objet de L'invention comprend en outre des moyens de positionnement pour positionner correctement les moyens de connexion du premier groupe en regard de moyens de connexion du second groupe leur correspondant. Ces moyens de positionnement sont par exemple des moyens d'encliquetage. Le commutateur objet de L'invention peut comprendre en outre un moteur pas à pas pour entrainer l'élément mobile en rotation autour dudit axe principal. De préférence, afin de réduire le nombre de fibres risquant d'être "torsadées" Lors de ladite rotation, l'élément mobile est le premier élément et L'élément fixe est le second élément. La présente invention concerne également un système de contra le spectrométrique comprenant - n cellules de mesure, n étant un nombre entier au moins égal à 1, - un spectromètre muni d'une source lumineuse et de moyens de photodétection, et prévu pour la surveillance des n cellules, et - des moyens de commutation optique, prévus pour relier le spectromètre sélectivement aux cellules de mesure, caractérisé en ce que les moyens de commutation optique comprennent :: - le commutateur optique objet de l'invention, - deux fibres optiques reLiant respectivement les premier et second moyens de connexion du premier groupe à la source et aux moyens de photodétection, et - n couples de fibres optiques respectivement associés d'une part aux n cellules et d'autre part aux n couples de moyens de connexion, les deux fibres de chaque couple de fibres reliant respectivement le premier moyen de connexion du couple de moyens associés, à un cEté de la cellule associée et le second moyen de connexion de ce couple associé, à l'autre côte de cette cellule. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un mode de réalisation particulier du commutateur optique objet de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en perspective du commutateur représenté sur la figure 1, - Les figures 3A à 3E illustrent comparativement Les pertes optiques dues à ce commutateur, - la figure 4 illustre schématiquement un montage en cascade de plusieurs commutateurs identiques à ce commutateur, et - la figure 5 est une vue schématique d'un système de contrôle spectrométrique utilisant le commutateur représenté sur la figure 1. Un mode de réalisation particulier du commutateur optique objet de L'invention est représenté schématiquement en coupe sur la figure 1 et en perspective sur la figure 2. Il est destiné à coupler optiquement une fibre optique d'émission F1 et une fibre optique de réception F2, de façon sélective, respectivement à deux fibres optiques d'un couple choisi parmi n couples de fibres optiques (F3, F4), (fus, F6), ..., (F2n+l, F2n+2), n étant un nombre entier au moins égal à 1, ce nombre n étant égal à 8 dans l'exemple représenté sur les figures 1 et 2. A titre d'exemple, les deux fibres F1 et F2 sont associées à un ensemble de mesure et les n couples sont respectivement associes à n capteurs optiques (l'expression "capteur optique" devant être prise dans un sens très genéral et désignant par exempLe une optique, une optode, une cellule pour mesure spectrométrique ...). Le commutateur représenté, permet, par commande électro-mécanique, d'etablir un couplage optique entre les deux fibres F1, F2 et les fibres du couple choisi parmi les n couples. Le commutateur représenté sur les figures 1 et 2 comprend un élément 2 de forme cyLindrique, fixe, monté sur un support 4et un éLément 6 également cylindrique-et ayant même axe que L'élément 2, cet élément 6 etant en outre mobile en rotation par rapport à L'élément 2, autour de l'axe X commun aux deux éléments. A cet effet, on peut utiliser un moteur pas à pas 8 commandé par des moyens non représentés, et monté sur un support non représenté, moteur qui est capable.d'entraner en rotation un arbre 10 disposé suivant l'axe X, monté sur un roulement à billes dans l'élément 2 et traversant ce dernier pour être rendu sotidaire de l'élément 6. Les fibres F1 et F2 sont montées sur l'élément mobile 6 formant en quelque sorte un barillet, tandis que les autres fibres F3, F4, F5, Fb, ..., F2n+1, F2n+2 sont montées sur l'élément fixe 2. Le montage est réalisé de telle manière que L'on puisse établir chaque liaison optique mentionnée plus haut entre les fibres, après une rotation appropriée de l'élément 6 par rapport à l'élément 2. Plus précisément, l'extrémité de chaque fibre Fi, i variant entre 1 et 2n+2, extrémité qui est destinée à être en regard d'une autre extrémité de fibre optique pour réaliser une Liaison optique mentionnée plus haut, est montée dans un connecteur optique avantageusement de type standard, par exemple un connecteur de type commercial de l'une des sociétés A.T.I., RADIALL et S.T.E.M. par exemple, ladite extrémité de fibre s'étendant suivant-l'axe du connecteur qui lui est associé. Sur les figures 1 et 2 le connecteur associé à La fibre Fi est référencé Ci, i variant entre 1 et 2n+2. Les connecteurs C1 et C2 sont donc montés sur l'élément 6 tandis que les connecteurs C3 à C2n+2 sont montés sur L'élément 2. En outre, l'axe du connecteur C1 est parallèle à l'axe X et à une distance R1 de ce dernier tandis que L'axe du connecteur C2 est parallèle à l'axe X et placé à une distance R2 de ce dernier, différente de R1, par exemple inférieure à R1. De même, Les axes respectifs des connecteurs de rang impair C3, C5, ..., C2n+l sont tous parallèles à l'axe X et placés à la distance R1 de ce dernier tandis que les axes des connecteurs de rang pair C4, C6, ..., C2n+2 sont parallèles à L'axe X et placés à la distance R2 de ce dernier. De plus, chacun des connecteurs C1 et C2 est monté sur un roulement à billes 12 d'axe parallèle à X afin de compenser la torsion qui, sinon, serait subie par les fibres F1 et F2 lors de la rotation de l'élément 6. Enfin, le positionnement correct des connecteurs C1 et C2 en regard des deux connecteurs d'un même couple choisi parmi les n couples est assuré au moyen d'un dispositif d'encliquetage 14. Ce dispositif 14 comprend, pour chacun des n couples, des Logements 16 et 17 réalisés à la périphérie de l'élément 2, en regard de l'élément 6, chaque logement, par exemple de forme conique, ayant un axe parallèle à l'axe X et situé dans le plan défini par cet axe X et L'axe du commutateur auquel il est associé dans le couple en question. Dans l'élément 6 sont également prévus des Logements 18 et 19 débouchant à la surface de l'élément 6 en regard de l'élément 2. Ces Logements 18 et 19 sont par exemple de forme cylindrique et ont des axes parallèles à l'axe X. Ils sont en outre disposés à la périphérie de l'élément 6 et le logement 18, associé au connecteur C2 a son axe situé dans le plan défini par l'axe de ce connecteur C2 et L'axe X tandis que le logement associé au connecteur C1 a son axe situé dans le plan défini par l'axe de ce connecteur C1 et l'axe X. En outre, Les logements 18 et 19 sont disposés sur L'élément 6 de façon à pouvoir etre mis respectivement en regard des logements 16 et 17 de chaque couple sélectionné (voir figure 1).Dans chaque logement 18 ou 19 est prévu un ressort 20 destiné à appLiquer une bille 22 dans le Logement 16 ou 17 associé, ce qûi permet ledit encliquetage. Le commutateur représenté sur les figures 1 et 2 peut être réalisé de façon que les connecteurs Cl et C2 soient disposés sur un même diamètre de l'élément 6 et que, pour chacun des n couples, les connecteurs de ce couple soient également sur un même diamètre, mais pour des questions de réduction d'encombrement, on peut décaler "d'un demi pas" autour de l'axe X, les connecteurs de la circonférence de rayon R1 pâr rapport aux connecteurs de la circonférence de rayon R2 et décaler en conséquence le connecteur Cl par rapport au connecteur C2. Par exemple, comme on le voit sur la figure 2, les huit connecteurs de rang impair C3, C5, ... occupent les sommets d'un octogone régulier centré sur l'axe X, les huit connecteurs de rang pair C4, C6, ... occupent également les sommets d'un octogone réguLier centré sur l'axe X et intérieur à L'octogone précédet et la projection orthogonale de chaque sommet de L'octogone intérieur sur le segment qui est en regard de ce sommet et qui est délimité par deux sommets de l'octogone le plus externe se confond avec le milieu dudit segment. En outre, pour éviter de torsader la fibre F1 avec la fibre F2, l'élément 6 n'accomplit pas des rotation de 3600 mais, à partir d'une position initiale correspondant par exemple à la Liaison F1-F3 et F2-F4, on fait tourner cet élément au maximum de i800 dans un sens et au maximum de 1800 dans l'autre sens pour L'établissement d'autres liaisons optiques, ce qui implique des retours en arrière pour certaines d'entre elles (et pour le retour à la position initiale), le moteur pas à pas étant commandé en conséquence. Pour situer les niveaux des pertes optiques obtenues avec le commutateur représenté sur les figures 1 et 2, on utilise par exemple des fibres du type QSF1000 et L'on effectue des mesures spectrométriques (voir par exemple description de la figure 4) à 450 nanomètres de longueur d'onde, au moyen d'un spectrophotomètre 24 (figure 3) utilisant par exemple un système du type HP8450 commercialisé par la société Hewlett Packard - le couplage direct d'une fibre optique simple 26 sur Le spectrophotomètre 24 donne une perte de 8 dB (figure 3A), - le couplage sur le spectrophotomètre 24 de deux fibres 28 et 30 reliées par L'intermédiaire d'un connecteur standard 31 de type SMA donne une perte de 9,8 dB, la contribution du connecteur étant donc de 1,8 dB (figure 3B), - le couplage sur le spectrophotomètre 24 des deux fibres 28 et 30 reliées par l'intermédiaire des connecteurs C1 et C3 d'un commutateur 32 du genre du commutateur de la figure 1, placés en regard l'un de l'autre donne une perte de 10,1 dB, la contribution du commutateur 32 étant donc de 2,1 dB, soit 0,3 dB de plus que le connecteur 31 fixe (figure 3C), - le couplage sur le spectrophotomètre 24 des deux fibres 28 et 30 optiquement reliées par l'intermédiaire d'une cellule spectrophotométrique interposée entre deux optiques, donne une perte de 13,8 dB (figure 3D), et - pour le couplage sur le spectrophotomètre 24 des fibres 28 et 30 respectivement montées dans les connecteurs C1 et C2 du commutateurs 32, deux fibres 34 et 35 étant respectivement montées dans les connecteurs C3 et C4 par une extrémité et aboutissant par leurs autres extrémités respectivement en regard des optiques de la cellule, la perte optique est de 18 dB soit l'équivalent de 4,2 dB pour deux commutateurs et donc de 2,1 dB par commutation (figure 3E). L'utilisation de fibres de plus petit diamètre que les fibres de type QSFl000 avec le commutateur 32 donnerait des pertes sensiblement identiques à celles indiquées plus haut. Pour minimiser les pertes, on prévoit un faible intervalle entre les éléments 2 et 6, de préférence un intervalle compris entre 0,1 millimètre et 0,5 millimètre. Lorsque n est égal à 1, le commutateur de L'invention peut servir d'interrupteur optique. A cet effet, les extrémités d'une même fibre optique-sont montées dans les connecteurs C3 et C4, une source lumineuse non représentée est prévue pour injecter de la lumière dans la fibre F1 et un photodétecteur non représenté est prévu pour détecter la lumière issue de La fibre F2 de sorte que dans la position représentée sur la figure 1, la Liaison optique est établie et que dans toute autre position la liaison optique est interrompue. Cependant, les applications les plus intéressantes du commutateur de l'invention se situent dans le domaine des mesures analogiques, en particulier la spectrométrie d'absorption, de fluorescence, d'émission RAMAN, les mesures de réflectance ou de couleur. Par ailleurs, le nombre n de voies n'est Limité que par L'encombrement admissible pour les éléments ou flasques 2 et 6 qui supportent les fibres. Pour un grand nombre de voies, plus de 8 par exemple, il est possible de mettre plusieurs commutateurs en cascade, dans la mesure où la dynamique d'échelle de l'appareil de détection le permet. On a traduit ceci sur la figure 4, sur laquelle on aperçoit un commutateur 36 associé à des commutateurs 38-1, 38-2, ..., 38-n, tous ces commutateurs étant identiques à celui qui est représenté sur la figure 1. Le commutateur 36 est pourvu, sur son élément mobile, des fibres Fl et F2 et sur son élément fixe des extrémités respectives des fibres F3 à F2n+2. Les autres extrémités des fibres F3 et F4 sont montées respectivement sur les connecteurs de L'élément mobile du commutateur 38-1, les autres extrémités des fibres F5 et F6 sur l'élément mobile du commutateur 38-2, et les autres extrémités des fibres F2n+l et F2n+2 sur L'élément mobile du commutateur 38-n. Sur l'élément fixe de chacun des commutateurs 38-1, ..., 38-n sont montées huit fibres optiques d'où 64 voies, chaque voie pouvant être explorée successivement en ajustant convenablement les différents commutateurs. Sur La figure 5, on a représenté schématiquement un système de contr8le spectrométrique utilisant le commutateur des figures 1 et 2 pour illustrer une application intéressante de ce commutateur pour les mesures spectrométriques à distance par fibres optiques. Le système schématiquement représenté sur la figure 5 est destiné à l'examen de n cellules de mesure 40-1, 402, ..., 40-n. L'une de ces cellules, par exemple celle qui est référencée 40-1, est une cellule de référence. Chaque cellule comprend une cuve 42 faite d'un matériau transparent à la lumière utilisée pour l'analyse. La cuve 40-1 est remplie d'une solutiontémoin et les autres cuves remplies de solutions à analyser.En outre, chaque cuve est disposée entre deux lentilles 44 et 46 respectivement prévues pour focaliser sur la solution que contient la cuve une lumière incidente et pour récupérer la lumière issue de ladite solution. Le système comprend un commutateur 48 du genre de celui-ci qui est représenté sur les figures 1 et 2 et un spectromètre 50 à fibres optiques, muni d'une source lumineuse appropriée 52 prévue pour injecter par l'intermédiaire d'un miroir 54 et d'une optique 56 un faisceau lumineux dans la fibre Fl, le spectromètre étant également muni d'un photodétecteur 58 prévu pour récupérer la lumière issue de ta fibre F2, après collection de cette lumière par une optique 60 puis réflexion sur un miroir 62. Les couples de fibres optiques montées sur L'élément fixe du commutateur sont respectivement associés aux celtules de mesure. Ainsi chaque fibre de rang impair telle que F3 a une extrémité montée dans le connecteur C3 de l'élément fixe et l'autre extrémite disposée en regard de la lentille 44 de la cuve correspondante tandis que la fibre de rang pair correspondante, F4 dans le cas présent, a une extrémité montée dans le connecteur C4 correspondant sur l'élément fixe et l'autre extrémité disposée en regard de L'autre lentille 46 qui permet la collection de la lumière issue de la cuve. Le système comprend également un microordinateur 64 prévu pour commander la rotation du moteur pas à pas 8 par l'intermédiaire d'une interface 66, pour commander egalement le spectromètre 50 et fournir les resultats des mesures. On comprend que des rotations appropriées de l'élément mobile du commutateur 48 permettent d'acquérir des informations de la celLule de référence et des cellules de mesure les unes après Les autres. REVENDICATIONS 1. Commutateur optique, caractérisé en ce qu'il comprend - un premier (6) et un second (2) éléments, l'un de ces éléments étant mobile en rotation autour d'un axe principal (X), par rapport à l'autre élément, ce dernier étant fixe, - un premier groupe comprenant un premier (C1) et un second (C2) moyens de connexion pour fibre optique, qui sont montés sur le premier élément (6), et - un second groupe comprenant n premiers (C3, C5, C2n+l) et n seconds (C4, C6, ..., C2n+2) moyens de connexion pour fibre optique qui sont organisés en n couples de premier et second moyens et qui sont montés sur le second élément (2), n étant un nombre entier au moins égal à 1, l'agencement relatif des moyens de connexion sur les premier et second éléments étant tel que, par une rotation appropriée de l'élément mobile autour dudit axe principal, on puisse mettre le premier et le second moyens de connexion du premier groupe respectivement en regard du premier et du second moyens de connexion de tout couple choisi parmi les n couples du second groupe. 2. Commutateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que Le premier moyen de connexion (C1) du premier groupe et chaque premier moyen de connexion (C3, C5, ..., C2n+l) du second groupe sont à une même première distance dudit axe principal (X) et en ce que le second moyen de connexion (C2) du premier groupe et chaque second moyen de connexion (C4, C6, ..., C2n+2) du second groupe sont à une même seconde distance dudit axe principal, différente de la première distance. 3. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que chaque moyen de connexion (C1, C2) dont est muni L'élément mobile, est rendu mobile en rotation autour d'un axe parallèle audit axe principal (X) et passant par ledit moyen de connexion. 4. Commutateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque moyen de connexion (C1, C2) dont est muni l'élément mobile, est monté sur ce dernier par l'intermédiaire d'un broutement à billes (12) dont l'axe de rotation est parallèle audit axe principal (X). 5. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de positionnement (14), pour positionner correctement Les moyens de connexion (C1, C2) du premier groupe en regard de moyens de connexion (C3, C4; C5, C6; ...; C2n+1, C2n+2) du second groupe leur correspondant. 6. Commutateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de positionnement (14) sont des moyens d'encliquetage (16, 17, 18,19, 20, 22). 7. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moteur pas à pas (8) pour entraîner l'élément mobile (6) en rotation autour dudit axe principal. 8. Commutateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément mobile est le premier élément (6) et en ce que l'élément fixe est le second élément (2). 9. Système de contrôle spectrométrique comprenant - n cellules de mesure (40-1, 40-2, ..., 40-n), n étant un nombre entier au moins égal à 1, - un spectromètre (50) muni d'une source lumineuse (52) et de moyens de photodétection (58), et prévu pour la surveillance des n cellules, et - des moyens de commutation optique, prévus pour relier Le spectromètre sélectivement aux cellules de mesure, caractérisé en ce que les moyens de commutation optique comprennent : - le commutateur optique (48) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, - deux fibres optiques (F1, F2) reliant respectivement Les premier (C1) et second-(C2) moyens de connexion du premier groupe à la source (52) et aux moyens de photodétection (58), et - n couples de fibres optiques (F3, F4; F5, F6; ...; F2n+1, F2n+2) respectivement associés d'une part aux n cellules et d'autre part aux n couples de moyens de connexion, les deux fibres de chaque couple de fibres reliant respectivement le premier moyen de connexion (C3, C5, ..., C2n+1) du couple de moyens associé, à un côté de la cellule associée et Le second moyen de connexion (C4, C6, ..., C2n+2) de ce couple associé, à l'autre côté de cette cellule.