Brevet FR2614112A1 — publié le 19881021

L invention est relative aux capteurs de lumière et, plus particulièrement, aux capteurs de lumière qui utilisent une fibre optique. Les fibres optiques sont bien connues et d'un usage fréquent pour de nombreuses applications. En particulier, elles servent à véhiculer des flux lumineux qu'elles reçoivent a l'une de leurs extrémités jusqu'à l'autre de celles-ci. Les fibre optiques sont habituellement faites en verre ou en matière plastique ou en une combinaison de ces deux matériaux. Afin d'obtenir une bonne canalisation du flux lumineux par le phénomène de la réflexion totale, on utilise des fibres optiques le plus souvent multicouches avec des indices de ré- fraction différents ou avec un gradient d'indice entre le centre et la périphérie. On a déjà proposé de construire des fibres optiques composites dont au moins une couche ou strate a été dopée avec une substance appropriée pour servir de convertisseur de fréquence. Dans un tel cas, la partie centrale, ou ame ou coeur en forme de tige, de la fibre optique est réalisée en un matériau transparent et sa partie extérieure porte un revétement ou couronne périphérique en forme de gaine ou tube qui est fait en un matériau qui contient des substances fluorescentes ou phosphorescentes. Dans certains cas, une telle fibre optique composite est encore revêtue d'une enveloppe externe qui forme un fourreau protecteur. Pour certaines applications, on a proposé d'utiliser une telle fibre optique composée d'un coeur transparent et d'une couronne périphérique fluorescente protégée par un fourreau extérieur pour en faire un convertisseur de fréquence. Dans un tel cas, on place à l'une des extrémités de la fibre optique un embout qui est conçu de manière à ce qu'un flux lumineux reçu à l'autre extrémité et acheminé par le coeur soit renvoyé en direction de la couronne périphérique pour exciter le revêtement fluorescent. De la sorte, on peut recueillir un flux lumineux d'une autre longueur d'onde émergeant de la couronne périphérique à l'ex- trémité qui a reçu le flux lumineux incident excitateur. Une telle fibre optique multistrate protégée permet de transformer un rayonnement infrarouge reçu par le coeur à une extrémité en un rayonnement visible émis par la gaine à cette même extrémité. On trouve aussi dans le commerce des fibres optiques non composites faites d'un simple fil de matière dopée avec une substance fluorescente. Par exemple on connait une fibre faite de copolymères à base de polyméthacrylate de méthyl ou de polystyrène qui, excitée par un rayonnement ultraviolet émet une lumière rouge ; on connait aussi une fibre faite de polystyrène dopée qui, suivant la longueur d'onde du rayonnement ultraviolet qui l'excite, émet une lumière bleue ou verte. L'invention concerne les fibres optiques et. plus particulièrement, est relative à un capteur de lumière constitué notamment d'une fibre optique multistrate non protégée dont le coeur est fait d'un ma tériau fluorescent qui porte un revêtement en forme de tube transparent. L'invention a pour objet un capteur de lumière à fibre optique comprenant entre autres un détecteur. Ce détecteur est remarquable en ce qu'il comprend une fibre optique multistrate non protégée ayant un coeur et au moins une couronne périphérique d'un revêtement, en ce que l'indice de réfraction du coeur est plus grand que celui du revêtement, en ce que le revetement est fait d'un matériau transparent et le coeur est fait d'un matériau fluorescent de manière que lorsque la couronne périphérique du détecteur est irradiée au moins partiellement de l'extérieur par un rayonnement excitant la fluorescence du matériau du coeur, une partie au moins du flux lumineux émis par ce dernier reste confinée dans le coeur et est canalisée par ce dernier vers l'extrémité. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la lecture de la description et des revendications qui suivent et de l'examen du dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple, où - la Fig.1 est une coupe schématique, fortement agrandie. d'un tronçon de fibre optique multistrate classique et illustrant la manière dont il se comporte lorsqu'il est irradié latéralement - la Fig.1A. illustre la manière dont l'indice de réfraction Q, porté en abcisse, varie en fonction du rayon r de la fibre porté en ordonnée, - la Fig.2 est une vue analogue à celle de la Fig.l d'un mode de réalisation d'un detecteur équipant un capteur de lumière suivant l'invention - la Fig.3 est une représentation fonctionnelle schématique d'un dispositif d'utilisation d'un capteur de lumière suivant l'invention , et - la Fig.4 est une vue d'un mode de réalisation d'un circuit de dispositif d'utilisation du capteur suivant l'invention. Sur la Fig.1. on a représenté schématiquement, très fortement agrandi, un tronçon d une fibre optique 10 multistrate non protégée par une enveloppe externe formant fourreau. Cette fibre est constituée, essentiellement. d'une âme ou coeur central 11 qui se présente à la manière d'une tige et d'un revêtement sous forme de couronne périphérique qui se présente à la manière d'un tube ou gaine 12. Le coeur ou âme 11 peut être fait en verre ou en matière plastique comme il est classique: le revêtement est, lui. fait d'un autre verre ou d'une autre matière plastique dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du coeur. Ce tronçon de fibre optique est supposé plongé dans l'air. Si la gaine 12 n'est pas fluorescente et que cette dernière reçoit un rayonnement à sa périphérie comme dessiné, le rayon incident ressort de la fibre comme il est schématisé sur la Fig.1. où est illustré ce qui se passe dans un plan méridien axial supposé être celui de la feuille du dessin. Si maintenant, suivant l'invention, l'âme 11 est faite en un matériau fluorescent. on voit que chaque particule qui reçoit de la lumière incidente se trouve excitée et réémet dans un angle solide de quatre > radians, le phénomène de fluorescence étant isotrope. Tous les rayons qui atteignent le dioptre 13 qui sépare le coeur 11 de la gaine 12 sous un angle d'incidence supérieure à l'angle de réfraction limite tt . indiqué en trait mixtesssont donc réfléchis et ils continuent à se propager dans le coeur 11 qui sert de guide d'onde. Ceci est illustré sur la Fig.2. Comme on le sait l'angle de réfraction limite X satisfait à la relation ou: n11 est 1 indice de réfraction du coeur 11 n12 est l'indice de réfraction de la gaine 12 On observera que le flux lumineux qui est guidé par le coeur 11 est pratiquement proportionnel au flux lumineux incident, à l'absorption près ; on peut donc de la sorte réaliser un capteur de lumière en mesurant simplement le flux lumineux fluorescent véhiculé par le coeur de la fibre vers l'une et/ou l'autre de ses extrémités. Si l'on suppose qu une fibre optique fluorescente du capteur suivant l'invention de longueur L est uniformément éclairée latéralement sur toute sa périphérie par une source d'un rayonnement excitateur de la fluorescence, la quantité de lumière fluorescente P(zl reçue à l'une des extrémités de la fibre provenant d'un cylindre élémentaire de longueur li situé à l'abscisse s de la fibre, comptée à partir de l'une de ses extrémités est égal à ou: i représente une constante dépendant de l ouverture numérique de la fibre et des caractéristique du matériau fluorescent, Eo est l'énergie incidente mesurée en watt par centimètre carré et i l'affaiblissement linéaire de la fibre pour la longueur d'onde de fluorescence. La puissance totale reçue à l'une des extrémités est égale Comme on le sait, lorsque la longueur L de cette fibre tend vers l'infini, la puissance recueillie tend vers la limite Des mesures expérimentales montrent qu'ef fectivement un capteur selon l'invention suit cette loi. La valeur limite étant atteinte par une croissance exponentielle, on voit donc qu'on peut recueillir facilement un tiers de la puissance théorique limite avec une fibre dont la longueur est seulement une petite partie de la longueur théorique. On se reportera maintenant à la Fig.3 où on a dessiné un dispositif d'utilisation 20 pour un capteur de lumière à fibre optique comprenant un détecteur 10 suivant l'invention. Ce dispositif d'utilisation 20 est muni d'un élément photosensible 21 associé au détecteur 10, d'une référence 22, d'un comparateur 23 relié à l'élé- ment photosensible 21 et à la référence 22 et d'une commande 24 mise en oeuvre par le comparateur 23 en fonction de la valeur de la réponse de l'élément photosensible 21 relativement à la référence 23. La Fig.4 représente un mode de réalisation d'un dispositif d'utilisation 20 suivant l'invention. Comme on le voit, un mode de réalisation d'un circuit pour le dispositif d'utilisation 20 suivant l'invention comprend un élément photosensible 21 tel que par exemple une diode de détection connectée à un adaptateur d'impédance 210 et à un amplificateur 211 puis au comparateur 23. La référence 22 est constituée par un pont diviseur de tension, réglable comme schématisé. La commande 24 est, par exemple, un transistor ou une diode électroluminescente qui fonctionne par exemple en "tout ou rien" c'est-à-dire qui est allumée ou éteinte. Tous ces composants sont classiques et disponibles sur le marché. Le spécialiste en la matière choisira ceux dont les caractéristiques conviennent à l'utilisation particulière envisagée. Le capteur suivant l'invention peut recevoir de nombreuses applications lorsqu'il fonctionne en "tout ou rien". Par exemple, on peut remplacer la diode électroluminescente de la commande 24 de la Fig.4 par un relais qui agit sur un interrupteur. On peut donc ainsi construire un détecteur de seuil qui, par exemple, commande l'allumage ou l'extinction d'une lumière artificielle suivant l'intensité de la lumière ambiante, lorsque son niveau devient inférieure à une valeur qu'on s'est fixée, par exemple au crépuscule. Ceci peut par exemple servir à commander automatiquement l'allumage des lanternes ou des feux de croisement d'une automobile ; on place alors le détecteur par exemple, sur ou dans le pare-brise ou la calandre. Le capteur selon l'invention peut aussi servir à détecter l'extinction ou l'obscurcissement d'une source lumineuse et à déclencher une alarme en conséquence. Au lieu de faire fonctionner le capteur de lumière à fibre optique suivant l'invention en "tout ou rien", on peut le faire fonctionner d'une manière proportionnelle ou similaire. On peut alors, par exemple, commander un gradateur de lumière à partir du signal reçu et ainsi moduler l'intensité de la lumière artificielle en fonction de la lumière ambiante non on peut ainsi économiser l'énergie. Comme on le remarque immédiatement, le capteur de lumière à fibre optique fluorescente suivant l'invention présente de nombreux avantages car il ne nécessite aucune alimentation électrique auxiliaire; ceci permet de l'utiliser dans des milieux hostiles où par exemple un isolement galvanique est nécessaire ou lorsque l'alimentation électrique pose des problèmes. Ce capteur présente aussi l'avantage d'être insensible à toute les perturbations électromagnétiques autres que lumineuses. En outre, il est possible de transporter l'information sur de grandes longueurs malgré les pertes par absorption relativement importantes des fibres optiques fluorescentes toutefois, cet inconvénient peut être combattu en connectant la fibre optique sensible à une fibre optique classique, totalement transparente, n'assurant que la fonction de guidage. On observera en outre que ce capteur est d'une grande simplicité et est bon marché et fiable on notera aussi que ce capteur suivant l'invention fonctionnant par intégration d'un flux lumineux, il n'est pas sensible à un éclairage ponctuel. Si on utilise un matériau fluorescent qui n'est pas excité par un flux infrarouge, on peut rendre le capteur suivant l'invention totalement insensible aux rayonnements thermiques. La fabrication des fibres optiques partiellement ou totalement fluorescente n'entre pas dans le cadre de l'invention. Elles sont habituellement faites d'un matériau transparent minéral ou synthétique tel qu'un verre ou une matière plastique auquel est ajoutée une substance fluorescente souvent à base de terres rares convenablement choisies s'il y a lieu dopées et au besoin avec d'autres adjuvants tels que des liants, des dispersants, des stabilisants par exemple. REVENDICATIONS 1. Capteur de lumière à fibre optique comprenant entre autres un détecteur (10) caractérisé en ce que le détecteur (10) est une fibre optique multistrate non protégée ayant un coeur (11) et au moins une couronne périphérique d'un revêtement (12), en ce que l'indice du coeur (11) est plus grand que celui du revetement (12), en ce que le revêtement (12) est fait d'un matériau transparent et le coeur (11) d'un ma tériau fluorescent de manière que lorsque la couronne phériphérique du détecteur est irradiée au moins partiellement de l'extérieur par un rayonnement excitant la fluorescence du matériau du coeur une partie au moins du flux lumineux émis par ce dernier y reste confinée et y est canalisée vers son extrémité. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coeur (11) lorsqu'il est excité. émet un flux lumineux visible. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le rayonnement irradiant le coeur (11) est infrarouge visible ou ultraviolet. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le détecteur (10) est un intégrateur d'énergie lumineuse et sa longueur est choisie pour recueillir au moins environ un tiers de la puissance limite qu'il est apte à délivrer, 5. Capteur selon 1 une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif d'utilisation (20) et en ce que ce dispositif d'utilisation (20) est muni d'un élément photosensible 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif d'utilisation (20) fonctionne en tout ou rien.