Brevet FR2771504A1 — publié le 19990528

La présente invention concerne un capteur à fibre optique, multi-longueurs d'onde, compact, pour la spectroscopie à effets complexes et notamment la spectroscopie Raman. Plusieurs types de capteurs sont actuellement ualisés pour transmettre et retourner la lurmère entre un spectroscope et un échantIllon à analyser, qu'il solt solide, liquide ou gazeux, en vue d'effectuer une analyse qualitative et/ou quantitative de la lumière de retour. Ces capteurs sont constitués d'un assemblage d'éléments optiques (lentilles, miroirs, filtres) souvent très fragiles, coûteux et difficiles à régler. Cet assemblage rend les capteurs lourds et de manipulation délicate car très sensibles à tous chocs ou variations exténeures telles que variations de température, de presslon, d'humidité, lesdits chocs ou variations pouvant endommager gravement le capteur ou entraîner des erreurs de mesure par dérèglement de l'assemblage ou par baisse de la sensibilité. Pour pallier aux dérèglements éventuels des capteurs, la fixation des éléments optiques constitutifs est assurée par des systèmes mécaniques tels vls ou ressorts réglables de l'extérieur. Ces réglages qui demandent à entre d'une extrême préclslon, sont difficiles à réaliser et les capteurs sont donc souvent utilisés avec un réglage mcorrect qui en diminue les performances. Les capteurs sont généralement de forme parallélépipédique et d'un volume assez encombrant, la taille commune étant de l'ordre de 20 x 7 x 4 cm, ce qui rend leur utilisation impossible dans le cas d'un espace réduit. Par ailleurs, leur poids est de l'ordre de 1 hologramme. Les capteurs ne sont effectifs que pour une longueur d'onde donnée, par conséquent des capteurs différents sont donc nécessaires pour pouvoir analyser plusieurs échantillons si l'analyse requiert des longueurs d'onde différentes selon les échantillons. Le but de la présente invention est donc de remédier à cet état des choses en proposant un capteur à fibre optique, multi-longueurs d'onde, compact, de forme ergonomique, de dimensions et de poids réduits au maximum, le capteur se présentant à titre d'exemple sous la forme d'un cylindre de 3 cm de diamètre et de 9 cm de longueur, son poids étant de l'ordre de 100 gr. environ. Un autre but de la présente invention est de proposer un capteur uniaxe, solide, étanche, mdéréglable, msenslble aux conditions exténeures de température, d'humidité, de pression, de dimensions réduites, ces caractéristiques permettant au capteur d'accéder à des sites de petites tailles ou à des zones à risques et dangereuses pour les personnes, le capteur pouvant être dans ces cas piloté à distance par des moyens informatiques ou robotiques. Un autre but de la présente invention est de proposer un capteur susceptible de travailler avec plusieurs longueurs d'onde, la sélection de la longueur d'onde voulue s'effectuant par slmple rotation de la partie centrale du capteur amenant le système sur des positions préréglées lors de la construction. Le capteur selon l'invention permet d'effectuer avec le même capteur des analyses requérant des longueurs d'onde différentes sans aucun réglage compliqué à effectuer sur le capteur. A cet effet, l'invention a pour objet un capteur à fibre optique, multi-longueurs d'onde, compact, pour la spectroscopie, composé de trois parties qui sont un coupleur, un bloc de filtres et un séparateur de lumière, ces trois parties se présentant exténeurement sous une forme cylindrique, la position de la partie centrale bloc de filtres étant réglable par rotation. La partie coupleur comprend deux fibres optiques terrmnées par une lentille chacune vers la partie centrale du capteur et se prolongeant à l'extérieur du capteur sur une longueur voulue, suffisante pour permettre leur connection au laser pour l'une et au spectroscope pour l'autre. Dans leur partie exténeure au capteur, ces deux fibres optiques sont protégées par une même gaine souple et solide et terminées chacunes par un connecteur de fibre optique. La partie centrale bloc de filtres comprend au moins deux paires de filtres, la poslhon des filtres étant déterminée pour que chaque paire de filtres pulsse être alignée avec les deux lentilles de la partie coupleur par un slmple mouvement de rotation à effectuer sur la partie centrale du capteur. La partie séparateur de lumière comprend un bloc de pnsmes permettant de dévier la lumière provenant de la source d'excitation vers l'échantillon à analyser d'une part et la lumière de retour renvoyée par ledit échantillon d'autre part, cette lumière de retour étant amenée jusqu'au spectroscope par le cheminement optique à l'intérieur du capteur et de la fibre optique. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront mieux dans la description détaillée qui sult et se réfère aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe de l'ensemble du capteur selon l'invention, La figure 2 est une vue en perspective des éléments optiques constitutifs du capteur selon l'invention. L'invention a pour objet un capteur à fibre optique, multi-longueurs d'onde, compact, pour la spectroscopie, se présentant exténeurement sous la forme d'un cylindre de petite taille, ngide, solide et étanche dont une des extrémités se prolonge par une gaine (7 ) renfermant une fibre optique aller (5 ) et une fibre optique retour 6 6 ). Ces deux fibres optiques ( S ) et ( 6 ) ont une longueur aussi grande que nécessaire pour permettre au capteur d'atteindre des endroits d'accès difficile ou dangereux. La partie extérieure au capteur de la fibre optique aller (5) se terrmne par un connecteur de fibre optique ( 4 ) pour permettre la connection entre le capteur et la source d'excitation lurmneuse, un laser par exemple. La partie exténeure au capteur de la fibre optique retour ( 6) se termine par un connecteur de fibre optique ( 4A) pour permettre la convection entre le capteur et un instrument d'analyse spectroscoplque. Les trois parties cylindriques connecteur de couplage ( 1 ), bloc de filtres ( 2 ) et séparateur de lumière ( 3 ) sont assemblées de telle manière que puisse être effectué un mouvement de rotation sur la partie centrale bloc de filtres (2 ), ce mouvement de rotation permettant d'amener cette partie centrale ( 2 ) sur des positions préréglées pour rétablir l'alignement optique avec les deux autres parties (1) et (2). Les fibres optiques (5) et (6) se prolongent à l'intérieur de la partie coupleur (1). La fibre optique aller ( 5 ) se termine par une lentille ( 8 ) et la fibre optique retour ( 6 ) se termine par une lentille ( 9 ). Selon un mode préféré de réalisation, le couplage entre fibre optique et lentille doit être réalisé lors de la fabncation de la fibre optique pendant l'étirage, tel que réalisé sur les fibres optiques vendues notamment sous les marques Selfoc ou Polymicro (marques déposées). La partie centrale bloc de filtres ( 2 ) est perforée d'un nombre pair de cavités permettant l'insertion d'un filtre dans chaque cavité. Les filtres fonctionnent par paires, chaque paire comprenant d'une part, un filtre à bande étrolte, de type NBF par exemple, qui s'alignera sur la lentille ( 8 ) transmettant la lumière excitatrice aller, et d'autre part, un filtre de type Notch qui s'alignera sur la lentille (9) transmettant la lumière de retour. La partie centrale bloc de filtres (2) contient au moins deux paires de filtres, chaque paire de filtres pouvant s'aligner sur les lentilles (8) et (9 ) par un slmple mouvement de rotation de cette partie centrale (2). Les positions opumales entre lentilles et filtres sont prédéfimes par un système tel que des crans par exemple, ce qui permet un réglage facile, raplde et juste lors de la sélection des filtres correspondant à la longueur d'onde voulue pour l'analyse de l'échantillon (17 ). La figure 2 montre à titre d'exemple deux paires de filtres (10 et 12 ) et (11 et 13 ). Chaque paire de filtres correspond à une longueur d'onde donnée, ce qui permet au capteur d'être multi-longueurs d'onde, le nombre de longueurs d'onde utilisables pour l'analyse dépendant du nombre de paires de filtres présentes dans le capteur. La partie terminale séparateur de lumière (3) comprend un bloc de pnsmes séparateurs permettant la déviation de la lumière provenant de la source d'excitation vers l'échantillon à analyser d'une part, la dévlation de la lumière retour à renvoyer vers le spectroscope d'autre part. Sur la figure 2 est représenté à titre d'exemple un bloc de pnsmes composé de trois pnsmes (14), (15 ) et (16 ). Le pnsme (14) est un pnsme de réflexion totale qui dévie la lumière excitatrice vers le prisme (15). Le pnsme (15) est un pnsme cubique séparateur de faisceau qui envoie la lumière excitatrice vers l'échantillon à analyser et laisse traverser la lumière de retour qui arnve sur le pnsrne (16 ). Le pnsme (16 ) est un prisme redresseur 100 % qui redresse la lumière de retour dans l'axe de la lentille ( 9 ) et renvoie cette lumière de retour vers le spectroscope pour en permettre l'analyse. La ligue de pointillés (18) représentée sur la figure 1 montre le cheminement optique du faisceau aller et retour à travers le capteur selon l'invention. Un filetage standard RMS est effectué à l'extrémité de la partie terminale ( 3 ) pour permettre un couplage capteur/objectif de microscope ou capteur/objectif de caméra par exemple. Selon un mode préféré de réalisation, les cylindres constitutifs du capteur selon l'invention sont des cylindres plems, les différents éléments optiques du capteur étant mcrustés dans ces cylindres à l'intérieur de perforations pratiquées dans l'axe de ces cylindres. Ce mode de réalisation permet une fixation des éléments optiques sans jeu, rendant le capteur msensible aux vibrations et mdéréglable. Le capteur selon l'invention est un capteur à fibre optique, multi-longueurs d'onde, compact, pour la spectroscopie à effets complexes, par exemple diffusion Rayleigh, diffuslon Mie, absorption, fluorescence, réfraction ou encore diffusion Raman. Une lumière monochromatique aller, provenant d'une source d'excitation lumineuse, un laser par exemple, est acheminée par une fibre optique jusqu'au capteur. Dans le capteur, cette lumière monochromatique traverse une lentille qui rend le faisceau parallèle et l'envoie au travers d'un filtre à bande étroite afin d'élnniner la fluorescence accumulée dans la fibre optique ( raies Stockes ). La lumière arrive ensuite sur le bloc de pnsmes qui la dévie hors du capteur su l'échantillon à analyser. La réponse de l'échantillon à l'excitation lumineuse est une lumière de retour qui pénètre dans le capteur au travers du bloc de pnsmes qui redresse cette lumière de retour dans l'axe du filtre de type Notch. Le filtre de type Notch permet l'éliiination des raies antiStockes. Après avoir traversé ce filtre, la lumière de retour arrive sur la lentille qui l'injecte dans la deuxième fibre optique vers le spectroscope où elle sera analysée. Une simple mouvement de rotation sur la partie centrale du capteur permet la sélection de la paire de filtres correspondant à la longueur d'onde voulue pour l'excitation de l'échantillon à analyser. REVENDICATIONS Capteur à fibre optique, multi-longueurs d'onde, compact, pour la spectroscopie à effets complexes et notamment la spectroscopie Raman, caractérisé en ce qu'll est composé de trois parties qui sont un coupleur ( 1 ) comprenant une fibres optique aller ( 5 ) et une fibre optique retour ( 6 ) ternunées respectivement par une lentille (8 ) et ( 9 ) vers la partie centrale du capteur et se prolongeant à l'extérieur du capteur sur une longueur voulue pourvues respectivement à leur extrémité d'un connecteur de fibre optique (4) et (4A) pour leur couplage avec la source d'excitation lumineuse pour la fibre aller ( 5 ) et le spectrosope pour la fibre retour (6 ), un bloc de filtres (2 ) comprenant au moms deux paires de filtres, chaque paire étant constituée d'un filtre transmettant la lumière excitatrice aller, et d'un filtre transmettant la lumière de retour et un séparateur de lumière (3 ) comprenant un bloc de pnsmes séparateurs qui dévie la lumière excitatrice vers l'échantillon à analyser d'une part, et la lumière retour à renvoyer vers le spectroscope d'autre part, ces trois parties se présentant exténeurement sous une forme cylindrique. 02 Capteur selon la revendication 1 caracténsé en ce que chaque paire de filtres de la partie centrale bloc de filtres (2 ) peut s'aligner sur les lentilles (8) et (9 ) par un simple mouvement de rotation de cette partie centrale (2 ), les positions optimales entre lentilles et filtres étant prédéfinies par un système tel que des crans. "3- Capteur selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que les trois parties cylindriques constitutives du capteur selon l'invention sont des cylindres plems, les différents éléments optiques du capteur étant mcrustés dans ces cylindres à l'intérieur de perforations pratiquées dans l'axe des cylindres.