Brevet FR2657161A1 — publié le 19910719

i Dispositif de détection à distance d'une grandeur physique, fonctionnant en réflexion. L'invention concerne un dispositif de détection à distance d'une grandeur physique, du type fonctionnant en réflexion, comprenant une source de lumière incohérente reliée par une fibre optique à un capteur à élément sensible biréfringent soumis à la grandeur à mesurer et dans lequel la lumière subit une modulation périodique de son spectre. De tels capteurs sont déjà connus (brevet français 2 595 820 de la demanderesse) et utilisés pour la mesure à distance de grandeurs physiques telles que la température, un champ magnétique, une position, un déplacement, etc Dans ces capteurs, l'extrémité de la fibre optique est placée au foyer d'une lentille de collimation dont l'axe optique est en regard de l'élément sensible. Lorsque le capteur est du type fonctionnant par transmission, l'élément sensible est précédé d'un polariseur et suivi d'un analyseur et une seconde lentille de collimation le relie à une fibre optique menant à un appareil d'analyse spectrale de la lumière. Lorsque le capteur fonctionne en réflexion, l'élément sensible est toujours précédé d'un polariseur, mais est suivi d'un miroir qui réfléchit le flux lumineux reçu et le refait passer à travers l'élément sensible, le polariseur et la lentille de collimation pour le renvoyer dans la fibre optique, en direction d'un appareil d'analyse spectrale relié à cette fibre par un coupleur en Y. En raison des très faibles dimensions du coeur de la fibre optique, le miroir de réflexion doit être orienté perpendiculairement à l'axe optique du dispositif, avec une très grande précision, pour renvoyer un flux lumineux maximum à l'intérieur de la fibre optique Par exemple, si l'on veut obtenir une perte de réinsertion de lumière inférieure à 1 d B dans la fibre optique, il faut que l'angle de la perpendiculaire au miroir et de l'axe optique du dispositif soit inférieur à 3 minutes d'angle, lorsque le diamètre de coeur de la fibre optique est de l'ordre de 0,1 mm et que la distance focale de la lentille de collimation est de 10 mm. Une telle précision dans le positionnement du miroir est difficile à réaliser et à conserver dans le temps. Pour éviter cet inconvénient, les solutions classiques consistent à augmenter le diamètre de coeur de la fibre optique, ou à réduire la distance focale de l'optique de collimation Il est toutefois difficile de diminuer la distance focale en dessous de 1 mm, et d'utiliser des fibres optiques dont le diamètre de coeur est supérieur à 0,2 mm En outre, il en résulte une très forte divergence du faisceau lumineux collimaté, ce qui se traduit également par une perte de flux lumineux sensible lorsque la distance lentille de collimation- miroir devient grande par rapport à la distance focale. Une autre solution classique consiste à défocaliser la fibre optique par rapport à la lentille de collimation Il en résulte cependant une perte importante de réinsertion du flux lumineux dans la fibre optique, fonction de cette défocalisation et pouvant être de l'ordre de 5 à 10 d B. L'invention a pour but d'apporter une solution simple, efficace et fiable à ce problème, tout en garantissant une perte minimale de réinsertion. Elle a également pour but d'augmenter les performances d'un capteur du type précité. Elle propose à cet effet un dispositif de détection à distance d'une grandeur physique, fonctionnant en réflexion et utilisant le principe du codage par modulation spectrale de la lumière, comprenant une source de lumière incohérente reliée par une fibre optique à un capteur à élément sensible biréfringent soumis à la grandeur mesurée et dans lequel la lumière subit une modulation périodique de son spectre, une lentille de collimation et un polariseur étant agencés entre la fibre optique et l'élément sensible du capteur, tandis qu'un moyen de réflexion optique est prévu à l'extrémité opposée du capteur, caractérisé en ce que le moyen de réflexion optique est du type catadioptrique dans lequel la direction de réflexion est parallèle à la direction d'incidence, et en ce qu'un second polariseur est placé entre le capteur et le moyen de réflexion, les directions passantes des deux polariseurs étant de préférence croisées ou parallèles et orientées à 45 des axes neutres de l'élément sensible du capteur. L'utilisation d'un réflecteur catadioptrique permet une réinsertion maximale du flux lumineux dans la fibre optique Cependant, la réflexion totale du flux lumineux sur les faces de catadioptre se traduit par une perturbation parasite et délicate à calibrer de la modulation périodique induite par le capteur dans le spectre du flux lumineux émis par la source La présence du second polariseur, interposé entre le réflecteur et l'élément sensible, permet d'isoler le réflecteur du phénomène d'interférences qui prend naissance dans l'élément sensible et de mettre en série les transmittances spectrales associées aux traversées aller et retour de l'élément sensible, sans pertes additionnelles importantes. L'amplitude utile de modulation du flux lumineux n'est sensiblement pas modifiée par rapport à celle que l'on a dans un capteur classique fonctionnant en transmission, et le fond continu du signal est plus faible, ce qui revient à obtenir un indice de modulation plus élevé à la fréquence utile En outre, la réinsertion du flux lumineux dans la fibre optique ne pose pas de problèmes et peut s'obtenir et se conserver facilement dans le temps. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le moyen de réflexion optique est constitué par un coin de cube dont le sommet est situé sur l'axe optique du capteur, du côté opposé à ce capteur. On oriente les faces du coin de cube par rapport au second polariseur, de façon à obtenir un flux lumineux maximum après la seconde traversée du second polariseur. En variante, le moyen de réflexion optique peut être constitué par un catadioptre plan à micro- billes, ou par une lentille "SELFOC" P/4 ou 3 P/4 à face arrière métallisée. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la lentille de collimation (de type "SELFOC"I), les deux polariseurs, le capteur et le moyen de réflexion optique sont logés coaxialement dans un même boîtier ou une même gaine cylindrique, en matière métallique ou diélectrique, qui peut être constituée par un tube capillaire par exemple. On obtient ainsi un capteur très simple, très maniable, de très faibles dimensions (ayant un diamètre extérieur de l'ordre de 2 à 4 mm, selon les réalisations), et de construction aisée. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente schématiquement un capteur à réflexion de la technique antérieure; la figure 2 représente schématiquement un capteur à réflexion selon l'invention; les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en coupe axiale de deux modes de réalisation possibles de l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1, qui représente schématiquement un capteur de la technique antérieure, fonctionnant en réflexion et comprenant une fibre optique 10 montée entre une source 12 de lumière incohérente et un capteur comprenant une lentille 16 de collimation, un polariseur 18, un cristal biréfringent 20 soumis à la grandeur mesurée (par exemple la température) et un miroir plan 22 à réflexion totale qui est orienté perpendiculairement à l'axe optique 24 du dispositif. Un coupleur en Y 26 relie la fibre optique 10 à un appareil 14 d'analyse spectrale de la lumière (tel par exemple qu'un interféromètre démodulateur). Le fonctionnement de ce type de capteur est le suivant: la lumière émise par la source 12 est transmise par la fibre optique 10 au capteur, polarisée de façon rectiligne à la traversée du polariseur 18, et transmise au cristal 20 en étant polarisée dans un plan qui est incliné par rapport aux axes lent et rapide du cristal 20 De manière préférentielle, cette inclinaison est de 45; A la traversée du cristal, le flux lumineux se divise en deux ondes polarisées dans des plans perpendiculaires et se déplaçant à des vitesses différentes, de telle sorte que ces deux ondes sont déphasées dans le temps à la sortie du cristal Le flux lumineux sortant du cristal est réfléchi par le miroir 22, retraverse le cristal 20, puis le polariseur 18 et est réinséré dans la fibre optique 10 par la lentille de collimation 16 Ce flux lumineux est finalement transmis à l'appareil 14 d'analyse spectrale. A la sortie du capteur, la répartition spectrale du flux lumineux est modulée à une fréquence qui est fonction de la différence de marche dans le capteur, celle-ci variant elle-même en fonction de la grandeur physique à laquelle est sensible le cristal 20. La mesure de cette différence de marche permet donc de déterminer la valeur de la grandeur physique agissant sur le cristal 20, moyennant un étalonnage préalable. Cependant, et comme indiqué plus haut, il faut que le miroir 22 soit orienté perpendiculairement à l'axe optique 24 avec une très grande précision, tout écart se traduisant par une diminution très importante du flux lumineux transmis à l'appareil 14 d'analyse spectrale. Si on désigne par f la distance focale de la lentille 16, par r le rayon de coeur de la fibre optique et a l'angle entre l'axe optique 24 et la perpendiculaire au miroir 22, l'efficacité de la réinsertion du flux lumineux dans la fibre optique 10 après réflexion par le miroir 22 se traduit par la relation suivante: T= 2 (O cos O sin O) avec r cos O = f a Une perte de réinsertion inférieure à 1 d B se traduit par un angle a inférieur à 3 minutes d'angle, si la distance focale f vaut 10 mm et si le rayon de coeur de la fibre optique est de 0,05 mm. Cette précision est très difficile à obtenir et à conserver dans le temps, et un défaut d'orientation du miroir par rapport à l'axe optique du dispositif peut se traduire par une perte d'information au niveau de l'appareil 14 d'analyse spectrale. Le dispositif selon l'invention, représenté schématiquement en figure 2, permet d'éviter ces inconvénients. On retrouve dans ce dispositif, en bout de la fibre optique 10, un capteur comprenant la lentille de collimation 16, le polariseur 18, le cristal biréfringent sensible à la grandeur physique à mesurer, qui sont les mêmes que dans le capteur de la figure 1. Selon l'invention, le miroir 22 est remplacé par un réflecteur catadioptrique, dans lequel la direction de réflexion de la lumière est toujours parallèle à la direction d'incidence. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, ce réflecteur est constitué par un coin de cube 28, dont le sommet 30 se trouve sur l'axe optique 24 du dispositif et est orienté à l'opposé du capteur En outre, un second polariseur 32 est interposé entre le cristal 20 et le réflecteur 28, ce second polariseur ayant une direction passante parallèle ou perpendiculaire à celle du premier polariseur 18 et donc orientée de préférence à 450 des axes lent et rapide du cristal 20. L'orientation relative du second polariseur 32 et des faces du coin de cube 28 est déterminée pour que le flux lumineux transmis après réflexion sur le coin de cube 28 et traversée du second polariseur 32, soit maximum (déphasage à la réflexion minimal). Ce dispositif fonctionne de la façon suivante: la fibre optique 10 délivre un flux lumineux non polarisé ayant une distribution spectrale PO ( 6). Après traversée du premier polariseur 18, ce flux devient 2 Po (a). Après traversée du cristal 20 et du second polariseur 32, la distribution spectrale du flux polarisé est la suivante: Pl ( 6) =TP (a P) l 1 + cos 2 X (Y Al avec A = e (ne no) e désignant l'épaisseur du cristal 20, ne et no étant les indices du cristal 20 selon ses axes rapide et lent respectivement. Le flux lumineux qui traverse le coin de cube 28 et est réfléchi par les faces de celui-ci est polarisé elliptiquement, l'orientation et l'ellipticité de cette polarisation étant quasiment indépendantes de la longueur d'onde. La seconde traversée du polariseur 32 se traduit par une projection de cet état de polarisation elliptique sur la direction passante du polariseur 32, ce qui conduit à une répartition spectrale du type suivant: P'1 (a) = 1 PO () cos 28 l 1 + cos 2 X ( Al o 6 est faible et indépendant de la longueur d'onde Une orientation convenable du coin de cube 28 par rapport au second polariseur 32 permet d'obtenir une valeur de cos 6 voisine de 1. Après la seconde traversée du capteur 20, on a la répartition finale suivante du flux lumineux: P 2 () = 1 PO (a) cos 28 l 1 +cos 2 X ( Al 2 = 3 cos 28 (a) l 1 + 1 cos 2 wy A + 1 cos 4 KOAl 16 4 3 A titre de comparaison, on obtiendrait, à la sortie du capteur de la figure 1, la distribution suivante: P 12 1 PO (G) l 1 + cos 4 X a Al Ce flux lumineux peut être ensuite dirigé vers un interféromètre de démodulation ayant une différence de marche A O proche de A, ce qui permet d'obtenir le signal S donné par la relation suivante: S = 3 cos 280 (A-A 0) l 1 + 2 cos 2 X O O (A-A 0)l 32 3 dans laquelle PO désigne la transformée de Fourier de Po, et go désigne la longueur d'onde centrale de la source lumineuse. Avec un capteur tel que celui de la figure 1, et un interféromètre démodulateur accordé sur la fréquence 2 A, on obtiendrait le signal S' suivant S' l Po( 2 A-AO) l 1 + 1 cos 2 i X a O ( 2 A-A 0)l 8 2 La comparaison des signaux S et S' montre que: 1 / On obtient avec le dispositif selon l'invention une amplitude utile de modulation égale à 1 P (A-A 0) cos 2 a cos 2 X g O (A-A 0) 16 Cette amplitude utile de modulation est identique à celle que l'on obtient dans le dispositif de la figure 1 lorsque le miroir 22 est parfaitement perpen- diculaire à l'axe optique 24 (si l'on suppose cos 2 5 égal à 1), ce qui signifie que le dispositif selon l'invention ne provoque pas de perte de flux lumineux utile à la réinsertion dans la fibre optique 10. 2 / Le fond continu du signal est plus faible, ce qui correspond à un indice de modulation plus élevé à la fréquence utile ( 2/3 au lieu de 1/2) de sorte que l'on obtient une meilleure visibilité du phénomène d'interférence. 3 / L'interféromètre démodulateur 14 comporte un cristal de même épaisseur que celui constituant l'élément sensible 20, étant donné que la fréquence utile est centrée sur A (et non sur 2 A), l'interféromètre de détection fonctionnant habituellement en simple passage du flux lumineux. 4 / Les contraintes de positionnement précis du moyen optique de réflexion sont supprimées, le seul alignement nécessaire étant celui du sommet 30 du coin de cube 28 qui doit être placé sur l'axe optique 24, ce réglage n'étant pas critique, non plus que l'orientation des faces du coin de cube. 5 / On peut réaliser une détection additionnelle à la fréquence 2 A et disposer, en utilisant des techniques connues de multiplexage, de deux informations (on utilise deux cristaux d'accord dans l'interféromètre de détection, l'un centré sur A et l'autre sur 2 A) La mesure simultanée de ces deux informations permet de confirmer la détermination de la phase du signal et fournit un moyen intégré de recalibrage en permanence du dispositif de détection (notamment pour compenser les dérives éventuelles de la source en longueur d'onde). Le coin de cube 28 peut être remplacé par tout autre élément réflecteur de type catadioptrique, dans lequel la direction des rayons lumineux réfléchis est toujours parallèle à celle des rayons lumineux incidents. On peut utiliser par exemple un catadioptre plan à micro- billes, par exemple du type commercialisé sous la dénomination SCOTCHLITE 3 M, ou une lentille SELFOC de type P/4 ou 3 P/4 à face arrière métallisée, ou une lentille convergente avec un miroir plan situé dans son plan focal. Dans les figures 3 et 4, on a représenté à titre d'exemple deux modes de réalisation pratique du dispositif selon l'invention. En figure 3, le dispositif comprend un boîtier métallique 34 de forme cylindrique, contenant une optique de collimation 16 constituée par une lentille SELFOC, les deux polariseurs 18 et 32, le coin de cube 28 et un cristal de quartz 20 formant l'élément sensible du capteur La fibre optique 10 est montée à l'intérieur d'une virole 36 à la traversée d'une extrémité du boîtier il 34 La longueur de ce boîtier peut être de l'ordre de 30 à 40 mm, son diamètre de 4 mm. En figure 4, une lentille SELFOC 16 formant l'optique de collimation, les deux polariseurs 18 et 32, l'élément sensible 20 en calcite, et une lentille SELFOC 38 à face arrière métallisée 40 sont montés à l'intérieur d'un tube capillaire 42 en verre Le dispositif a un diamètre légèrement inférieur à 2 mm et une longueur de l'ordre de 10 mm. L'invention prévoit également, pour réduire la composante continue à la démodulation, de déposer sur la fibre optique un traitement antireflet monocouche ou multicouche. De façon générale, l'invention permet de résoudre, sans perte importante de flux lumineux, les problèmes d'assemblage et de montage des capteurs à codage de modulation spectrale fonctionnant en réflexion, et d'utiliser de tels capteurs pour des mesures déportées en milieu agressif (vibrations, chocs, dilatations) sans craindre des détériorations des performances par désalignement ou défocalisation. REVENDICATIONS 1 Dispositif de détection à distance d'une grandeur physique, fonctionnant en réflexion et utilisant le principe du codage par modulation spectrale de la lumière, comprenant une source ( 12) de lumière incohérente reliée par une fibre optique ( 10) à un capteur comprenant une lentille de collimation ( 16) et un polariseur ( 18) agencés entre la fibre optique et un élément ( 20) sensible biréfringent soumis à la grandeur à mesurer, et un moyen de réflexion optique prévu à l'extrémité du capteur opposée à la fibre ( 10), caractérisé en ce que le moyen de réflexion optique ( 28, 38, 40) est du type catadioptrique dans lequel la direction de réflexion est parallèle à la direction d'incidence, et en ce qu'un second polariseur ( 32) est placé entre l'élément sensible ( 20) et le moyen de réflexion ( 28, 38, 40), les orientations des deux polariseurs ( 18, 32) étant croisées ou parallèles. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction passante du premier polariseur ( 18) est orientée à 45 des axes lent et rapide de l'élément sensible ( 20) du capteur. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de réflexion optique est constitué par un coin de cube ( 28) dont le sommet ( 30) est situé sur l'axe optique ( 24) du capteur, du côté opposé à ce capteur. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les faces du coin de cube ( 28) sont orientées par rapport au second polariseur ( 32) de façon à obtenir un flux lumineux maximum après la seconde traversée du second polariseur ( 32). Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de réflexion est un catadioptre plan à micro-billes. 6 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de réflexion est constitué d' une lentille convergente et d'un miroir plan situé dans son plan focal. 7 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moyen de réflexion est une lentille SELFOC ( 38) de type P/4 ou 3 P/4 à face arrière ( 40) métallisée. 8 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre optique ( 10) comprend un revêtement antireflet monocouche ou multicouche. 9 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lentille de collimation ( 16), les polariseurs ( 18, 32), l'élément sensible ( 20) et le moyen de réflexion ( 28, 38) sont logés dans un boîtier ( 34) métallique ou une gaine cylindrique ( 42) en matière diélectrique, telle par exemple qu'un tube capillaire. 10 Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est associé à un interféromètre démodulateur ( 14) calé sur les deux fréquences de modulation ( A,2 A) générées par le capteur, de manière à s'affranchir des éventuelles dérives de la longueur d'onde centrale de la source ( 12).