Brevet FR2650887A1 — publié le 19910215

APPAREIL POUR MESURER L'AMPLITUDE D'UN SIGNAL OPTIQUE, ET PYROMETRE COMPORTANT UN TEL APPAREIL La présente invention concerne un appareil optique pour mesurer l'amplitude d'un signal de rayonnement optique transmis le long d'un chemin optique, comportant un détecteur sensible au rayonnement sur le chemin optique. L'invention concerne également un pyromètre optique comportant un tel appareil. On utilise de plus en plus des appareils optiques à la place des appareils électriques pour capter et transmettre des données. Ces appareils peuvent comporter par exemple un capteur optique, un câble optique et un détecteur qui délivre un signal de sortie représentatif de la variable captée par le capteur, en fonction de l'intensité du rayonnement qu'il reçoit à travers le câble. Un problème spécifique de tels appareils analogiques est que certaines de leurs. caractéristiques peuvent varier avec les changements de température et spécialement qu'ils peuvent devenir insensibles à de faibles niveaux du rayonnement. La présente invention a pour but de créer un appareil optique dont l'utilisation permet d'éviter l'inconvénient susmentionné. -Selon un premier aspect, l'invention concerne un appareil optique du genre indiqué plus haut, caractérisé en ce qu'il comporte une micro- structure en silicium disposée sur le chemin optique, un dispositif d'excitation pour faire vibrer la microstructure en silicium de façon à moduler le rayonnement transmis au détecteur entre des amplitudes alternées différentes, de sorte que le détecteur délivre un signal de détection qui alterne entre deux valeurs représentant lesdites amplitudes du rayonnement, et un dispositif de comparaison répondant à la différence entre les deux valeurs du signal de détection pour délivrer un signal de sortie représentant l'amplitude du signal de rayonnement optique. - 2 - De cette manière, on peut alternativement bloquer et laisser passer le rayonnement vers le détecteur pour que, en mesurant la différence entre les deux valeurs du signal de détection, l'intensité du rayonnement se réfère de manière répétée à la plus récente caractéristique d'obscurité du détecteur, ce qui rend l'appareil insensible à. une variation de cette caractéristique du détecteur. De préférence, le dispositif d'excitation pour faire vibrer la micro- structure en silicium comporte une source de rayonnement optique alternatif et un guide de rayonnement pour diriger ledit rayonnement optique alternatif sur la microstructure en silicium de façon à mettre optiquement en vibration cette -microstructure. Le detecteur peut être agencé pour délivrer un signal électrique de détection à un circuit d'échantillonnage et de maintien, et ledit circuit d'échantillonnage et de maintien peut être agencé pour délivrer deux signaux simultanés représentant respectivement lesdites deux amplitudes différentes du rayonnement. Dans une forme de réalisation préférée, la microstructure en silicium comporte une barre qui vibre sous l'effet du dispositif d'excitation de manière à bloquer et laisser passer alternativement le rayonnement transmis le long du chemin optique vers le détecteur. Ladite barre peut être supportée à une seule de ses extrémités. Elle peut être supportée à ses deux extrémités et vibrer par flexion entre lesdites extrémités. Le détecteur peut être une photodiode, et celle-ci peut être d'une seule pièce avec la microstructure en silicium. La source de rayonnement optique alternatif peut être d'une seule pièce avec la microstructure en silicium. Dans une forme de réalisation particulière, l'appareil comporte un ensemble de microstructures en silicium associées à des chemins respectifs de rayonnement optique, le détecteur est sensible au rayonnement transmis le long de chacun desdits chemins optiques, et les 3- microstructures en silicium sont excitées pour vibrer de façon à laisser passer vers le détecteur le rayonnement de pas plus d'un seul des chemins optiques à la fois. L'invention concerne aussi un pyromètre optique comportant un appareil optique tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce que ledit chemin optique comporte un- câble optique raccordé à une zone optiquement émettrice, et en ce que le pyromètre comporte une unité électronique de traitement délivrant un signal de sortie représentatif de la température de la zone optiquement émettrice. On décrira ci-dessous, à titre d'exemple non limitatif, un pyromètre optique selon l'invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure I représente un schéma du pyromètre comportant un appareil optique selon l'invention, la figure 2 est une vue en plan d'une partie de l'appareil optique, la figure 3 est un diagramme représentant un signal de détection délivré par l'appareil optique, la figure 4 est une vue en plan analogue à la figure 2, pour un appareil modifié, la figure 5 est une vue en élévation de l'objet de la figure 4, la figure 6 est une vue en plan analogue à la figure 2, pour un autre appareil modifié, la figure 7 est une vue en plan analogue à la figure 2, pour un autre appareil modifié, et la figure 8 est une vue en élévation de l'objet de la figure 7. - 4 - On se réfère tout d'abord aux figures 1 et 2, représentant un pyromètre optique destiné à mesurer la température d'une zone optiquement émettrice formée par une chambre 1. L'appareil comporte un chemin optique 2 délivrant le rayonnement de la chambre 1 à un détecteur 4 en passant à proximité d'une microstructure en silicium 3. Pour sa part, le détecteur 4 délivre un signal électrique de détection qui représente l'amplitude du rayonnement arrivant à chaque instant sur le détecteur 4. Ce signal est ensuite traité pour permettre d'indiquer une valeur de température sur un dispositif d'affichage 5. Le chemin optique 2 comporte un câble optique 20 ayant à son extrémité avant une lentille convergente 21 qui résiste aux températures élevées et qui focalise dans le câble le rayonnement qu'elle reçoit de la chambre 1. A son extrémité arrière, le câble 20 est équipé d'une lentille convergente 22 qui dirige' le rayonnement sortant du câble sur le détecteur formé par une photodiode 4. Un intervalle 23 est ménagé entre la lentille arrière 22 et la photodiode 4 et c'est dans cet intervalle que se trouve la microstructure en silicium 3. La microstructure 3 est une structure en une pièce, réalisée par attaque chimique dans un seul bloc de silicium. Elle comprend un socle 31 à forme pyramidale qui supporte en porte-à-faux une barre horizontale 32 s'étendant à travers le chemin optique qui va de la lentille 22 à la photodiode 4. D'un côté de la barre 32 arrive une seconde fibre optique 24 venant d'une source d'excitation 34 qui délivre un rayonnement optique alternatif pulsé, par exemple une diode électroluminescente ou une diode laser. Une lentille 25 placée à l'extrémité de la fibre 24 focalise un faisceau de rayonnement d'excitation qu'elle dirige horizontalement sur un côté de la barre 32, perpendiculairement à celle-ci. La photodiode 4 peut être formée dans le même bloc de silicium que la microstructure 3, donc être d'une seule pièce avec elle, ou être un composant séparé. Le signal électrique de sortie de la photodiode 4 est délivré par une ligne 40 à un circuit d'échantillonnage 41 qui reçoit aussi un signal d'entrée en provenance de la source d'excitation 34 en -5synchronisme avec les alternances de la source 34. Les signaux de sortie du circuit d'échantillonnage 41 sont délivrés à une unité de traitement 42 (processeur) par des lignes 43 et 44. L'unité 42 délivré un signal de sortie représentatif de la température de la chambre 1, lequel est ' transmis à l'affichage 5 ou à un autre dispositif utilisateur. * En fonctionnement, le rayonnement arrivant de la source 34 sur la barre * 32 la fait vibrer dans un plan horizontal, par flexion à son point d'attache sur le socle 31. La barre 32 présente un faible coefficient d'amortissement et une faible masse, de sorte qu'elle est facilement mise en oscillation entretenue à sa fréquence de résonance. Le rayonnement généralement continu de la chambre 1, qui est transmis par le câble optique 20, est focalisé sur un point situé en dessus de la photodiode 4 et coïncidant avec la position d'équilibre de l'a barre oscillante 32. La largeur de la barre 32 est choisie de manière que, dans sa position d'équilibre, la barre bloque tout le rayonnement du câble 20 en direction de la photodiode 4. Par contre,- dans ses deux positions limites d'oscillation, la barre 32 découvre complètement la photodiode 4 et lui laisse recevoir un maximum de rayonnement. De ce fait, le signal de sortie V de la photodiode 4 a la forme représentée à la figure 3 en fonction du temps T, avec une valeur minimale Vmin qui correspond à la caractéristique d'obscurité de la photodiode et qui dépend de la température de cette photodiode. La valeur maximale Vmax du signal est atteinte dès que la barre 32 a complètement découvert la photodiode 4. Ce signal est transmis au circuit d'échantillonnage 41 qui est piloté par la source 34 de manière à mémoriser les signaux Vmax et Vmin à des instants Tmax et Tmin. Ces échantillons de signaux peuvent être délivrés simultanément, respectivement sur les lignes 43 et 44, de sorte que l'unité de traitement 42 peut effectuer une opération de comparaison et tirer une indication de la différence Vd entre Vmax et Vmin. Il faut relever que tout changement de température ou de tout autre facteur influençant les performances de la photodiode 4 tend à modifier aa caractéristique d'obscurité et donc les deux valeurs Vmax et Vmin dans le même sens. Comme on mesure la différence Vd entre ces -6- signaux, la valeur du signal Vmax est utilisée uniquement par référence répétée à la caractéristique d'obscurité de la photodiode, ce qui compense toute variation de Vmin. Par rapport aux obturateurs et interrupteurs mécaniques, la microstructure en silicium 3 a pour avantages une plus grande vitesse, une plus grande fiabilité, une taille plus faible et un moindre poids. Les obturateurs à semi-conducteurs faits de matière électro-optique dont les propriétés de transmission varient avec un signal optique qui leur est appliqué ont aussi pour inconvénient, par rapport à la microstructure en silicium, le fait de présenter des caractéristiques dépendant de la température, ainsi que des effets chromatiques et un taux de contraste limité. La partie du dispositif comprenant la microstructure au silicium 3, la photodiode 4, la source d'excitation 34, le circuit d'échantillonnage 41, l'unité de traitement 42 et leurs interconnexions optiques et électriques peut être réalisée sous la forme d'un seul circuit intégré demandant seulement un signal de commande pour la source 34. D'autres agencements de la microstructure en silicium sont possibles. Les figures 4 et 5 montrent un agencement dans lequel la barre 32' a la forme d'un pont entre deux socles 31'. Le rayonnement d'excitation incident sur le côté de la barre 32' la fait fléchir entre les positions dessinées en traits interrompus. Un appareil multiplex peut être réalisé facilement comme le montre la figure 6. Dans cet agencement, une photodiode 60 reçoit l'un après l'autre six signaux de rayonnement différents. Six microstructures en silicium 61 à 66, qui peuvent être similaires à la microstructure 3 décrite plus haut, s'étendent au-dessus de la photodiode 60 et sont entraînées eh vibration par des signaux optiques respectifs de telle manière qu'à chaque instant, cinq des microstructures empêchent que le rayonnement provenant de fibres optiques respectives 71 à 76, placées au- dessus des microstructures, atteigne la photodiode. 265088 7 -7- Le principe d'un appareil comportant deux photodiodes 71 et 72 est illustré par les figures 7 et 8. Dans cet appareil, la microstructure en silicium 70 comporte une barre 73 portée en son centre par un socle 74 et entraînée en oscillation dans un plan horizontal autour de ce point par un rayonnement d'excitation, de façon que les deux photodiodes 71 et 72 soient découvertes ou masque.es en même temps. Au lieu de faire vibrer la microstructure en silicium par voie optique, comme on l'a décrit ci-dessus, on pourrait l'exciter par un moyen électrostatique ou piézoélectrique. L'appareil selon l'invention n'est pas limité à des applications en pyrometrie, car il est utilisable dans tout dispositif analogique dans lequel il s'agit de mesurer l'amplitude d'un signal de rayonnement optique. Ce signal peut être tiré d'un signal électrique ou autre. - 8 - Revendications 1. Appareil optique pour mesurer l'amplitude d'un signal de rayonnement optique transmis le long d'un chemin optique, comportant un détecteur sensible au rayonnement sur le chemin optique, caractérisé en ce qu'il comporte une microstructure en silicium (3, 3', 61 à 66, 70) disposée sur le chemin optique (2, 23), un dispositif d'excitation (34, 24, 25) pour faire vibrer la microstructure en silicium de façon à moduler le rayonnement transmis au détecteur (4, 60, 71, 72) entre des amplitudes alternées différentes, de sorte que le détecteur délivre un signal de détection qui alterne entre deux valeurs représentant lesdites amplitudes du rayonnement, et un dispositif de comparaison (42) répondant à la différence entre les deux valeurs du signal de détection pour délivrer un signal de sortie représentant l'amplitude du signal de rayonnement optique. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'excitation pour faire vibrer la microstructure en silicium comporte une source (34) de rayonnement optique alternatif et un guide de rayon- nement (24) pour diriger ledit rayonnement optique alternatif sur la microstructure en silicium (3, 3', 61 à 66, 70) de façon à mettre optiquement en vibration cette microstructure. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur (4, 60, 71, 72) est agencé pour délivrer un signal électrique de détection à un circuit d'échantillonnage et de maintien (41), et en ce que ledit circuit d'échantillonnage et de maintien (41) est agencé pour délivrer deux signaux simultanés représentant respectivement lesdites deux- amplitudes différentes du rayonnement. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la microstructure en silicium (3, 3', 61 à 66, 70) comporte une barre (32, 32', 73) qui vibre sous l'effet du dispositif d'excitation (34, 24, 25) de manière à bloquer et laisser passer alternativement le rayonnement transmis le long du chemin optique vers le détecteur (4, 60, 71, 72). -9- 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite barre (32) est supportée à une seule de ses extrémités. 6. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite barre (32) est supportée à ses deux extrémités et. vibre par flexion entre lesdites extrémités. 7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur (4, 60, 71, 72) est une photodiode, et en ce que cette photodiode est d'une seule pièce avec la microstructure en silicium (3, 3', 61 à 66, 70). 8. Appareil selon les revendications 2 et 7, caractérisé en ce que la source de rayonnement optique alternatif (34) est d'une seule pièce avec la microstructure en silicium (3, 3', 61 à 66, 70). 9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble de microstructures en silicium (61 à 66) associées à des chemins respectifs de rayonnement optique, en ce que le détecteur (60) est sensible au rayonnement transmis le long de chacun desdits chemins optiques, et en ce que les microstructures en silicium (61 à 66) sont excitées pour vibrer de façon à laisser passer vers le détecteur (60) le rayonnement de pas plus d'un seul des chemins à la fois. I0. Pyromètre optique comportant un appareil optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit chemin optique comporte un câble optique (2) raccordé à une zone optiquement émettrice (1), et en ce que le pyromètre comporte une unité électronique de traitement (42) délivrant un signal de sortie représentatif de la température de la zone optiquement émettrice (1).