Brevet FR2650888A1 — publié le 19910215

- I -2650888 APPAREIL OPTIQUE POUR INDIQUER UNE CARACTERISTIQUE DE LONGUEURS D'ONDES La présente invention concerne un appareil optique pour fournir un signal représentatif d'une caractéristique de longueurs d'ondes d'une source de rayonnement optique à large bande. L'invention concerne plus particulièrement des appareils optiques dans lesquels on détecte un large spectre de longueurs d'ondes d'un rayonnement optique, la forme du spectre fournissant une indication d'une variable d'entrée. Par exemple, en pyrométrie optique, la température d'un corps chaud peut être déterminée par l'examen du niveau du rayonnement émis à différentes longueurs d'ondes. Un problème que présentent ces appareils est que la précision avec laquelle on peut déterminer la forme du spectre est limitée par le nombre de détecteurs utilisés, mais qu'une augmentation du nombre des détecteurs entraîne une augmentation- correspondante de la complexité, de la taille, du poids et du coût de l'appareil. Par conséquent, un but de la présente invention est de fournir un appareil optique dont l'utilisation permet d'éviter au moins partiel- lement ce problème. Dans ce but, l'invention concerne un appareil optique du type indiqué plus haut, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif pour disperser le rayonnement en ses composantes de longueurs d'ondes le long d'une zone linéaire de façon que des points distincts le long de cette zone reçoivent respectivement différentes longueurs d'ondes du rayonnement, un élément vibrant situé dans ladite zone et agencé pour bloquer sélectivement différentes longueurs d'ondes du rayonnement par son mouvement le long de cette zone, et un détecteur agencé pour recevoir le rayonnement que l'élément vibrant laisse passer et un signal représentatif de la position de l'élément vibrant le long de la zone et 2 -2650'888 - 2 - pour en tirer un signal de sortie représentatif d'une caractéristique de longueur d'onde de la source. De préférence, l'élément vibrant est formé par une microstructure en silicium. L'élément vibrant peut comporter une barre supportée à ltune de ses extrémités, et la barre peut vibrer angulairement autour de ladite extrémité. L'appareil peut comporter une source optique agencée pour entraîner optiquement en vibration l'élément vibrant. Dans une forme de réalisation particulière, l'élément vibrant est opaque au rayonnement optique et il bloque la transmission d'une petite partie des différentes longueurs d'ondes en direction du détecteur. Dans une autre forme de réalisation, l'élément vibrant est opaque au rayonnement optique et il bloque la transmission de toutes les différentes longueurs d'ondes en direction du détecteur, à l'exception d'une petite partie de celles-ci. De préférence, le détecteur comporte une seule photodiode recevant le rayonnement de toutes les longueurs d'ondes que l'élément vibrant laisse passer. Le dispositif pour disperser le rayonnement peut être un réseau de diffraction. Dans une forme avantageuse de l'appareil, la source de rayonnement optique à large bande est une région optiquement émettrice, et le dispositif comporte une unité de traitement agencée pour recevoir le signal de sortie du détecteur et pour délivrer un signal de sortie représentatif de la température de ladite région optiquement émettrice. On décrira ci-dessous, à titre d'exemple, un pyromètre comportant un appareil optique selon l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure I représente schématiquement l'appareil, 2650 8 8 8 - 3 - la figure 2 est une vue en plan d'une partie de l'appareil, la figure.2A-est une vue en plan d'une partie d'un appareil modifié, la figure 3 est un diagramme représentant l'intensité en fonction de la longueur d'onde dans le rayonnement délivré à l'appareil, et la figure 4 est un diagramme représentant la variation de l'amplitude du signal de sortie en -fonction du temps d'une partie de l'appareil. On se référera tout d'abord aux figures I et 2. Le pyromètre représenté comporte un câble optique I par lequel un rayonnement optique émis par une région ou chambre chaude 2 est délivré à un dispositif de dispersion 3. Ce dispositif 3 disperse le rayonnement en un spectre linéaire des longueurs d'ondes qui le composent et les transmet, par l'intermédiaire d'un élément vibrant 4, à une unité de détection 5 qui détermine la température de la chambre 2 par la forme du spectre de rayonnement-et délivre un signal de sortie à un organe d'affichage 7. Le câble I est de type connu et comporte à son -extrémité avant une lentille 10 résistante aux hautes températures qui dirige dans le câble le rayonnement à large bande émis par la chambre 2, qui peut être par exemple une chambre de combustion d'un moteur à turbine à gaz. Le rayonnement émergeant de l'extrémité arrière du câble 1 est focalisé par une lentille Il en un faisceau qui est dirigé sur le dispositif de dispersion 3, lequel est formé par un réseau de diffraction par transmission. Les différentes longueurs d'ondes du rayonnement sont diffractées par le -réseau 3 sous des angles différents, si bien que le rayonnement est dispersé latéralement de part et d'autre de sa direction générale. Le rayonnement dispersé est focalisé au moyen d'une lentille pour former une image spectrale linéaire 31, comme le montre la figure 2, qui s'étend dans un plan transversal o se trouve l'élément vibrant 4, transversalement par rapport à cet élément. Le long de l'image spectrale 31, la couleur varie du rouge à une extrémité au bleu à l'extrémité opposée. L'intensité du rayonnement en différents points le long de l'image 31 variera avec la température de la chambre 2 et la - 4 - partie utilisée du spectre dépendra des caractéristiques de réponse de l'unité de détection 5 utilisée. L'élément vibrant 4 comporte une microstructure en silicium qui est usinée par voie chimique ou mécanique à partir d'un bloc de silicium et qui comporte une barre horizontale 41 portée-à une de ses extrémités par un socle 42 fait d'une pièce avec elle. Une fibre optique d'excitation 43 se trouve d'un côté de la barre 41 et dirige sur elle des impulsions de rayonnement provenant d'une source 44, ce qui fait vibrer la barre à la fréquence des impulsions. Les vibrations de la barre 41 sont des mouvements angulaires d'oscillation autour de l'extrémité supportée de la barre, qui se produisent dans un plan horizontal dont l'intersection avec le faisceau du rayonnement dispersé par le réseau 3 est une zone horizontale linéaire o se trouve l'image spectrale 31. La barre 41 est opaque au rayonnement optique, de sorte qu'elle forme un masque qui bloque le passage d'une petite partie des différentes longueurs d'ondes du spectre. Selon sa position dans la vibration, la bare 41 empêche le passage des différentes longueurs d'ondes du rayonnement. Toutes les longueurs d'ondes du rayonnement que la microstructure vibrante 4 laisse passer tombent sur une unique photodiode.50 dans l'unité de détection 5. L'ouverture de la photodiode 50 est choisie de manière qu'elle reçoive l'ensemble de la portion de l'image spectrale 31 présentant de l'intérêt. Dans le cas présent, cette portion comprend les couleurs allant du rouge au bleu. A l'intérieur de l'unité de détection 5, le signal de sortie de la photodiode 50 est délivré à une unité de traitement 51 ouï processeur, recevant aussi un signal d'entrée qui est délivré par la source de commande 44 en synchronisme avec le signal optique d'excitation transmis sur la fibre 43 et qui représente la position de la barre 41. Pendant que la barre 41 balaie l'image spectrale 31 au cours de son oscillation, le signal de sortie de la photodiode 50 varie, à moins que le spectre du rayonnement de la chambre 2 soit complètement plat dans les limites de l'image spectrale. La figure 3 montre un exemple d'un spectre de rayonnement à large bande qui peut être émis par la chambre 2. La -5bande des longueurs d'ondes À masquées par la barre 41 est indiquée par 6& avec un indice qui varie en fonction de la position de la barre. On voit que lorsque la barre se trouve à une extrémité de sa trajectoire le long de l'image spectrale 31, dans les longueurs d'ondes les plus courtes, seules les longueurs d'ondes SA, sont occultées. Comme l'intensité A du rayonnement est faible dans cette partie du spectre, la barre a un faible effet sur l'intensité totale du rayonnement qu'elle laisse passer vers la photodiode 50, c'est-a-dire que, comme le montre la figure 4, l'amplitude S du signal de sortie de la photodiode 50 en fonction du temps t est relativement grande à ce moment là. Quand le mouvement vibratoire de la barre 41 l'amène à occulter des longueurs d'ondes % légèrement plus grandes, la barre se trouve dans une bande de rayonnement intense et a donc plus d'effet sur l'intensité globale du rayonnement passant, ce qui réduit l'amplitude du signal S et se traduit par un creux dans la courbe de la figure 4. En résumé, le signal de sortie de la photodiode 50 a Une amplitude inverse de celle de la longueur d'onde occultée par la barre 41 dans le rayonnement de la chambre 2. Quand la barre 41 revient dans le sens opposé, le signal de sortie de la photodiode 50 varie dans le sens opposé. Sur ce signal, l'unité de traitement 51 effectue un traitement approrié dans lequel elle peut mémoriser et calculer des moyennes sur plusieurs périodes de vibration de la barre, à l'aide du signal que lui délivre la source d'excitation 44. L'unité 51 peut bloquer le signal de sortie de la photodiode 50 lors d'un balayage sur deux, de façon à utiliser uniquement les balayages de même sens. Dans le pyromètre décrit ici, le traitement comprend par exemple une inversion et un calibrage du signal de sortie de la photodiode de manière que le signal traité soit directement représentatif de l'intensité du rayonnement émis par la chambre 2. Ce signal est ensuite étalonné à deux instants différents ta ettb durant chaque période d'oscillation, de sorte qu'on obtient une indication de l'intensité du rayonnement à deux longueurs d'ondes différentes àa et Ab. Par comparaison de ces intensités, on peut fournir une indication de la température de la chambre par des méthodes qui sont de pratique courante en pyrométrie. Cette indication est affichée par le dispositif 7. La présente invention permet d'indiquer la forme d'un spectre en - 6utilisant un seul détecteur. Ceci évite le problème précité des appareils antérieurs utilisant plusieurs détecteurs, o la réponse d'un détecteur peut changer par rapport à un autre au cours du temps. Il faut remarquer que l'invention n'est pas limitée à des applications de pyrométrie, mais peut être utilisée dans d'autres applications o il s'agit de mesurer et d'indiquer une caractéristique de longueur d'onde d'une source à large bande, notamment la forme du spectre. Par rapport à l'appareil décrit ci-dessus, une modification peut consister en ce que l'élément vibrant empêche la transmission au détecteur de tout le spectre sauf une petite bande des longueurs d'ondes. Par exemple, comme on l'a représenté à la figure 2A, l'élément vibrant pourrait être un masque 60 pourvu d'une fente 61 et affecté d'un mouvement vibratoire le long de l'image spectrale 31 du rayonnement, de façon à bloquer la transmission des différentes longueurs d'ondes au détecteur 50, à l'exception d'une petite partie d'entre elles. Dans une autre forme de réalisation, l'élément vibrant pourrait être réfléchissant de façon à refléter vers le détecteur une petite bande variable des longueurs d'ondes. Les moyens utilisés pour disperser le rayonnement en différentes longueurs d'ondes ne sont pas nécessairement un réseau de diffraction par transmission, mais pourraient comporter par exemple un réseau de diffraction par réflexion ou un prisme. Au lieu d'être excité optiquement comme on l'a décrit ci-dessus, l'élément vibrant pourrait être commandé par exemple par un moyen électrostatique ou piézoélectrique. L'élément vibrant peut aussi être formé par un dispositif électromagnétique ou autre, c'est-à-dire qutil ne s'agit pas forcément d'une microstructure en silicium, bien que celle-ci ait l'avantage de permettre une construction extrêmement compacte. - 7 - Revendications 1. Appareil optique pour fournir un signal représentatif d'une caractéris- tique de longueursd'ondesd'une source de rayonnement optique à large bande, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (3) pour disperser ledit rayonnement en ses composantes de longueurs d'ondes le long d'une zone linéaire (31) de façon que des points distincts le long de cette zone reçoivent respectivement différentes longueurs d'ondes du- rayonnement,, un élément vibrant (41) situé dans ladite. zone (31) et agencé pour bloquer sélectivement différentes longueurs d'ondes du rayonnement par son mouvement le long de cette zone (31), et un détecteur (50) agencé pour recevoir le rayonnement que l'élément vibrant laisse passer et un signal représentatif de la position de l'élément vibrant Je long de la zone (31) et pour en tirer un signal de sortie représentatif d'une caractéristique de longueur d'onde de la source (2). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément vibrant (41) est formé par une microstructure en silicium (4). 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'élément vibrant comporte une barre (41) supportée à l'une de ses extrémités et en ce que la barre (41) vibre angulairement autour de ladite extrémité. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une source optique (44) agencée pour entraîner optiquement en vibration l'élément vibrant (41). 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément vibrant (41) est opaque au rayonnement optique et en ce qu'il bloque la transmission d'une petite partie des différentes longueurs d'ondes en direction du détecteur (50). 6. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément vibrant (41) est opaque au rayonnement optique et en ce qu'il bloque la transmission de toutes les différentes longueurs d'ondes en direction du Z650888 - 8 - -8- détecteur (50), à l'exception d'une petite partie de celles-ci. 7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur (50) comporte une seule photodiode recevant le rayonnement de toutes les longueurs d'ondes que l'élément vibrant (41) laisse passer. 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif pour disperser le rayonnement est un réseau de diffraction (3). 9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement optique à large bande est une région optiquement émettrice (2) et en ce que le dispositif comporte une unité de traitement (51) agencée pour recevoir le signal de sortie du détecteur (50) et pour délivrer un signal de sortie représentatif de la température de ladite région optiquement émettrice (2).