**ATTENTION** debut du champ DESC peut contenir fin de CLMS **.
REVENDICATIONS
1. Procédé optique pour détecter et/ou mesurer des grandeurs et/ou des variations de grandeurs physiques, selon lequel on transmet une lumiére cohérente au moyen d'un conducteur de lumière sur un transducteur de la grandeur physique à mesurer et/ou à détecter, on capte, au moyen d'un capteur (10, 72, 83, 83', 85, 88, 89, 100, 101, 107), au moins une partie de la lumiére réfléchie ou transmise par le transducteur (73, 83, 83', 85, 90) et influencée par cette grandeur physique ou par la variation de cette grandeur physique, et on transmet cette lumière réfléchie ou transmise à un détecteur (71, 84, 84', 87, 95, 99, 105, 108), caractérisé en ce que l'on transmet la lumière émise par une source vers le transducteur, et la lumière transmise par le capteur vers le détecteur au moyen du même conducteur de lumière,
la lumière transmise par le capteur ayant sensiblement la même longueur d'onde que la lumière émise par la source.
2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant une source émettrice (70, 82, 87, 94, 98, 104, 108) de lumière cohérente, au moins un détecteur (71, 84, 84', 87, 95, 99, 105, 108) et au moins un capteur optique (10, 72, 83, 83', 85, 88, 89, 100, 101, 107), caractérisé en ce que la source émettrice et le capteur sont reliés par un seul conducteur de lumière (13, 81, 81', 86, 91, 92, 102), transmettant simultanément la lumière émise par la source et la lumière transmise par le capteur vers le détecteur.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le conducteur de lumière (13, 81, 81', 86, 91, 92, 102) est une fibre optique.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le capteur optique est constitué par un élément-support (11, 51, 56, 61), dont l'extrémité postérieure définit la face de raccordement et dont l'extrémité antérieure définit la face de captage (20), caractérisé en ce que le boîtier comporte un alésage axial, agencé pour loger la fibre optique unique (13, 53) du côté de la face de raccordement, et une lentille (19, 40, 43, 45, 55, 59, 62) montée du côté de la face de captage.
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lentille est constituée par une lentille sphérique (19, 40, 43, 45, 55, 59, 62) montée dans le boîtier à proximité de la face de captage et disposée à l'avant de l'extrémité antérieure de la fibre optique.
6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'axe de la fibre optique et l'axe de la lentille sont décalés latéralement l'un par rapport à l'autre.
7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la lentille sphérique est constituée par une bille (19) montée à l'inté^ rieur du boîtier, de telle manière que la face de captage (20) soit tangentielle à la surface antérieure de cette bille.
8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la lentille sphérique a la forme d'une partie de sphère (40) délimitée par une surface plane (41), et est montée à l'intérieur du boîtier de telle manière que cette surface plane soit disposée dans le plan de la face de captage (20).
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la lentille sphérique est une partie de sphère (43) fixée par sa surface plane au centre d'une lame circulaire (42) à faces planes parallèles, la face plane extérieure opposée à la lentille sphérique définissant la face de captage du capteur (20).
10. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lentille est placée à l'extrémité antérieure de la fibre optique.
11. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le capteur optique est constitué par un boîtier dont l'extrémité postérieure définit la face de raccordement et dont l'extrémité antérieure définit la face de captage, caractérisé en ce que le boîtier comporte un alésage axial, agencé pour loger la fibre optique unique du côté de la face de raccordement, et un réseau holographique monté du côté de la face de captage.
12. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la lentille est constituée par une pièce tubulaire (55), comportant un alésage central agencé pour recevoir l'extrémité libre de la fibre optique (53).
13. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le boîtier se compose d'un élément-support (11) comportant un alésage central, agencé pour loger un organe tubulaire (12) servant de support à la fibre optique (13), une pièce porte-lentille (17) adaptée à supporter la lentille (19) et agencée pour être montée à l'extrémité antérieure de l'élément-support, un manchon (21) monté sur l'élément-support à son extrémité opposée à la pièce porte-lentille, et une bague de serrage (22), le manchon et la bague de serrage étant agencés pour coopérer de manière à fixer la position axiale de l'organe tubulaire servant de support à la fibre optique par rapport à la lentille.
14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'élément-support de la fibre optique comporte, à proximité de la face de raccordement, une protubérance annulaire (23), et en ce que le manchon, monté sur l'élément-support et la bague de serrage, comportent respectivement un épaulement (25') définissant un évidement agencé pour loger cette protubérance (23).
15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que la protubérance annulaire (23) comporte deux faces planes parallèles annulaires, et en ce qu'une rondelle (26) en un matériau autolubrifiant est interposée entre chacune de ces faces et la face adjacente de l'un des épaulements respectifs du manchon et de la bague de serrage.
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la pièce d'extrémité comporte, à son extrémité adjacente à la face de raccordement du capteur, un alésage agencé pour loger une pièce de renfort (33) métallique tubulaire destinée à être chassée dans la pièce d'extrémité, et dont le diamètre intérieur correspond sensiblement au diamètre extérieur de la gaine de la fibre optique logée dans la pièce d'extrémité.
17. Dispositif selon la revendication 2, comportant au moins un coupleur directionnel (74, 80, 80', 93, 96', 97', 103, 106), caractérisé en ce que le détecteur optique (71, 84, 84', 87, 95, 99, 105, 108) et le coupleur directionnel sont reliés par un seul conducteur de lumière, transmettant simultanément la lumière émise par la source et la lumière transmise par le capteur.
18. Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comporte une source émettrice de lumière (98, 104, 108), un détecteur (99, 105, 108), n capteurs (100, 101, 107) et n coupleurs directionnels (96', 97'; 103, 106), en ce que chaque capteur est relié à un dispositif coupleur au moyen d'un tronçon unique de fibre optique, et en ce que chaque coupleur directionnel est relié au coupleur directionnel suivant par un tronçon unique de fibre optique.
La présente invention concerne un procédé optique pour détecter et/ou mesurer des grandeurs et/ou des variations de grandeurs physiques, selon lequel on transmet une lumière visible ou non au moyen d'un conducteur de lumière sur un transducteur de la grandeur physique à mesurer et/ou à détecter, on capte, au moyen d'un capteur, au moins une partie de la lumière réfléchie ou transmise par le transducteur et influencée par cette grandeur physique ou par la variation de cette grandeur physique, et on transmet cette lumière réfléchie ou transmise à un détecteur.
La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Les techniques de transmission, utilisant la lumière comme support de l'information, ont connu ces récentes années un développement très important en raison des caractéristiques spécifiques des fibres optiques. Leur insensibilité aux champs électriques et électromagnétiques protège les transmissions contre les interférences parasites, et garantit le secret des communications. La faible atténuation des signaux dans les lignes optiques permet d'excellentes transmis
sions à longue distance. La légèreté, la flexibilité et la résistance mécanique des lignes à fibres optiques facilitent l'installation des réseaux. L'augmentation continue du coût du cuivre sur le marché et la diminution rapide des réserves mondiales de ce métal contribuent à accroître l'intérêt pour les fibres optiques fabriquées à partir de silice, c'est-à-dire d'un matériau peu coûteux, dont les réserves sont quasiment inépuisables.
Ces diverses caractéristiques des fibres optiques, ainsi que de nombreux autres avantages bien connus de l'homme de Fart, ont permis d'imaginer des systèmes optiques pour effectuer des mesures de grandeurs physiques et pour détecter et/ou mesurer les variations de ces grandeurs.
Un des principes de la métrologie optique consiste à utiliser une surface réfléchissante influencée par la grandeur physique à mesurer, pour réfléchir, en le modulant en intensité, en phase ou en fréquence, un faisceau lumineux conduit par une fibre optique du type de celles couramment utilisées pour les télécommunications. Le système se compose essentiellement d'une source de lumière à composants solides du type laser ou diode électroluminescente, fonctionnant par exemple dans les longueurs d'ondes de l'infrarouge (k > 850 nm), d'un câble à fibre optique utilisé dans l'industrie des télécommunications, et d'un détecteur. Un coupleur directionnel, par exemple une jonction étoile, peut être interposé entre le capteur d'une part, la source et le détecteur d'autre part.
Le faisceau lumineux transmis par la fibre optique est dirigé, éventuellement focalisé, sur une surface réfléchissante influencée par le paramètre physique à mesurer, la lumière réfléchie étant réinjectée dans la fibre. Une dérivation de la ligne optique, raccordée à la ligne principale par exemple par une jonction Y ou étoile, dérive la lumière réfléchie sur le détecteur. La technologie utilisée est celle des transmissions par fibres optiques. Les câbles sont composés d'une ou de plusieurs fibres à grandient d'indice, monomodes ou multimodes.
Le but de la présente invention consiste essentiellement à proposer un procédé et à réaliser un dispositif, et notamment un capteur simple et universel, permettant de capter la lumière réfléchie par la surface réfléchissante influencée par la grandeur physique à mesurer, et de réinjecter cette lumière dans le coeur de la fibre optique. Ce but est atteint par le procédé susmentionné, caractérisé en ce que l'on transmet la lumière émise par une source vers le transducteur, et la lumière transmise par le capteur vers le détecteur au moyen du même conducteur de lumière, la lumière transmise par le capteur ayant sensiblement la même longueur d'ondes que la lumière émise par la source.
Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que la source émettrice et le capteur sont reliés par un seul conducteur de lumière, transmettant simultanément la lumière émise par la source et la lumière transmise par le capteur vers le détecteur.
La présente invention et ses principaux avantages seront mieux compris en référence à la description d'un exemple de réalisation et du dessin annexé, dans lequel:
la fig. 1 représente une vue en coupe axiale d'une forme de réalisation d'un capteur utilisé pour la mise en oeuvre du procédé de l'in- vention,
les fig. 2A, 2B et 2C représentent des vues en coupe de la lentille sphérique du capteur,
les fig. 3 et 4 représentent deux formes de réalisation de la lentille, combinée avec le support d'extrémité de la fibre optique,
les fig. 5, 6 et 7 représentent d'autres formes de réalisation du capteur de la fig. 1,
la fig. 8 représente un schéma de base illustrant le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et
les fig. 9, 10, 11, 12, 13, 14 et 15 illustrent différentes variantes du schéma de la fig. 8.
En référence à la fig. 1, le capteur 10 décrit comporte essentiellement un boîtier composé d'un élément support 11 pourvu d'un alésage axial cylindrique, dans lequel est disposée une pièce d'extrémité 12 d'une fibre optique dénudée 13 logée dans un câble optique 14. La pièce d'extrémité est de préférence constituée d'un tube de métal à l'extrémité duquel est chassé un organe de centrage 15 de la fibre 14, et qui est au moins partiellement rempli de résine polymérisable 16 qui, après durcissement, assure le positionnement stable de la fibre optique 13. L'alésage central peut être rainuré pour diminuer les forces d'insertion de la pièce 12 et permettre son collage. A l'extrémité antérieure dite extrémité de captage du capteur, on adapte une pièce porte-lentille 17 sur l'élément-support.
Cette pièce portelentille 17 comporte une cavité centrale 18 coaxiale à la fibre optique 13, dans laquelle est montée une lentille sphérique 19. Dans l'exemple illustré par la fig. 1, la lentille sphérique est constituée d'une sphère collée à l'intérieur de la cavité centrale 18, de telle manière qu'elle est tangente à la face de captage 20 du capteur. L'espace entre la surface antérieure de la pièce porte-lentille 17 et la surface antérieure de la sphère 19 est rempli de résine polymérisable, par exemple de résine époxy. La face de captage est polie après durcissement de la résine. La sphère 19 est de préférence en corindon, matériau très dur, résistant à l'environnement, même dans un milieu agressif, et facilement disponible dans le commerce.
A l'extrémité postérieure de l'élément-support sont adaptés un manchon 21 et une bague de serrage 22, qui définissent l'extrémité de raccordement du capteur. Ces deux éléments coopèrent pour assurer le positionnement axial de la pièce d'extrémité de fibre 12. A cet effet, la pièce d'extrémité 12 comporte une protubérance annulaire 23, de section droite carrée ou rectangulaire, dont les côtés définissent deux faces d'appui ou épaulements 24 et 25. Le manchon 21 comporte un premier évidement annulaire central qui définit un épaulement 25'. Les deux épaulements 25 et 25' sont complémentaires et en appui l'un sur l'autre par l'intermédiaire d'une rondelle 26 réalisée en un matériau autolubrifiant.
La bague de serrage 22 comporte également un premier épaulement 24' qui s'appuie sur l'épaulement 24 adjacent de la protubérance annulaire 23, par l'intermédiaire d'une rondelle 27 en un matériau autolubrifiant.
Par ailleurs, le manchon 21 comporte deux autres épaulements 28 et 29, qui ont un profil adapté à celui de deux épaulements complémentaires 30 et 31 de la bague de serrage 22. Les deux pièces 21 et 22 sont assemblées au moyen d'au moins une goupille 32 logée dans un alésage radial ménagé à travers les deux pièces, entre les plans définis respectivement par les épaulements 29, 31 d'une part et 28, 30 d'autre part.
Cet agencement permet de définir de façon stable la position de la pièce d'extrémité 12 et par conséquent l'extrémité de la fibre dénudée 13 par rapport à la lentille sphérique 19.
Le montage du câble optique 14 s'effectue au moyen d'une pièce de renfort 33 métallique tubulaire, qui est ajustée sur un tronçon de câble gainé et chassée dans la pièce d'extrémité 12. Cette pièce de renfort a un diamètre intérieur sensiblement égal au diamètre extérieur de la gaine du câble, et un diamètre extérieur sensiblement égal à celui d'un alésage ménagé à l'extrémité postérieure de la pièce d'extrémité 12. La pièce de renfort est de préférence chassée dans cet alésage de la pièce d'extrémité 12. Une partie au moins du tronçon de fibre optique, logée dans la pièce d'extrémité à l'avant de l'extré- mité antérieure de la pièce de renfort 33, est dénudée et noyée dans de la résine époxy.
L'étanchéité du capteur est obtenue au moyen d'un manchon 34 de forme cylindrique, dont le diamètre extérieur est sensiblement égal à la partie frontale de l'élément-support 1 1 et de la pièce portelentille 17, et au moyen de deux joints toriques 35 et 36 disposés dans des gorges annulaires ménagées respectivement dans la surface périphérique du manchon 21, dans sa zone de recouvrement par le manchon 34, et dans la surface intérieure de l'élément 12, dans la zone d'appui contre la pièce d'extrémité 12.
Cette réalisation est bien entendu décrite à titre d'exemple et pourrait subir de nombreuses modifications de forme. L'élémentsupport pourrait avoir une forme extérieure différente selon l'utilisation spécifique prévue pour le capteur. De même, la lentille sphérique pourrait se présenter sous différentes formes, notamment celles décrites en référence aux fig. 2A, 2B et 2C.
Dans le cas de la fig. 2A, la lentille sphérique est constituée par une partie de sphère 40 délimitée par une surface plane 41. Cette lentille est montée dans la pièce porte-lentille, de telle manière que sa surface plane 41 corresponde à la face de captage du capteur. Cette réalisation pourrait également être obtenue de la façon suivante: on monte une bille de corindon dans l'alésage central de la pièce portelentille 17, de telle manière qu'une partie de sa surface sphérique dépasse le plan défini par la face de captage du capteur; on polit ensuite cette partie de la bille jusqu'à l'obtention d'une surface plane 41 confondue avec la face de captage du capteur.
La lentille de la fig. 2B se compose d'une lame à faces planes parallèles 42 de préférence circulaire, au centre de laquelle on a collé une demi-sphère 43. Ces deux éléments sont réalisés de préférence en corindon pour les mêmes raisons que précédemment. La lame 42 est ajustée de telle manière que sa surface extérieure soit disposée dans/ou constitue la face de captage du capteur. La lentille de la fig. 2C a une forme identique à celle de la fig. 2B, mais dans ce cas la lame 44 et la demi-sphere 45 sont réalisées d'une pièce.
La lentille représentée en coupe à la fig. 3 est constituée d'une pièce allongée 46, réalisée par exemple en corindon, qui comporte deux alésages axiaux 47 et 48 destinés à recevoir respectivement un tronçon de fibre optique non dénudé et un tronçon de fibre optique dénudé. Ces tronçons de fibres sont collés, par exemple à l'aide d'une résine époxy. La pièce 46 présente une extrémité antérieure arrondie 49 qui fait office de lentille sphérique et la partie 50 qui sert de support à la fibre optique. La lentille de la fig. 4 diffère de la précédente en ce qu'elle ne comporte qu'un seul alésage axial 48'.
La fig. 5 représente schématiquement une autre forme de réalisation du capteur décrit en référence à la fig. 1. Cette réalisation simplifiée est suffisante pour certaines applications. Elle consiste en un élément tubulaire 51, dont l'alésage central est adapté pour recevoir un tronçon non dénudé 52 d'une fibre optique et un tronçon dénudé 53 de cette fibre. L'extrémité du tronçon dénudé est engagée dans un évidement approprié 54, ménagé à la base d'une lentille 55 fixée à l'extrémité antérieure de la pièce tubulaire 51. L'ensemble de ces éléments est rendu solidaire par collage au moyen de résine 56.
La fig. 6 représente une autre réalisation comportant également une pièce tubulaire 57 pourvue d'un alésage central, dans lequel est engagé un tronçon de fibre non dénudé 52 et un tronçon de fibre dénudé 53. Le tronçon de fibre dénudé 53 est retenu à l'intérieur de l'alésage cylindrique de la pièce tubulaire 57 au moyen d'un support annulaire 58, qui pourrait par exemple être une pierre d'horlogerie ou toute autre pièce mécanique rigide pouvant remplir la même fonction. L'espace entre le support 58 et la gaine du tronçon de fibre 52 peut être rempli de résine polymérisable 56 comme précédemment. La lentille 59, fixée par collage ou par tout autre moyen mécanique approprié à l'extrémité antérieure de la pièce tubulaire 57, se compose d'une lame à faces parallèles et d'une protubérance sphérique disposée au centre de cette lame, du côté orienté vers l'extrémité de la fibre optique.
Cette protubérance peut être rapportée à la lame ou réalisée d'une pièce avec celle-ci.
La fig. 7 représente une autre variante réalisée au moyen d'un élément-support 60 de forme tubulaire, qui sert de support d'extrémité aux tronçons d'extrémité 52 et 53, respectivement non dénudé et dénudé d'une fibre optique. Cette pièce tubulaire comporte comme précédemment un alésage central, dans lequel sont logés les deux tronçons d'extrémité; le tronçon dénudé 53 est maintenu en position à l'intérieur de l'alésage au moyen d'une résine époxy 56.
Cet ensemble rigide est monté fixe ou coulissant à l'intérieur d'un élément tubulaire 61, à l'extrémité antérieure duquel est montée une lentille 62 de conception similaire à celle de la lentille 59 représentée à la fig. 6. Un diaphragme métallisé 63 ou un filtre spatial, de forme annulaire, peut être appliqué sur la face intérieure de la lentille 62, autour de la protubérance centrale constituant en fait la lentille sphérique destinée à focaliser le faisceau lumineux transmis par la fibre optique.
Bien entendu, d'autres réalisations pourraient être imaginées, consistant notamment à remplacer le support tubulaire 60 par un connecteur optique connu en soi.
La fig. 8 représente un exemple de réalisation d'un montage prévu dans les techniques de métrologie optique utilisant l'un des dispositifs capteurs décrits précédemment. Ce montage comporte une source lumineuse 70 indépendante ou couplée à un détecteur 71.
Un tel ensemble peut par exemple être constitué par les composants commercialisés sous le nom EROS ST 100, ST 101, ST 110, ST 111 et ST 140 par la société Thomson CSF. Ce montage comporte d'autre part un capteur 72 et un transducteur de la grandeur physique à mesurer 73. Le transducteur peut, selon les applications, être intégré au capteur 72. Un coupleur directionnel 74 peut être monté entre le groupe source détecteur et le groupe capteur-transducteur.
Le coupleur directionnel peut être constitué par une jonction étoile commercialisée par la société Canstar Communications, Fiber Optic
Division. Ce coupleur directionnel comporte quatre entrées 75, 76, 77 et 78, dont l'une 77 est utilisée pour effectuer le raccordement du capteur 72, dont deux 75 et 76 sont utilisées pour effectuer le raccordement par fibre optique de la source 70 et du détecteur 71, et dont la quatrième 78 reste disponible.
Différents schémas de montage peuvent être utilisés pour la mise en oeuvre du procédé décrit. Quelques-unes de ces réalisations sont décrites en référence aux fig. 9 à 15.
Le circuit de la fig. 9 représente une série de coupleurs directionnels 80 couplés en série, au moyen des fibres optiques 81, à une source de lumière 82. A chaque coupleur directionnel 80 est associé un groupe capteur-transducteur 83 et un détecteur 84.
La fig. 10 représente une variante du dispositif de la fig. 9, selon laquelle un ensemble de coupleurs directionnels 80' est relié en série, au moyen de tronçons de fibres optiques 81', à une source lumineuse 82, mais selon laquelle un seul détecteur 84' est utilisé pour détecter les signaux transmis par les groupes capteurs-transducteurs 83'.
Dans ces deux variantes, la source et le ou les détecteurs sont des composants différents.
Le dispositif de la fig. 11 constitue le circuit le plus élémentaire permettant la mise en oeuvre du procédé décrit. Ce circuit se compose d'une groupe capteur-transducteur 85 relié, par un tronçon de fibre optique unique 86, à un ensemble 87 constitué par la source lumineuse et le détecteur.
La fig. 12 représente un circuit comportant essentiellement deux capteurs 88 et 89, travaillant en transmission de la lumière au travers d'un transducteur 90, ces deux capteurs étant reliés au moyen des tronçons de fibres optiques 91 et 92, et du coupleur directionnel 93, à la source 94 et au détecteur 95.
La fig. 13 illustre une variante comportant deux lignes principales 96 et 97, sur lesquelles sont connectés en série des coupleurs directionnels 96' et 97', respectivement reliés à une source 98 et à un détecteur 99. Une série de capteurs 100 est respectivement reliée à la série de coupleurs directionnels 96', et chaque coupleur 96' est relié à un coupleur correspondant 97'.
La fig. 14 représente une variante selon laquelle une série de capteurs 101 est reliée respectivement par les tronçons de fibres optiques 102 à un coupleur directionnel 103 raccordé à une source 104 et à un détecteur 105.
La fig. 15 représente un montage en cascade, dont chaque palier comporte un coupleur directionnel 106 et un capteur 107. Le coupleur 106 du premier palier est par ailleurs relié à un groupe sourcedétecteur 108. Les paliers suivants sont respectivement reliés à une sortie du coupleur du palier précédent.
Ces différentes variantes permettent d'illustrer la grande diversité des réalisations permises, adaptées à diverses applications. D'une manière générale, le capteur transmet la lumière reçue au transducteur influencé par la grandeur physique à mesurer, qui réfléchit une partie de cette lumière reprise par ce capteur et transmise au détecteur.
L'utilisation d'un capteur avec optique de sortie tel que décrit offre de grandes possibilités de mesure: notamment des mesures d'angle, des mesures de présence (par exemple la présence d'un fluide mouillant la surface réfléchissante du transducteur), des mesures de dimension d'un objet, des mesures de transparence, des mesures de déformation du dioptre de réflexion sous l'effet de forces engendrées par des variations de grandeurs physiques telles que des variations de pression, etc.
Lorsque l'extrémité de la fibre optique est placée au foyer objet de la lentille, le système est insensible aux variations selon X, Y et Z (Y correspond par exemple à l'axe de la fibre optique montée dans le capteur), mais est sensible à la rotation de plans de réflexion. Par contre, lorsqu'on focalise le faisceau sur la surface réfléchissante, le système présente une grande sensibilité au déplacement selon l'axe
Y. Les mesures peuvent être rendues indépendantes de la réflectivité du dioptre (mesures en phases), ce qui permet des mesures de déplacement au quart de la longueur d'onde, soit des déplacements de l'ordre de 0,25 llm pour X = 633 nm. Une telle précision de mesures permet par exemple d'analyser des états de surfaces ou de détecter des positions d'objets de faible dimension se déplaçant à grande vitesse.
En outre, il serait possible d'envisager la mesure de vitesse de rotation ou la réalisation d'un compte-tours, en décalant latéralement l'axe de la fibre optique et l'axe de la lentille dans le capteur.
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CLAIMS
1. Optical method for detecting and / or measuring quantities and / or variations of physical quantities, according to which a coherent light is transmitted by means of a light conductor on a transducer of the physical quantity to be measured and / or to be detected , we capture, by means of a sensor (10, 72, 83, 83 ', 85, 88, 89, 100, 101, 107), at least part of the light reflected or transmitted by the transducer (73, 83 , 83 ', 85, 90) and influenced by this physical quantity or by the variation of this physical quantity, and this reflected or transmitted light is transmitted to a detector (71, 84, 84', 87, 95, 99, 105, 108), characterized in that the light emitted by a source is transmitted to the transducer, and the light transmitted by the sensor to the detector by means of the same light conductor,
the light transmitted by the sensor having substantially the same wavelength as the light emitted by the source.
2. Device for implementing the method according to claim 1, comprising a source emitting (70, 82, 87, 94, 98, 104, 108) of coherent light, at least one detector (71, 84, 84 ', 87, 95, 99, 105, 108) and at least one optical sensor (10, 72, 83, 83 ', 85, 88, 89, 100, 101, 107), characterized in that the emitting source and the sensor are connected by a single light conductor (13, 81, 81 ', 86, 91, 92, 102), simultaneously transmitting the light emitted by the source and the light transmitted by the sensor to the detector.
3. Device according to claim 2, characterized in that the light conductor (13, 81, 81 ', 86, 91, 92, 102) is an optical fiber.
4. Device according to claim 3, in which the optical sensor is constituted by a support element (11, 51, 56, 61), the rear end of which defines the connection face and the front end of which defines the face of sensor (20), characterized in that the housing has an axial bore, arranged to house the single optical fiber (13, 53) on the side of the connection face, and a lens (19, 40, 43, 45, 55, 59, 62) mounted on the side of the collection face.
5. Device according to claim 4, characterized in that the lens is constituted by a spherical lens (19, 40, 43, 45, 55, 59, 62) mounted in the housing near the sensing face and disposed at the front of the anterior end of the optical fiber.
6. Device according to claim 4, characterized in that the axis of the optical fiber and the axis of the lens are offset laterally with respect to each other.
7. Device according to claim 5, characterized in that the spherical lens is constituted by a ball (19) mounted inside the housing, in such a way that the collecting face (20) is tangential to the anterior surface of this ball.
8. Device according to claim 5, characterized in that the spherical lens has the shape of a sphere part (40) delimited by a planar surface (41), and is mounted inside the housing so that this flat surface is arranged in the plane of the collection face (20).
9. Device according to claim 8, characterized in that the spherical lens is a part of a sphere (43) fixed by its planar surface to the center of a circular blade (42) with parallel planar faces, the outer planar face opposite to the spherical lens defining the sensing face of the sensor (20).
10. Device according to claim 4, characterized in that the lens is placed at the anterior end of the optical fiber.
11. Device according to claim 3, in which the optical sensor is constituted by a housing the rear end of which defines the connection face and the front end of which defines the sensing face, characterized in that the housing has an axial bore , arranged to house the single optical fiber on the side of the connection face, and a holographic network mounted on the side of the capture face.
12. Device according to claim 4, characterized in that the lens consists of a tubular part (55), comprising a central bore arranged to receive the free end of the optical fiber (53).
13. Device according to claim 4, characterized in that the housing consists of a support element (11) comprising a central bore, arranged to accommodate a tubular member (12) serving as a support for the optical fiber (13), a lens-holding part (17) adapted to support the lens (19) and arranged to be mounted at the anterior end of the support element, a sleeve (21) mounted on the support element at its end opposite to the lens-holding part, and a clamping ring (22), the sleeve and the clamping ring being arranged to cooperate so as to fix the axial position of the tubular member serving as a support for the optical fiber relative to the lens .
14. Device according to claim 13, characterized in that the support element of the optical fiber comprises, near the connection face, an annular protuberance (23), and in that the sleeve, mounted on the element -support and the clamping ring, respectively comprise a shoulder (25 ') defining a recess arranged to accommodate this protuberance (23).
15. Device according to claim 14, characterized in that the annular protuberance (23) comprises two parallel annular planar faces, and in that a washer (26) made of a self-lubricating material is interposed between each of these faces and the adjacent face from one of the respective shoulders of the sleeve and of the clamping ring.
16. Device according to claim 15, characterized in that the end piece comprises, at its end adjacent to the connection face of the sensor, a bore arranged to accommodate a reinforcement piece (33) tubular metal intended to be driven into the end piece, and the inside diameter of which corresponds substantially to the outside diameter of the sheath of the optical fiber housed in the end piece.
17. Device according to claim 2, comprising at least one directional coupler (74, 80, 80 ', 93, 96', 97 ', 103, 106), characterized in that the optical detector (71, 84, 84', 87, 95, 99, 105, 108) and the directional coupler are connected by a single light conductor, simultaneously transmitting the light emitted by the source and the light transmitted by the sensor.
18. Device according to claim 17, characterized in that it comprises a light emitting source (98, 104, 108), a detector (99, 105, 108), n sensors (100, 101, 107) and n couplers directional (96 ', 97'; 103, 106), in that each sensor is connected to a coupler device by means of a single section of optical fiber, and in that each directional coupler is connected to the following directional coupler by a single section of optical fiber.
The present invention relates to an optical method for detecting and / or measuring quantities and / or variations of physical quantities, according to which a visible or invisible light is transmitted by means of a light conductor on a transducer of the physical quantity to be measured and / or to be detected, at least part of the light reflected or transmitted by the transducer and influenced by this physical quantity or by the variation of this physical quantity is captured by means of a sensor, and this reflected light is transmitted or transmitted to a detector.
The present invention also relates to a device for implementing this method.
Transmission techniques, using light as a medium for information, have undergone very significant development in recent years due to the specific characteristics of optical fibers. Their insensitivity to electric and electromagnetic fields protects transmissions against parasitic interference, and guarantees the secrecy of communications. The weak attenuation of the signals in the optical lines allows excellent transmitted
long distance. The lightness, flexibility and mechanical resistance of the fiber optic lines facilitate the installation of networks. The continuous increase in the cost of copper on the market and the rapid decrease in world reserves of this metal contribute to increase the interest for optical fibers made from silica, that is to say an inexpensive material , whose reserves are almost inexhaustible.
These various characteristics of optical fibers, as well as many other advantages well known to those skilled in the art, have made it possible to imagine optical systems for making measurements of physical quantities and for detecting and / or measuring the variations of these quantities.
One of the principles of optical metrology consists in using a reflecting surface influenced by the physical quantity to be measured, to reflect, by modulating it in intensity, in phase or in frequency, a light beam led by an optical fiber of the type of those commonly used for telecommunications. The system essentially consists of a light source with solid components of the laser or light-emitting diode type, operating for example in the infrared wavelengths (k> 850 nm), of a fiber optic cable used in the telecommunications industry, and a detector. A directional coupler, for example a star junction, can be interposed between the sensor on the one hand, the source and the detector on the other hand.
The light beam transmitted by the optical fiber is directed, possibly focused, on a reflecting surface influenced by the physical parameter to be measured, the reflected light being reinjected into the fiber. A branch of the optical line, connected to the main line for example by a Y or star junction, diverts the light reflected on the detector. The technology used is that of fiber optic transmissions. Cables are made up of one or more fibers with index magnitudes, singlemode or multimode.
The aim of the present invention essentially consists in proposing a method and in producing a device, and in particular a simple and universal sensor, making it possible to capture the light reflected by the reflecting surface influenced by the physical quantity to be measured, and to reinject this light into the heart of fiber optics. This object is achieved by the aforementioned method, characterized in that the light emitted by a source is transmitted to the transducer, and the light transmitted by the sensor to the detector by means of the same light conductor, the light transmitted by the sensor having substantially the same wavelength as the light emitted by the source.
The device according to the invention is characterized in that the emitting source and the sensor are connected by a single light conductor, simultaneously transmitting the light emitted by the source and the light transmitted by the sensor to the detector.
The present invention and its main advantages will be better understood with reference to the description of an exemplary embodiment and the attached drawing, in which:
fig. 1 represents an axial sectional view of an embodiment of a sensor used for implementing the method of the invention,
fig. 2A, 2B and 2C represent sectional views of the spherical lens of the sensor,
fig. 3 and 4 represent two embodiments of the lens, combined with the end support of the optical fiber,
fig. 5, 6 and 7 show other embodiments of the sensor of FIG. 1,
fig. 8 represents a basic diagram illustrating the device for implementing the method according to the invention, and
fig. 9, 10, 11, 12, 13, 14 and 15 illustrate different variants of the diagram in FIG. 8.
With reference to fig. 1, the sensor 10 described essentially comprises a housing composed of a support element 11 provided with a cylindrical axial bore, in which is disposed an end piece 12 of a stripped optical fiber 13 housed in an optical cable 14. The end piece preferably consists of a metal tube at the end of which is driven a centering member 15 of the fiber 14, and which is at least partially filled with polymerizable resin 16 which, after hardening, ensures positioning stable of the optical fiber 13. The central bore can be grooved to reduce the insertion forces of the part 12 and allow its bonding. At the front end, said sensor capture end, a lens-holder part 17 is fitted on the support element.
This lens holder part 17 includes a central cavity 18 coaxial with the optical fiber 13, in which a spherical lens 19 is mounted. In the example illustrated in FIG. 1, the spherical lens consists of a sphere glued inside the central cavity 18, so that it is tangent to the sensing face 20 of the sensor. The space between the front surface of the lens-holder part 17 and the front surface of the sphere 19 is filled with polymerizable resin, for example epoxy resin. The collecting face is polished after hardening of the resin. The sphere 19 is preferably made of corundum, a very hard material, resistant to the environment, even in an aggressive medium, and readily available commercially.
At the rear end of the support element are adapted a sleeve 21 and a clamping ring 22, which define the connection end of the sensor. These two elements cooperate to ensure the axial positioning of the fiber end piece 12. To this end, the end piece 12 has an annular protuberance 23, of square or rectangular cross section, the sides of which define two faces of support or shoulders 24 and 25. The sleeve 21 has a first central annular recess which defines a shoulder 25 '. The two shoulders 25 and 25 ′ are complementary and resting on each other by means of a washer 26 made of a self-lubricating material.
The clamping ring 22 also includes a first shoulder 24 'which rests on the shoulder 24 adjacent to the annular protuberance 23, by means of a washer 27 made of a self-lubricating material.
Furthermore, the sleeve 21 has two other shoulders 28 and 29, which have a profile adapted to that of two complementary shoulders 30 and 31 of the clamping ring 22. The two parts 21 and 22 are assembled by means of at least one pin 32 housed in a radial bore formed through the two parts, between the planes defined respectively by the shoulders 29, 31 on the one hand and 28, 30 on the other hand.
This arrangement makes it possible to stably define the position of the end piece 12 and consequently the end of the stripped fiber 13 relative to the spherical lens 19.
The optical cable 14 is mounted by means of a tubular metallic reinforcement piece 33, which is adjusted on a section of sheathed cable and driven into the end piece 12. This reinforcement piece has a substantially equal internal diameter the outside diameter of the cable sheath, and an outside diameter substantially equal to that of a bore formed at the rear end of the end piece 12. The reinforcement piece is preferably driven into this bore of the piece d end 12. At least part of the section of optical fiber, housed in the end piece at the front of the front end of the reinforcement piece 33, is stripped and embedded in epoxy resin.
The tightness of the sensor is obtained by means of a sleeve 34 of cylindrical shape, the outside diameter of which is substantially equal to the front part of the support element 1 1 and of the lens holder part 17, and by means of two seals O-rings 35 and 36 arranged in annular grooves formed respectively in the peripheral surface of the sleeve 21, in its zone of overlap by the sleeve 34, and in the internal surface of the element 12, in the zone of bearing against the part d end 12.
This embodiment is of course described by way of example and could undergo numerous changes in form. The support element could have a different external shape depending on the specific use intended for the sensor. Likewise, the spherical lens could take various forms, in particular those described with reference to FIGS. 2A, 2B and 2C.
In the case of fig. 2A, the spherical lens is constituted by a sphere part 40 delimited by a planar surface 41. This lens is mounted in the lens-holding part, so that its planar surface 41 corresponds to the sensing face of the sensor. This embodiment could also be obtained in the following way: a corundum ball is mounted in the central bore of the lens holder part 17, in such a way that part of its spherical surface exceeds the plane defined by the sensing face of the sensor. ; this part of the ball is then polished until a flat surface 41 coincides with the collector face of the sensor.
The lens of fig. 2B consists of a blade with parallel planar faces 42, preferably circular, in the center of which a half-sphere 43 has been glued. These two elements are preferably made of corundum for the same reasons as above. The blade 42 is adjusted in such a way that its outer surface is disposed in / or constitutes the sensing face of the sensor. The lens of fig. 2C has a shape identical to that of FIG. 2B, but in this case the blade 44 and the half-sphere 45 are made in one piece.
The lens shown in section in FIG. 3 consists of an elongated piece 46, made for example of corundum, which has two axial bores 47 and 48 intended to receive respectively a section of non-stripped optical fiber and a section of stripped optical fiber. These fiber sections are glued, for example using an epoxy resin. The part 46 has a rounded front end 49 which acts as a spherical lens and the part 50 which serves as a support for the optical fiber. The lens of fig. 4 differs from the previous one in that it has only one axial bore 48 '.
Fig. 5 schematically shows another embodiment of the sensor described with reference to FIG. 1. This simplified embodiment is sufficient for certain applications. It consists of a tubular element 51, the central bore of which is adapted to receive a non-stripped section 52 of an optical fiber and a stripped section 53 of this fiber. The end of the stripped section is engaged in a suitable recess 54, formed at the base of a lens 55 fixed to the front end of the tubular part 51. All of these elements are made integral by bonding using resin 56.
Fig. 6 shows another embodiment also comprising a tubular piece 57 provided with a central bore, in which is engaged a non-stripped fiber section 52 and a stripped fiber section 53. The stripped fiber section 53 is retained inside the cylindrical bore of the tubular part 57 by means of an annular support 58, which could for example be a timepiece or any other rigid mechanical part capable of fulfilling the same function. The space between the support 58 and the sheath of the fiber section 52 can be filled with polymerizable resin 56 as before. The lens 59, fixed by gluing or by any other mechanical means suitable for the anterior end of the tubular part 57, consists of a blade with parallel faces and a spherical protuberance disposed in the center of this blade, on the oriented side towards the end of the optical fiber.
This protuberance can be attached to the blade or made in one piece with it.
Fig. 7 shows another variant produced by means of a support element 60 of tubular shape, which serves as end support for the end sections 52 and 53, respectively stripped and stripped of an optical fiber. This tubular part has, as before, a central bore, in which the two end sections are housed; the stripped section 53 is held in position inside the bore by means of an epoxy resin 56.
This rigid assembly is mounted fixed or sliding inside a tubular element 61, at the front end of which is mounted a lens 62 of similar design to that of the lens 59 shown in FIG. 6. A metallized diaphragm 63 or a spatial filter, of annular shape, can be applied to the interior face of the lens 62, around the central protuberance constituting in fact the spherical lens intended to focus the light beam transmitted by the optical fiber.
Of course, other embodiments could be imagined, notably consisting in replacing the tubular support 60 by an optical connector known per se.
Fig. 8 shows an example of an arrangement provided in optical metrology techniques using one of the sensor devices described above. This assembly comprises a light source 70 independent or coupled to a detector 71.
Such an assembly can for example be constituted by the components marketed under the name EROS ST 100, ST 101, ST 110, ST 111 and ST 140 by the company Thomson CSF. This assembly further comprises a sensor 72 and a transducer of the physical quantity to be measured 73. The transducer can, depending on the applications, be integrated into the sensor 72. A directional coupler 74 can be mounted between the detector source group and the group sensor-transducer.
The directional coupler can be constituted by a star junction marketed by the company Canstar Communications, Fiber Optic
Division. This directional coupler has four inputs 75, 76, 77 and 78, one of which 77 is used to connect the sensor 72, two of which 75 and 76 are used to make the fiber connection of the source 70 and the detector 71, and of which the fourth 78 remains available.
Different assembly diagrams can be used for implementing the method described. Some of these achievements are described with reference to Figs. 9 to 15.
The circuit of fig. 9 represents a series of directional couplers 80 coupled in series, by means of optical fibers 81, to a light source 82. Each directional coupler 80 is associated with a sensor-transducer group 83 and a detector 84.
Fig. 10 shows a variant of the device of FIG. 9, according to which a set of directional couplers 80 'is connected in series, by means of sections of optical fibers 81', to a light source 82, but according to which a single detector 84 'is used to detect the signals transmitted by the groups 83 'transducers.
In these two variants, the source and the detector (s) are different components.
The device of fig. 11 constitutes the most basic circuit allowing the implementation of the process described. This circuit consists of a sensor-transducer group 85 connected, by a single section of optical fiber 86, to an assembly 87 constituted by the light source and the detector.
Fig. 12 shows a circuit essentially comprising two sensors 88 and 89, working in transmission of light through a transducer 90, these two sensors being connected by means of the sections of optical fibers 91 and 92, and of the directional coupler 93, to the source 94 and to detector 95.
Fig. 13 illustrates a variant comprising two main lines 96 and 97, on which are connected in series directional couplers 96 'and 97', respectively connected to a source 98 and to a detector 99. A series of sensors 100 is respectively connected to the series directional couplers 96 ', and each coupler 96' is connected to a corresponding coupler 97 '.
Fig. 14 shows a variant according to which a series of sensors 101 is connected respectively by the sections of optical fibers 102 to a directional coupler 103 connected to a source 104 and to a detector 105.
Fig. 15 shows a cascade arrangement, each bearing of which comprises a directional coupler 106 and a sensor 107. The coupler 106 of the first bearing is also connected to a source-detector group 108. The following bearings are respectively connected to an output of the coupler of the preceding bearing .
These different variants illustrate the great diversity of permitted embodiments, adapted to various applications. Generally, the sensor transmits the light received to the transducer influenced by the physical quantity to be measured, which reflects part of this light picked up by this sensor and transmitted to the detector.
The use of a sensor with output optics as described offers great measurement possibilities: in particular angle measurements, presence measurements (for example the presence of a fluid wetting the reflective surface of the transducer), measures of the size of an object, measures of transparency, measures of deformation of the reflection diopter under the effect of forces generated by variations in physical quantities such as variations in pressure, etc.
When the end of the optical fiber is placed at the focal point of the lens, the system is insensitive to variations along X, Y and Z (Y corresponds for example to the axis of the optical fiber mounted in the sensor), but is sensitive to the rotation of reflection planes. On the other hand, when the beam is focused on the reflecting surface, the system has a high sensitivity to displacement along the axis
Y. The measurements can be made independent of the reflectivity of the diopter (phase measurements), which allows measurements of displacement at a quarter of the wavelength, ie displacements of the order of 0.25 llm for X = 633 nm. Such precision of measurements makes it possible, for example, to analyze surface conditions or to detect positions of small objects moving at high speed.
In addition, it would be possible to envisage the measurement of rotational speed or the production of a tachometer, by laterally shifting the axis of the optical fiber and the axis of the lens in the sensor.