Brevet FR2661513A3 — publié le 19911031

FR 2661513 A3 19911031 FR 9104985 A 19910423 L'invention concerne un aiguillage optique, de préférence pour un capteur à fibres optiques, qui dirige le rayonnement émis par une source de rayonnement dans une fibre menant à la tête du capteur et dirige le rayonnement revenant par cette fibre sur un récepteur photoélectrique, aiguillage qui comprend un filtre dont la transmission et la réflexion sont fonction de la longueur d'onde, ainsi que des composants optiques pour la collimation ou la focalisation, constituant ensemble avec le filtre une unité compacte sous la forme d'un aiguillage à angle aigu. Dans les capteurs à fibres optiques, il est souvent avantageux de faire passer le rayonnement allant vers la tête de capteur et le rayonnement revenant de cette tête à travers une seule et même fibre Ceci correspond au procédé duplex connu par les télécommuni- cations (transmission bidirectionnelle), selon lequel des informations sont transmises dans les deux sens par une même fibre. Le document DE-OS 3 431 997 par exemple indique une structure qui convient, dans le cas des capteurs à fibres optiques, pour injecter le rayonnement d'une source de rayonnement dans une fibre et pour guider le rayonnement de retour sur un récepteur Le document DE-OS 3 431 996 décrit un dispositif adéquat, comprenant un récepteur de référence, pour le contrôle et la régulation du rayonnement délivré par une diode électroluminescente De tels dispositifs utilisent une structure optique conventionnelle avec des lentilles normales et des couches dichroiques sur des lames à faces planes et parallèles en vue de la déviation des faisceaux en fonction de la longueur d'onde Ils ont l'inconvénient que le maintien nécessaire de leurs différents éléments oblige à prévoir une construction coûteuse De plus, leur ajustement est compliqué et ils se prêtent mal à une miniaturisation Il en est ainsi surtout dans le cas de dispositifs plus complexes, par exemple lorsque le faisceau de retour et, par inter- valles, un faisceau de référence doivent être dirigés sur le même récepteur. Par le brevet DE 3 232 445, on connaît un aiguillage optique pour la transmission bidirectionnelle de messages à travers une fibre selon le procédé dit de multiplexage en longueur d'onde Il est composé de plusieurs lentilles-barreaux à gradient d'indice ac- colées (lentilles GRIN) et de filtres, à une extrémité desquels est placé le récepteur Au côté frontal opposé de l'autre extrémité, sont raccordées une fibre pour la transmission de messages et une fibre allant vers un émetteur à semi-conducteur Pour le rayonnement de l'émetteur à semiconducteur, les filtres agissent comme des filtres à réflexion, de sorte que le rayonnement parvient dans la fibre pour la transmission de messages. Le rayonnement incident de la transmission de messages a cependant une longueur d'onde pour laquelle les filtres sont transparents, de sorte qu'il parvient au récepteur. Cette solution, proposée pour la transmission de messages, a notamment l'inconvénient que les fibres ne sont pas disposées coaxialement sur le côté frontal de la première lentille de l'ensemble GRIN Cela im- plique non seulement une fabrication plus coûteuse, mais aussi un compromis entre une diaphonie relativement grande entre les fibres (à mesure que l'espacement des fibres diminue) et des caractéristiques de reproduction dégradées des lentilles GRIN (à mesure que l'espacement des fibres augmente) donc des pertes plus importantes. Par conséquent, cette solution connue ne convient pas pour des capteurs à fibres optiques, dans lesquels le rayonnement de retour est beaucoup plus faible que le rayonnement allant vers la tête du capteur. Par une publication de W J Tomlinson (Applied Optics 19, 1127 ( 1980 "), on connaît un multiplexeur qui reçoit des rayonnements amenés par une rangée de fibres et ayant des longueurs d'onde différentes et les diri- geant dans une fibre commune Les fibres sont couplées par des lentilles GRIN et des coins à une lame plane dont les deux faces sont pourvues de filtres adéquats. Les axes optiques des faisceaux forment des angles aigus de même grandeur avec la normale aux faces de la lame et, à chaque réflexion sur un filtre, le rayonnement est combiné avec le rayonnement que ce filtre a laissé pénétrer dans la lame plane. Lorsqu'on réduit cette disposition à deux longueurs d'onde, on obtient un aiguillage à angle aigu avec un filtre qui laisse passer une longueur d'onde et réfléchit l'autre longueur d'onde Un tel aiguillage optique conviendrait à un capteur à fibres optiques, mais il a l'inconvénient de ne pas convenir pour des capteurs nécessitant un trajet pour un faisceau de référence, par lequel le rayonnement de la source peut, par intermittence, être dirigé directement sur le récepteur. La présente invention a donc pour but de créer un aiguillage optique, possédant un trajet pour un faisceau de référence, qui soit aussi compact que possible et avec lequel on puisse obtenir la faible influence (diaphonie} nécessaire dans le cas des capteurs à fibres du rayonnement allant de la source à la tête du capteur (canal d'émission) sur le signal représenté par le rayonnement allant de la tête du capteur au récepteur (canal de réception). Conformément à l'invention, on obtient ce résultat, partant d'un aiguillage optique comme défini au début, par le fait que le composant pour la collima- tion du rayonnement émis par la source de rayonnement est suivi d'un premier cube séparateur qui dévie une partie du rayonnement émis par la source en tant que faisceau de référence, que le faisceau de référence est guidé par des prismes déflecteurs et des pièces d'écar- tement vers un second cube séparateur, par lequel le faisceau de référence est superposé géométriquement au faisceau de mesure revenant par la fibre, et que le second cube séparateur est précédé d'un intervalle d'air pour un diaphragme mobile qui coupe alternativement le faisceau de mesure ou le faisceau de référence. Selon un mode de réalisation avantageux, la source de rayonnement est incorporée dans la structure compacte et reliée au premier composant optique par un segment de fibre relativement court, qui est au moins suffisamment long pour que l'ouverture numérique du rayonnement issu de son extrémité soit limitée En choisissant une longueur suffisante pour ce segment de fibre, on obtient de manière simple qu'il agit comme un diaphragme de champ (par sa section droite) et en même temps comme un diaphragme d'ouverture (par les indices de réfraction du coeur et de la gaine) Ce segment de fibre limite donc à la fois l'ouverture numérique et l'étendue latérale de l'aire rayonnante à son extrémité et a ainsi pour effet, dans les composants optiques qui lui font suite, qu'une faible fraction seulement des rayons a une allure indésirée et perturbatrice et provoque en tant que lumière parasite une diaphonie en influençant ainsi la mesure. Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, le segment de fibre est disposé dans un corps creux ayant des faces extrêmes planes et paral- lèles et qui relie la source de rayonnement au premier composant de l'aiguillage optique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la descrip- tion qui va suivre d'exemples de réalisation non limi- tatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 représente un aiguillage optique avec lequel la source de rayonnement est séparée de l'unité compacte; et la figure 2 représente un aiguillage optique o la source de rayonnement fait partie de l'unité compacte. Les aiguillages des deux exemples de réalisa- tion représentés sur les figures, servent à injecter le rayonnement émis par la source 10 dans le debut de la fibre 15 f menant à la tête d'un capteur et à diriger le rayonnement de mesure, revenant avec une autre longueur d'onde par la même fibre, sur le récepteur 19 De plus, par intermittence, une partie seulement du rayonnement émis par la source doit être envoyée directement sur le récepteur 19. Selon la figure 1, la source de rayonnement , une diode électroluminescente par exemple, est reliée par une fibre 11 à un aiguillage optique réalisé sous la forme d'une unité compacte 15 Les extrémités de la fibre 11 sont collées dans des viroles 11 r dont les faces extrêmes lle sont meulées et polies optiquement planes, ensemble avec les faces extrêmes de la fibre 11. Celle-ci est accolée par une virole Ilr à un composant optique 12 pour la collimation, une lentille GRIN par exemple, qui parallélise le rayonnement sortant de l'extrémité de la fibre. Un séparateur de faisceau 13 dévie du faisceau parallélisé une fraction préfixée par sa couche séparatrice 13 t qui forme un faisceau de référence 13 r dirigé par des prismes déflecteurs 16 u, 16 p et des pièces d'écartement 16 s, 16 d vers un second cube sépa- rateur 13. Le faisceau que le premier séparateur de faisceau 13 a laissé passer, traverse des pièces en verre 14 z et 14 Sur l'une de ces pièces est appliqué, sur la face limitrophe à l'autre pièce en verre, un filtre 14 f adéquat, constitué de couches dichroïques par exemple, qui présente une bonne transparence pour le rayonnement de la source 10 Le rayonnement que le filtre a laissé passer, est focalisé par la lentille GRIN 12 sur le début de la fibre 15 f allant à la tête du capteur Le début de la fibre 15 f est également collé dans une virole 15 r et peut, ensemble avec cette der- nière, être accolée ou collée au composant optique 12 pour la focalisation. Le rayonnement revenant par la fibre 15 f, est parallélisé par la lentille GRIN 12 et tombe sur le filtre 14 f, ayant un pouvoir réfléchissant aussi grand que possible pour la longueur d'onde du rayonnement de retour La partie réfléchie est envoyée en tant que faisceau de mesure 15 m à travers le filtre en verre coloré 17 dont le but est d'empêcher que la lumière diffuse de la longueur d'onde du rayonnement émis par la source atteigne le récepteur 19 Le faisceau de mesure m et le faisceau de référence 13 r sont combinés géométriquement dans le second séparateur de faisceau 13 La lentille GRIN 12 suivante focalise les deux faisceaux sur le récepteur 19. Avant le second séparateur de faisceau 13, les faisceaux traversant ailleurs uniquement des pièces en verre passent par un intervalle d'air 18 dans lequel un diaphragme mobile 18 b coupe sélectivement le faisceau de mesure 15 m ou le faisceau de référence 13 r Ce diaphragme peut être réalisé, par exemple, sous la forme d'un diaphragme pivotant commandé par un moteur et sa position instantanée peut être contrôlée par des bar- rières photoélectriques. Malgré la présence de l'intervalle d'air 18, toutes les pièces situées à l'intérieur de la ligne de délimitation référencée par 15, peuvent être rassemblées en une unité compacte, du fait qu'elles sont fixées sur une plaque de montage commune ou sont reliées par une pièce en verre, audessous ou au-dessus du plan du dessin L'angle aigu 14 W formé par l'aiguillage optique est notamment inférieur à 500. La figure 2 montre un autre mode de réalisa- tion pour le raccordement de la source de rayonnement 10 et du récepteur 19 à l'aiguillage optique La source 10 fait partie de l'unité compacte, désignée ici par 25. Elle est reliée au composant optique pour la collimation 22 par un segment de fibre 21 Celui-ci doit avoir au moins une longueur telle qu'il limite l'ouverture numérique du rayonnement issu de son extrémité 21 e A cet effet, pour une longueur d'onde dans le domaine spectral visible, il doit avoir une longueur d'au moins un ou plusieurs millimètres. Le segment de fibre 21 est disposé dans un corps creux 21 h qui relie la diode électroluminescente au composant optique 22 pour la collimation Pour une fibre ayant un diamètre de 220 gm par exemple, il est trop coûteux de percer un trou de la longueur indiquée 2 o ci-dessus dans une pièce de maintien destinée à recevoir la fibre Pour cette raison, la pièce de maintien est réalisée sous la forme d'un corps creux composé de deux parties et dans lequel seules les extrémités de la fibre sont collées, de même qu'usinées et polies optiquement ensemble avec les faces extrêmes de ce corps creux. En tant que composants optiques pour la collimation et la focalisation, on peut utiliser non seulement des lentilles GRIN Une autre possibilité avantageuse est représentée par les lentilles ou des sphères incorporées dans des tubes dont les faces extrêmes sont usinées planes et parallèles Cette possibilité est illustrée sur la figure 2 et désignée par 22. La figure 2 montre également qu'il n'est pas obligatoire que le récepteur 19 soit relié rigidement à l'aiguillage optique, mais qu'il est possible aussi de le raccorder par une fibre 29 Il convient que les extrémités de cette fibre soient collées aussi dans des viroles 29 r. Bien entendu, la source de rayonnement 10 et le récepteur 19 peuvent également être inclus avec l'aiguillage optique dans une unité compacte et il est possible aussi de les raccorder tous deux à l'aiguillage optique par des fibres. REVENDICATIONS 1 Aiguillage optique, de préférence pour un capteur à fibres optiques, qui dirige le rayonnement émis par une source de rayonnement ( 10) dans une fibre ( 15 f) menant à la tête du capteur et dirige le rayonne- ment revenant par cette fibre ( 15 f) sur un récepteur photoélectrique ( 19), aiguillage qui comprend un filtre ( 14 f) dont la transmission et la réflexion sont fonction de la longueur d'onde, ainsi que des composants optiques ( 12, 22) pour la collimation ou la focalisation, consti- tuant ensemble avec le filtre ( 14 f) une unité compacte sous la forme d'un aiguillage à angle aigu, caractérisé en ce que le composant ( 12, 22) pour la collimation du rayonnement émis par la source de rayonnement ( 10) est suivi d'un premier cube séparateur ( 13) qui dévie une partie du rayonnement émis par la source ( 10) en tant que faisceau de référence ( 13 r), que le faisceau de référence ( 13 r) est guidé par des prismes déflecteurs ( 16 u, 16 p) et des pièces d'écartement ( 16 s, 16 d) vers un second cube séparateur ( 13 X, par lequel le faisceau de référence ( 13 r) est superposé géométriquement au fais- ceau de mesure ( 15 m) revenant par la fibre, et que le second cube séparateur ( 13) est précédé d'un intervalle d'air ( 18) pour un diaphragme mobile ( 18 b) qui coupe alternativement le faisceau de mesure ( 15 m) ou le faisceau de référence ( 13 r). 2 Aiguillage optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend, entre la source de rayonnement ( 10) et le premier composant ( 12, 22) pour la collimation, un segment de fibre ( 21) ayant au moins une longueur telle que l'ouverture numérique du rayon- nement issu de son extrémité ( 21 e) soit limitée. 3 Aiguillage optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le segment de fibre ( 21) est disposé dans un corps creux ( 21 h), ayant des faces extrêmes planes et parallèles, qui relie la source de rayonnement ( 10) au composant optique ( 12, 21) pour la collimation. 4 Aiguillage optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de rayonnement ( 10) est reliée au composant optique ( 12, 22) pour la collimation par une fibre ( 11) dont les extrémités sont collées dans des viroles (lîr). Aiguillage optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'angle aigu ( 14 w) de l'aiguillage est inférieur à 50 . 6 Aiguillage optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le filtre ( 14 f) fonction de la longueur d'onde est formé de couches dichroïques. 7 Aiguillage optique selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un filtre en verre coloré ( 17) est prévu en plus du filtre ( 14 f) fonction de la longueur d'onde dans le trajet du faisceau de mesure ( 15 m). 8 Aiguillage optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le récepteur photoélectrique ( 19) est raccordé directement ou par une fibre ( 29) au composant optique ( 12, 22) pour la foca- lisation. 9 Aiguillage optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les compo- sants optiques ( 12, 22) pour la collimation ou la focalisation sont des lentilles-barreaux à gradient d'indice accolées (lentilles GRIN). Aiguillage optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les compo- sants optiques ( 12, 22) pour la collimation ou la focalisation sont des lentilles ou des sphères incor- porées dans des éléments de maintien ayant des faces extrêmes planes et parallèles.