Brevet FR2653552A1 — publié le 19910426

- 1- La présente invention concerne un transducteur optique comportant une source optique qui émet un rayonnement sur une bande de longueurs d'ondes, une tête optique pourvue d'un élément de diffraction agencé pour disperser le rayonnement selon les longueurs d'ondes qui le composent le long d'une zone transversale par rapport au chemin du rayonnement, de façon que la longueur d'onde du rayonnement délivré par la tête optique sur un point quelconque de cette zone dépende de l'emplacement de ce point de la zone, un élément mobile susceptible de se déplacer par rapport à ladite zone et transversalement par rapport au chemin du rayonnement, un détecteur, et un guide de rayonnement qui s'étend entre la tête optique et le détecteur, l'élément mobile étant codé optiquement de façon à réfléchir du rayonnement de différentes longueurs d'ondes vers la tête optique en fonction de la position transversale de l'élément mobile, l'élément de diffraction étant agencé pour diffracter le rayonnement réfléchi, suivant sa longueur d'onde, de façon à en former une image sur une extrémité du guide de rayon- nement, et le détecteur étant agencé pour répondre au rayonnement à différentes longueurs d'ondes émergeant du guide de rayonnement, de façon à délivrer un signal de sortie en fonction de la position de l'élément mobile. Les transducteurs optiques de déplacement sont bien connus et utilisent généralement une source lumineuse et un récepteur, constitués par exemple par des extrémités de câbles optiques, ainsi que des moyens pour faire varier la quantité de rayonnement atteignant le récepteur en fonction du déplacement. Les moyens pour faire varier le rayonnement peuvent utiliser un masque mobile pourvu d'une ouverture de taille variable, ou un filtre neutre de densité dont la densité varie dans la direction du déplacement. Ces transducteurs peuvent fonctionner de manière satisfaisante à condition que l'intensité du rayonnement atteignant le récepteur ne varie pas pour une autre raison. Par contre, - 2 - toute modification du rayonnement émis par la source lumineuse, causée par exemple par des variations dans l'alimentation électrique de la source lumineuse, produit une lecture erronée. Une possibilité de réduire l'effet de ces variations de l'intensité lumineuse consiste à moduler le contenu spectral du rayonnement en fonction du déplacement. Cependant, un problème inhérent aux transducteurs connus de ce genre réside dans la difficulté d'obtenir un signal de sortie linéaire, puisque les dispositifs produisant la dispersion spectrale ne sont pas linéaires et que les décodeurs de longueurs d'ondes ne présentent habituellement pas une réponse linéaire. Dans un autre agencement, la lumière est dispersée en ses composantes spectrales et un masque codé est déplacé à l'intérieur du spectre pour permettre la transmission de différentes parties du spectre en fonction de la position du masque. Le rayonnement ayant franchi le masque est focalisé sur une extrémité d'un câble optique et dispersé de nouveau à l'autre extrémité du câble. En mesurant l'intensité du rayonnement dans différentes parties du spectre, il est possible de déterminer la position du masque. Cependant, le problème se présentant avec un tel agencement est qu'il est difficile d'assurer que tout le rayonnement transmis à travers le masque soit focalisé sur l'extrémité de la fibre réceptrice, car l'image formée sera étalée sur le plan image à cause de la nature dispersée de l'image spectrale sur le masque. Il existe aussi un problème du fait que, dans certaines circonstances, il n'est pas possible d'utiliser un masque transparent qui exige que les deux côtés du masque soient accessibles. La publication GB 2 188 144 A décrit un transducteur optique qui évite ces problèmes. Ce transducteur comporte une tête optique montée au-dessus d'un disque réfléchissant codé optiquement. Un rayonnement à large bande est délivré à la tête au moyen d'un câble optique. La tête est un bloc de verre pourvu d'une surface réfléchissante courbe qui collimate et réfléchit le rayonnement sur un réseau de diffraction ordinaire. Le rayonnement est dispersé par le réseau et réfléchi en direction de la surface réfléchissante courbe. Ceci a pour effet de -3- focaliser le rayonnement sur le disque sous la forme d'un spectre. La tête combine le rayonnement réfléchi par le disque et focalise sur l'extrémité d'une fibre de retour. A l'autre extrémité de cette fibre, un décodeur de longueurs d'ondes disperse le rayonnement reçu sur une rangée de photos diodes, laquelle délivre un signal de sortie représentatif de la position des parties réfléchissantes du disque, ce qui permet de déterminer la position du disque. En mesurant l'espacement entre deux pistes réfléchissantes, on peut éliminer les erreurs de concentricité. On peut mesurer le déplacement d'une plaque codée suivant deux directions de coordonnées en mesurant l'espacement et les valeurs absolues des longueurs d'ondes réfléchies. Bien que le transducteur susmentionné ait des avantages considérables par rapport aux agencements antérieurs, il est relativement coûteux à la fabrication et son efficacité est inférieure à ce que l'on souhaiterait, à cause de l'emploi d'un réseau de diffraction ordinaire. Les réseaux de diffraction ordinaires ont un rendement relativement faible, notamment parce qu'ils dépendent de la polarisation, de sorte que le rayonnement dans un plan de polarisation n'est pas utilisé par le transducteur. Le coût élevé de ce transducteur de l'art antérieur est dû à la nécessité de façonner avec précision les faces réfléchissantes ayant des orientations variées, ce qui nécessite une réalisation en plusieurs pièces différentes. Un but de la présente invention consiste à créer un transducteur optique susceptible de présenter une meilleure efficacité pour un coût relativement bas. Dans ce but, l'invention concerne un transducteur optique du type indiqué plus haut, caractérisé en ce que l'élément de diffraction est un élément de diffraction holographique. De préférence, la tête optique comporte un élément holographique agencé pour focaliser le rayonnement sur l'élément mobile et pour focaliser le rayonnement réfléchi par l'élément mobile. L'élément holographique agencé pour focaliser le rayonnement peut être séparé de l'élément de diffraction holographique. - 4 - La tête optique peut comporter un élément de collimation holographique placé entre le guide de rayonnement et l'élément de diffraction holographique. La tête optique est faite de préférence d'un bloc en une seule pièce de matière transparente, et l'élément de diffraction holographique est monté sur une surface de ce bloc. Dans une forme de réalisation avantageuse ledit bloc a une forme générale sensiblement cubique, l'élément de diffraction holographique est monté sur une surface oblique ménagée sur un premier côté du bloc, un élément de collimation est monté sur un côté opposé du bloc, entre le guide de rayonnement et l'élément de diffraction, et un élément réfléchissant est monté sur ledit côté opposé de façon à réfléchir le rayonnement venant de l'élément de diffraction vers l'élément mobile à travers le premier côté du bloc. Le guide de rayonnement allant au détecteur peut comporter un diviseur de faisceau, et le rayonnement de la source optique peut être transmis à la tête optique à travers le diviseur de faisceau et le guide de rayonnement. Au moins une partie du guide de rayonnement peut conduire à un dispositif de visualisation o le rayonnement réfléchi par l'élément mobile est visible, de sorte que l'observation de la couleur de ce rayonnement fournit une indication de la position de l'élément mobile. De préférence, l'élément mobile - comporte deux pistes allongées réfléchissantes, et l'espacement mutuel des deux pistes est différent en différents points de leur longueur. L'élément mobile peut être un disque rotatif. On décrira ci-dessous, à titre d'exemple, un transducteur optique selon la présente invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure 1 est un schéma du transducteur, la figure 2 est une vue latérale de la tête optique du transducteur, - 5- la figure 3 est une vue en plan de l'élément codeur mobile utilisé dans le transducteur, la figure 4 est une vue en plan d'une autre forme d'élément codeur, et les figures 4A à 4C représentent des signaux d'un détecteur en réponse à différentes positions de l'élément codeur de la figure 4. En référence à la figure 1, le transducteur optique comporte une source 1 de rayonnement dans une bande de longueurs d'ondes 1 à 2' sous la forme d'une diode luminescente ou d'une autre source telle qu'une lampe au tungstène, et une commande électrique 21. Le rayonnement de la source 1 est délivré par un câble optique monofibre 1 à une tête optique 3 qui sera décrite plus loin plus en détail. La tête optique 3 disperse le rayonnement en composantes spectrales et le dirige sur un disque codeur 4 qui tourne autour de son axe 5 en fonction des variations d'une variable d'entrée. Par exemple, la variable d'entrée pourrait être donnée par un capteur de pression ou de température, faisant tourner un arbre 6 qui porte le disque codeur 4. Le disque codeur 4 réfléchit différentes parties du spectre en direction de la tête optique 3, en fonction de la position du disque. Ce rayonnement réfléchi est recombiné dans la tête optique 3 et délivré sur une première extrémité d'un câble optique monofibre de retour 7. L'autre extrémité du câble de retour 7 est raccordée à un décodeur de longueurs d'ondes 8 qui disperse le rayonnement venant du câble en composantes de longueurs d'ondes. Le décodeur 8 peut comporter n'importe quelle forme usuelle de dispositif de dispersion, par exemple un réseau ou un prisme. Le spectre formé par le décodeur 8 est focalisé sur une rangée linéaire 9 de photodiodes ou de dispositifs similaires, délivrant sur des lignes 10 des signaux de sortie qui représentent l'intensité du rayonnement dans différentes parties du spectre. Comme il n'y aura généralement pas qu'une seule photodiode éclairée, mais une répartition sur plusieurs photodiodes, il est prévu un dispositif de traitement de signaux 11 pour identifier les pics d'intensité dans le spectre. Les signaux de sortie du dispositif 11 sont transmis à un dispo- - 6 - sitif d'affichage 12 qui affiche une indication de la position du disque codeur 4, indication qui peut être étalonnée pour représenter direc- tement la variable à mesurer, par exemple la pression ou la température. Dans une autre exécution, les signaux de sortie peuvent être délivrés à d'autres moyens utilisateurs, par exemple pour effectuer des commandes en fonction de la variable mesuree. Si l'on utilise de la lumière blanche d'intensité suffisante, une partie de la lumière modifiée peut être dérivée et utilisée pour éclairer un point sur un panneau de commande. Ce moyen peut donner une indication simple et directe de l'état de la variable. Par exemple, comme le rouge se trouve à une extrémité du spectre visible, cette couleur pourrait indiquer une pression dangereusement élevée, tandis que le vert indiquerait une pression correcte. La tête optique 3 sera décrite plus en détail en référence à la figure 2. Cette tête 3 est formée principalement d'un seul bloc de verre 30 ayant une forme générale cubique, à part une surface oblique 31 le long de son bord inférieur de gauche suivant la figure. Sur la surface 31 est monté un élément holographique de volume 32 qui sert de réseau ou d'élément de diffraction. A la verticale du réseau de diffraction holographique 32 se trouve un élément de collimation holographique 33 qui est monté contre une face supérieure horizontale 34 du bloc 30. L'élément de collimrnation 33 est placé directement sous un guide de rayonnement à fibre optique 35 qui est couplé à la fibre d'entrée 37 et à la fibre de retour 7 au moyen d'un diviseur de faisceau 36. Egalement sur la face supérieure 34 du bloc 30, un élément de focalisation holographique 37 est placé de manière à recevoir le rayonnement du réseau de diffraction 32. L'élément de focalisation est agencé pour réfléchir ce rayonnement verticalement vers le bas et le focaliser sur le disque codeur 4. La surface inférieure 38 du bloc est traitée de façon à être non réfléchissante et, dans ce but, peut avoir un revêtement diélectrique multicouche ou un traitement de surface du type "oeil de mouche". - 7 - Durant le fonctionnement, le rayonnement issu de la fibre 35 est transformé par l'élément 33 en un faisceau vertical collimaté qui est dirigé sur le réseau de diffraction holographique 32. Ce réseau 32 a une efficacité élevée, notamment parce qu'il ne dépend pas d'une polari- sation, c'est-à-dire qu'il diffracte en composantes de longueurs d'ondes le rayonnement incident dans n'importe quel plan de polarisation. Le rayonnement diffracté arrive sur l'élément de focalisation 37, lequel focalise le rayonnement dispersé en un spectre 60 le long d'une zone s'étendant radialement sur le disque. Le rayonnement réfléchi par le disque codeur 4 revient par le même chemin à travers le bloc 30 jusqu'à l'élément de diffraction 32. Ce rayonnement réfléchi est dévié sous un angle qui dépend de la longueur d'onde, de sorte que tout le rayonnement réfléchi par le disque codeur forme une image au même point sur l'extrémité de la fibre 35. Il faut remarquer que, grâce à la tête optique 3, le rayonnement est dispersé avant de former une image sur le disque codeur 4 et que les longueurs d'ondes réfléchies par les pistes réfléchissantes du disque sont recombinées par l'élément de diffraction 32. De cette manière, l'objet optique de petit diamètre formé par l'extrémité de la fibre d'entrée 35 est dispersé le long du spectre 60, sur le disque codeur 4, et le rayonnement réfléchi est combiné et revient focalisé en une image de petit diamètre sur l'extrémité de la fibre. Grâce au codeur réfléchissant, on utilise la même tête optique pour disperser et recombiner le rayonnement, ce qui évite la nécessité d'un dispositif de combinaison séparé, entraînant un supplément de coût et d'encombrement. En outre, en employant un codeur réfléchissant, on n'a pas besoin d'un libre accès derrière le codeur. Ceci permet d'utiliser des marques de codage sur un élément opaque tel qu'un volant. Comme l'élément de collimation 33, l'élément de collimation 32 et l'élément de focalisation 37 sont tous montés sur un bloc compact, le risque de mouvements relatifs par vibration entre les surfaces optiques est réduit. - 8 - Dans un autre agencement, l'élément de diffraction holographique 32 pourrait être agencé pour focaliser le rayonnement de façon que l'élément de focalisation holographique 37 puisse être remplacé par une simple surface réfléchissante. Une forme de réalisation du disque codeur 4 est représentée à la figure 3. Ce disque comporte un fond non réfléchissant 50 et des marques réfléchissantes sous la forme de deux 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 la distance entre les deux pistes 51 et 52 varie autour du disque 4. Le spectre formé sur le disque 4 est indiqué par la zone 60 qui s'étend radialement en travers des deux pistes. Quand le disque aura tourné, d'autres parties du spectre seront réfléchies vers la tête optique 3 par la piste en spirale 52. La piste circulaire 51 réfléchira le rayonnement de la même partie du spectre, en supposant que la piste soit bien concentrique avec le disque. Toutefois, en mesurant la distance entre les deux pistes, comme on le fait dans le cas présent, on obtient un transducteur qui est insensible aux erreurs de concentricité dans le disque codeur. Dans une autre forme de réalisation, le disque codeur pourrait être codé numériquement, par exemple en utilisant le système de codage Gray. Le codeur n'est pas nécessairement un disque rotatif comme décrit ci-dessus, mais peut être une plaque mobile dans le sens de sa longueur. Une forme de réalisation d'une telle plaque 70 est illustrée à la figure 4 et comporte deux pistes réfléchissantes 71 et 72 s'etendant sur la longueur de la plaque. Les pistes 71 et 72 ont des inclinaisons respectives différentes par rapport à la direction longitudinale de la plaque 70, de sorte que leur écartement varie sur cette longueur. Avec cette forme de plaque, il est possible de mesurer des mouvements orthogonaux de la plaque, c'est-a-dire des mouvements suivant sa longueur et à angle droit suivant sa largeur. La figure 4A représente le signal de sortie de la rangée de photodiodes 9 quand la plaque 70 a la position illustrée par la figure 4, par rapport à l'image spectrale 60. Si - 9 - la plaque 70 se déplace vers la gauche, l'écartement entre les parties des pistes 71 et 72 sur lesquelles tombe l'image spectrale 60 devient plus faible, et les pics détectés par le détecteur se rapprochent, comme le montre la figure 4B. Par contre, si la plaque 70 se déplace dans le sens de la largeur sans se déplacer dans le sens de la longueur, l'écartement entre les pics du signal de sortie reste inchangé, mais les pics se déplacent en position absolue, comme le montre la figure 4C. En mesurant la position absolue de ces pics, il est donc possible de mesurer le déplacement de la plaque dans deux directions de coordonnées orthogonales. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits ci-dessus, mais elle s'etend à toute modification ou variante évidente pour un homme du métier. - 10 - Revendications 1. Transducteur optique comportant une source optique qui émet un rayonnement sur une bande de longueurs d'ondes, une tête optique pourvue d'un élément de diffraction agencé pour disperser le rayon- nement selon les longueurs d'ondes qui le composent le long d'une zone transversale par rapport au chemin du rayonnement, de façon que la longueur d'onde du rayonnement délivré par la tête optique sur un point quelconque de cette zone dépende de l'emplacement de ce point de la zone, un élément mobile susceptible de se déplacer par rapport à ladite zone et transversalement par rapport au chemin du rayonnement, un détecteur, et un guide de rayonnement qui s'étend entre la tête optique et le détecteur, l'élément mobile étant codé optiquement de façon à réfléchir du rayonnement de différentes longueurs d'ondes vers la tête optique en fonction de la position transversale de l'élément mobile, l'élément de diffraction étant agencé pour diffracter le rayonnement réfléchi, suivant sa longueur d'onde, de façon à en former une image sur une extrémité du guide de rayonnement, et le détecteur etant agencé pour répondre au rayonnement à différentes longueurs d'ondes émergeant du guide de rayonnement, de façon à délivrer un signal de sortie en fonction de la position de l'élément mobile, caractérisé en ce que l'élément de diffraction est un élément de diffraction holographique (32). 2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête optique (3) comporte un élément holographique (37) agencé pour focaliser le rayonnement sur l'élément mobile (4, 70) et pour focaliser le rayonnement réfléchi par l'élément mobile. 3. Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'élément holographique (37) agencé pour focaliser le rayonnement est séparé de l'élément de diffraction holographique (32). 4. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête optique (3) comporte un élément de collimation holographique (33) placé entre le guide de rayonnement (35) et l'élément de diffraction holographique (32). - 1i - 5. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête optique (3) est faite d'un bloc (30) en une seule pièce de matière transparente, et en ce que l'élément de diffraction holographique (32) est monté sur une surface (31) de ce bloc. 6. Tranducteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit bloc (30) a une forme générale sensiblement cubique, en ce que l'élément de diffraction holographique (32) est monté sur une surface oblique ménagée sur un premier côté du bloc, en ce qu'un élément de collimation (33) est monté sur un côté opposé (34) du bloc (30), entre le guide de rayonnement (35) et l'élément de diffraction (32), et en ce qu'un élément réfléchissant (37) est monté sur ledit côté opposé (34) de façon à réfléchir le rayonnement venant de l'élément de diffraction (32) vers l'élément mobile (4, 70) à travers le premier c6té du bloc. 7. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le guide de rayonnement (35, 7) allant au détecteur (8, 9) comporte un diviseur de faisceau (36), et en ce que le rayonnement de la source optique (1) est transmis à la tête optique (3) à travers le diviseur de faisceau (36) et le guide de rayonnement (2, 35). 8. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une partie du guide de rayonnement (35, 7) conduit à un dispositif de visualisation (12) o le rayonnement réfléchi par l'élément mobile (4, 70) est visible, de sorte que l'observation de la couleur de ce rayonnement fournit une indication de la position de l'élément mobile (4, 70). 9. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément mobile (4, 70) comporte deux pistes allongées réfléchissantes (51 et 52, 71 et 72), et en ce que l'espacement mutuel des deux pistes est différent en différents points de leur longueur. 10. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément mobile (4) est un disque rotatif.