FR2614112A1 - Fibre-optic light sensor - Google Patents
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Abstract
Description
L invention est relative aux capteurs de lumière et, plus particulièrement, aux capteurs de lumière qui utilisent une fibre optique. The invention relates to light sensors and, more particularly, to light sensors which use an optical fiber.
Les fibres optiques sont bien connues et d'un usage fréquent pour de nombreuses applications. Optical fibers are well known and frequently used for many applications.
En particulier, elles servent à véhiculer des flux lumineux qu'elles reçoivent a l'une de leurs extrémités jusqu'à l'autre de celles-ci.In particular, they serve to convey light fluxes which they receive at one of their ends up to the other of these.
Les fibre optiques sont habituellement faites en verre ou en matière plastique ou en une combinaison de ces deux matériaux. Afin d'obtenir une bonne canalisation du flux lumineux par le phénomène de la réflexion totale, on utilise des fibres optiques le plus souvent multicouches avec des indices de ré- fraction différents ou avec un gradient d'indice entre le centre et la périphérie. Optical fibers are usually made of glass or plastic or a combination of these two materials. In order to obtain a good channeling of the light flux by the phenomenon of total reflection, optical fibers are most often used multilayer with different refraction indices or with an index gradient between the center and the periphery.
On a déjà proposé de construire des fibres optiques composites dont au moins une couche ou strate a été dopée avec une substance appropriée pour servir de convertisseur de fréquence. Dans un tel cas, la partie centrale, ou ame ou coeur en forme de tige, de la fibre optique est réalisée en un matériau transparent et sa partie extérieure porte un revétement ou couronne périphérique en forme de gaine ou tube qui est fait en un matériau qui contient des substances fluorescentes ou phosphorescentes. Dans certains cas, une telle fibre optique composite est encore revêtue d'une enveloppe externe qui forme un fourreau protecteur. It has already been proposed to construct composite optical fibers of which at least one layer or layer has been doped with a suitable substance to serve as a frequency converter. In such a case, the central part, or core or heart in the form of a rod, of the optical fiber is made of a transparent material and its outer part carries a coating or peripheral crown in the form of a sheath or tube which is made of a material which contains fluorescent or phosphorescent substances. In some cases, such a composite optical fiber is still coated with an external envelope which forms a protective sheath.
Pour certaines applications, on a proposé d'utiliser une telle fibre optique composée d'un coeur transparent et d'une couronne périphérique fluorescente protégée par un fourreau extérieur pour en faire un convertisseur de fréquence. Dans un tel cas, on place à l'une des extrémités de la fibre optique un embout qui est conçu de manière à ce qu'un flux lumineux reçu à l'autre extrémité et acheminé par le coeur soit renvoyé en direction de la couronne périphérique pour exciter le revêtement fluorescent. De la sorte, on peut recueillir un flux lumineux d'une autre longueur d'onde émergeant de la couronne périphérique à l'ex- trémité qui a reçu le flux lumineux incident excitateur. For certain applications, it has been proposed to use such an optical fiber composed of a transparent core and a fluorescent peripheral crown protected by an external sheath to make it a frequency converter. In such a case, a tip is placed at one of the ends of the optical fiber which is designed so that a light flux received at the other end and sent by the heart is returned towards the peripheral crown. to excite the fluorescent coating. In this way, it is possible to collect a light flux of another wavelength emerging from the peripheral crown at the end which has received the incident excitatory light flux.
Une telle fibre optique multistrate protégée permet de transformer un rayonnement infrarouge reçu par le coeur à une extrémité en un rayonnement visible émis par la gaine à cette même extrémité. Such a protected multi-layer optical fiber makes it possible to transform infrared radiation received by the heart at one end into visible radiation emitted by the sheath at this same end.
On trouve aussi dans le commerce des fibres optiques non composites faites d'un simple fil de matière dopée avec une substance fluorescente. Par exemple on connait une fibre faite de copolymères à base de polyméthacrylate de méthyl ou de polystyrène qui, excitée par un rayonnement ultraviolet émet une lumière rouge ; on connait aussi une fibre faite de polystyrène dopée qui, suivant la longueur d'onde du rayonnement ultraviolet qui l'excite, émet une lumière bleue ou verte. There are also commercially available non-composite optical fibers made of a single thread of material doped with a fluorescent substance. For example, there is known a fiber made from copolymers based on polymethyl methacrylate or polystyrene which, excited by ultraviolet radiation emits red light; we also know a fiber made of doped polystyrene which, depending on the wavelength of the ultraviolet radiation which excites it, emits blue or green light.
L'invention concerne les fibres optiques et. The invention relates to optical fibers and.
plus particulièrement, est relative à un capteur de lumière constitué notamment d'une fibre optique multistrate non protégée dont le coeur est fait d'un ma tériau fluorescent qui porte un revêtement en forme de tube transparent.more particularly, relates to a light sensor made up in particular of an unprotected multistrate optical fiber whose core is made of a fluorescent material which carries a coating in the form of a transparent tube.
L'invention a pour objet un capteur de lumière à fibre optique comprenant entre autres un détecteur. Ce détecteur est remarquable en ce qu'il comprend une fibre optique multistrate non protégée ayant un coeur et au moins une couronne périphérique d'un revêtement, en ce que l'indice de réfraction du coeur est plus grand que celui du revêtement, en ce que le revetement est fait d'un matériau transparent et le coeur est fait d'un matériau fluorescent de manière que lorsque la couronne périphérique du détecteur est irradiée au moins partiellement de l'extérieur par un rayonnement excitant la fluorescence du matériau du coeur, une partie au moins du flux lumineux émis par ce dernier reste confinée dans le coeur et est canalisée par ce dernier vers l'extrémité. The subject of the invention is a fiber optic light sensor comprising inter alia a detector. This detector is remarkable in that it comprises an unprotected multistrate optical fiber having a core and at least one peripheral crown of a coating, in that the refractive index of the core is greater than that of the coating, in that the coating is made of a transparent material and the core is made of a fluorescent material so that when the peripheral ring of the detector is irradiated at least partially from the outside by radiation exciting the fluorescence of the material of the core, a at least part of the light flux emitted by the latter remains confined in the core and is channeled by the latter towards the end.
D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de la lecture de la description et des revendications qui suivent et de l'examen du dessin annexé, donné seulement à titre d'exemple, où
- la Fig.1 est une coupe schématique, fortement agrandie. d'un tronçon de fibre optique multistrate classique et illustrant la manière dont il se comporte lorsqu'il est irradié latéralement
- la Fig.1A. illustre la manière dont l'indice de réfraction Q, porté en abcisse, varie en fonction du rayon r de la fibre porté en ordonnée,
- la Fig.2 est une vue analogue à celle de la Fig.l d'un mode de réalisation d'un detecteur équipant un capteur de lumière suivant l'invention
- la Fig.3 est une représentation fonctionnelle schématique d'un dispositif d'utilisation d'un capteur de lumière suivant l'invention , et
- la Fig.4 est une vue d'un mode de réalisation d'un circuit de dispositif d'utilisation du capteur suivant l'invention.Other characteristics of the invention will emerge from reading the description and the claims which follow and from examining the appended drawing, given only by way of example, where
- Fig.1 is a schematic section, greatly enlarged. a section of conventional multi-layer optical fiber and illustrating how it behaves when irradiated laterally
- Fig. 1A. illustrates the way in which the refractive index Q, plotted on the abscissa, varies as a function of the radius r of the fiber plotted on the ordinate,
- Fig.2 is a view similar to that of Fig.l of an embodiment of a detector fitted to a light sensor according to the invention
- Fig.3 is a schematic functional representation of a device for using a light sensor according to the invention, and
- Fig.4 is a view of an embodiment of a sensor device circuit according to the invention.
Sur la Fig.1. on a représenté schématiquement, très fortement agrandi, un tronçon d une fibre optique 10 multistrate non protégée par une enveloppe externe formant fourreau. Cette fibre est constituée, essentiellement. d'une âme ou coeur central 11 qui se présente à la manière d'une tige et d'un revêtement sous forme de couronne périphérique qui se présente à la manière d'un tube ou gaine 12. Le coeur ou âme 11 peut être fait en verre ou en matière plastique comme il est classique: le revêtement est, lui. fait d'un autre verre ou d'une autre matière plastique dont l'indice de réfraction est inférieur à celui du coeur. In Fig. 1. there is shown schematically, very greatly enlarged, a section of a multi-layer optical fiber 10 not protected by an external envelope forming a sheath. This fiber is made up, essentially. a central core or core 11 which is in the form of a rod and a coating in the form of a peripheral crown which is in the form of a tube or sheath 12. The core or core 11 can be made glass or plastic as it is classic: the coating is him. made of another glass or another plastic whose refractive index is lower than that of the heart.
Ce tronçon de fibre optique est supposé plongé dans l'air. Si la gaine 12 n'est pas fluorescente et que cette dernière reçoit un rayonnement à sa périphérie comme dessiné, le rayon incident ressort de la fibre comme il est schématisé sur la Fig.1. où est illustré ce qui se passe dans un plan méridien axial supposé être celui de la feuille du dessin. This section of optical fiber is assumed to be immersed in air. If the sheath 12 is not fluorescent and the latter receives radiation at its periphery as shown, the incident ray emerges from the fiber as shown in FIG. 1. where is illustrated what happens in an axial meridian plane supposed to be that of the sheet of the drawing.
Si maintenant, suivant l'invention, l'âme 11 est faite en un matériau fluorescent. on voit que chaque particule qui reçoit de la lumière incidente se trouve excitée et réémet dans un angle solide de quatre > radians, le phénomène de fluorescence étant isotrope. Tous les rayons qui atteignent le dioptre 13 qui sépare le coeur 11 de la gaine 12 sous un angle d'incidence supérieure à l'angle de réfraction limite tt . indiqué en trait mixtesssont donc réfléchis et ils continuent à se propager dans le coeur 11 qui sert de guide d'onde. Ceci est illustré sur la Fig.2. Comme on le sait l'angle de réfraction limite X satisfait à la relation
ou: n11 est 1 indice de réfraction du coeur 11
n12 est l'indice de réfraction de la gaine 12
On observera que le flux lumineux qui est guidé par le coeur 11 est pratiquement proportionnel au flux lumineux incident, à l'absorption près ; on peut donc de la sorte réaliser un capteur de lumière en mesurant simplement le flux lumineux fluorescent véhiculé par le coeur de la fibre vers l'une et/ou l'autre de ses extrémités.If now, according to the invention, the core 11 is made of a fluorescent material. we see that each particle which receives incident light is excited and re-emits in a solid angle of four> radians, the phenomenon of fluorescence being isotropic. All the rays which reach the diopter 13 which separates the core 11 from the sheath 12 at an angle of incidence greater than the limiting angle of refraction tt. indicated in line mixtess are therefore reflected and they continue to propagate in the core 11 which serves as a waveguide. This is illustrated in Fig. 2. As we know the limit refractive angle X satisfies the relation
or: n11 is 1 refractive index of the heart 11
n12 is the refractive index of the sheath 12
It will be observed that the luminous flux which is guided by the heart 11 is practically proportional to the incident luminous flux, with absorption close; it is therefore possible in this way to produce a light sensor by simply measuring the fluorescent light flux carried by the fiber core towards one and / or the other of its ends.
Si l'on suppose qu une fibre optique fluorescente du capteur suivant l'invention de longueur L est uniformément éclairée latéralement sur toute sa périphérie par une source d'un rayonnement excitateur de la fluorescence, la quantité de lumière fluorescente P(zl reçue à l'une des extrémités de la fibre provenant d'un cylindre élémentaire de longueur li situé à l'abscisse s de la fibre, comptée à partir de l'une de ses extrémités est égal à
ou: i représente une constante dépendant de l ouverture numérique de la fibre et des caractéristique du matériau fluorescent,
Eo est l'énergie incidente mesurée en watt par centimètre carré
et i l'affaiblissement linéaire de la fibre pour la longueur d'onde de fluorescence.If it is assumed that a fluorescent optical fiber of the sensor according to the invention of length L is uniformly lit laterally over its entire periphery by a source of radiation which excites fluorescence, the quantity of fluorescent light P (zl received at l one of the ends of the fiber coming from an elementary cylinder of length li located at the abscissa s of the fiber, counted from one of its ends is equal to
where: i represents a constant depending on the numerical aperture of the fiber and the characteristics of the fluorescent material,
Eo is the incident energy measured in watt per square centimeter
and i the linear attenuation of the fiber for the fluorescence wavelength.
La puissance totale reçue à l'une des extrémités est égale
Comme on le sait, lorsque la longueur L de cette fibre tend vers l'infini, la puissance recueillie tend vers la limite
Des mesures expérimentales montrent qu'ef fectivement un capteur selon l'invention suit cette loi.Experimental measurements show that indeed a sensor according to the invention follows this law.
La valeur limite étant atteinte par une croissance exponentielle, on voit donc qu'on peut recueillir facilement un tiers de la puissance théorique limite avec une fibre dont la longueur est seulement une petite partie de la longueur théorique. The limit value being reached by exponential growth, we therefore see that we can easily collect a third of the theoretical limit power with a fiber whose length is only a small part of the theoretical length.
On se reportera maintenant à la Fig.3 où on a dessiné un dispositif d'utilisation 20 pour un capteur de lumière à fibre optique comprenant un détecteur 10 suivant l'invention. We will now refer to FIG. 3 where a user device 20 has been drawn for a fiber optic light sensor comprising a detector 10 according to the invention.
Ce dispositif d'utilisation 20 est muni d'un élément photosensible 21 associé au détecteur 10, d'une référence 22, d'un comparateur 23 relié à l'élé- ment photosensible 21 et à la référence 22 et d'une commande 24 mise en oeuvre par le comparateur 23 en fonction de la valeur de la réponse de l'élément photosensible 21 relativement à la référence 23. This use device 20 is provided with a photosensitive element 21 associated with the detector 10, with a reference 22, with a comparator 23 connected to the photosensitive element 21 and with the reference 22 and with a control 24 implemented by the comparator 23 as a function of the value of the response of the photosensitive element 21 relative to the reference 23.
La Fig.4 représente un mode de réalisation d'un dispositif d'utilisation 20 suivant l'invention. Fig.4 shows an embodiment of a user device 20 according to the invention.
Comme on le voit, un mode de réalisation d'un circuit pour le dispositif d'utilisation 20 suivant l'invention comprend un élément photosensible 21 tel que par exemple une diode de détection connectée à un adaptateur d'impédance 210 et à un amplificateur 211 puis au comparateur 23. La référence 22 est constituée par un pont diviseur de tension, réglable comme schématisé. La commande 24 est, par exemple, un transistor ou une diode électroluminescente qui fonctionne par exemple en "tout ou rien" c'est-à-dire qui est allumée ou éteinte. As can be seen, an embodiment of a circuit for the use device 20 according to the invention comprises a photosensitive element 21 such as for example a detection diode connected to an impedance adapter 210 and to an amplifier 211 then to comparator 23. Reference 22 consists of a voltage divider bridge, adjustable as shown. The control 24 is, for example, a transistor or a light-emitting diode which operates for example in "all or nothing", that is to say which is on or off.
Tous ces composants sont classiques et disponibles sur le marché. Le spécialiste en la matière choisira ceux dont les caractéristiques conviennent à l'utilisation particulière envisagée. All these components are classic and available on the market. The specialist in the subject will choose those whose characteristics are suitable for the particular use envisaged.
Le capteur suivant l'invention peut recevoir de nombreuses applications lorsqu'il fonctionne en "tout ou rien". Par exemple, on peut remplacer la diode électroluminescente de la commande 24 de la Fig.4 par un relais qui agit sur un interrupteur. On peut donc ainsi construire un détecteur de seuil qui, par exemple, commande l'allumage ou l'extinction d'une lumière artificielle suivant l'intensité de la lumière ambiante, lorsque son niveau devient inférieure à une valeur qu'on s'est fixée, par exemple au crépuscule. The sensor according to the invention can receive numerous applications when it operates in "all or nothing". For example, it is possible to replace the light-emitting diode of the control 24 of FIG. 4 by a relay which acts on a switch. We can therefore build a threshold detector which, for example, controls the switching on or off of an artificial light according to the intensity of the ambient light, when its level drops below a value that we have fixed, for example at dusk.
Ceci peut par exemple servir à commander automatiquement l'allumage des lanternes ou des feux de croisement d'une automobile ; on place alors le détecteur par exemple, sur ou dans le pare-brise ou la calandre.This can for example be used to automatically control the lighting of lanterns or low beams of an automobile; the detector is then placed, for example, on or in the windshield or the grille.
Le capteur selon l'invention peut aussi servir à détecter l'extinction ou l'obscurcissement d'une source lumineuse et à déclencher une alarme en conséquence.The sensor according to the invention can also be used to detect the extinction or obscuration of a light source and to trigger an alarm accordingly.
Au lieu de faire fonctionner le capteur de lumière à fibre optique suivant l'invention en "tout ou rien", on peut le faire fonctionner d'une manière proportionnelle ou similaire. On peut alors, par exemple, commander un gradateur de lumière à partir du signal reçu et ainsi moduler l'intensité de la lumière artificielle en fonction de la lumière ambiante non on peut ainsi économiser l'énergie. Instead of operating the fiber optic light sensor according to the invention in "all or nothing", it can be operated in a proportional or similar manner. It is then possible, for example, to control a light dimmer from the received signal and thus modulate the intensity of the artificial light as a function of the ambient light, thus saving energy.
Comme on le remarque immédiatement, le capteur de lumière à fibre optique fluorescente suivant l'invention présente de nombreux avantages car il ne nécessite aucune alimentation électrique auxiliaire; ceci permet de l'utiliser dans des milieux hostiles où par exemple un isolement galvanique est nécessaire ou lorsque l'alimentation électrique pose des problèmes. As can be seen immediately, the fluorescent optical fiber light sensor according to the invention has many advantages because it requires no auxiliary power supply; this allows it to be used in hostile environments where for example galvanic isolation is necessary or when the power supply poses problems.
Ce capteur présente aussi l'avantage d'être insensible à toute les perturbations électromagnétiques autres que lumineuses. En outre, il est possible de transporter l'information sur de grandes longueurs malgré les pertes par absorption relativement importantes des fibres optiques fluorescentes toutefois, cet inconvénient peut être combattu en connectant la fibre optique sensible à une fibre optique classique, totalement transparente, n'assurant que la fonction de guidage. This sensor also has the advantage of being insensitive to all electromagnetic disturbances other than light. In addition, it is possible to transport the information over great lengths despite the relatively large absorption losses of fluorescent optical fibers, however, this drawback can be overcome by connecting the sensitive optical fiber to a conventional optical fiber, completely transparent, n ' ensuring that the guidance function.
On observera en outre que ce capteur est d'une grande simplicité et est bon marché et fiable on notera aussi que ce capteur suivant l'invention fonctionnant par intégration d'un flux lumineux, il n'est pas sensible à un éclairage ponctuel. It will further be observed that this sensor is very simple and is inexpensive and reliable. It will also be noted that this sensor according to the invention operates by integrating a light flux, it is not sensitive to point lighting.
Si on utilise un matériau fluorescent qui n'est pas excité par un flux infrarouge, on peut rendre le capteur suivant l'invention totalement insensible aux rayonnements thermiques. If a fluorescent material is used which is not excited by an infrared flux, the sensor according to the invention can be made completely insensitive to thermal radiation.
La fabrication des fibres optiques partiellement ou totalement fluorescente n'entre pas dans le cadre de l'invention. Elles sont habituellement faites d'un matériau transparent minéral ou synthétique tel qu'un verre ou une matière plastique auquel est ajoutée une substance fluorescente souvent à base de terres rares convenablement choisies s'il y a lieu dopées et au besoin avec d'autres adjuvants tels que des liants, des dispersants, des stabilisants par exemple. The manufacture of partially or fully fluorescent optical fibers is not within the scope of the invention. They are usually made of a transparent mineral or synthetic material such as a glass or a plastic material to which is added a fluorescent substance often based on rare earths suitably selected if necessary doped and if necessary with other adjuvants such as binders, dispersants, stabilizers for example.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8705289A FR2614112B1 (en) | 1987-04-14 | 1987-04-14 | FIBER OPTIC LIGHT SENSOR |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| FR8705289A FR2614112B1 (en) | 1987-04-14 | 1987-04-14 | FIBER OPTIC LIGHT SENSOR |
Publications (2)
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|---|---|
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| FR2614112B1 FR2614112B1 (en) | 1991-10-11 |
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ID=9350107
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8705289A Expired - Lifetime FR2614112B1 (en) | 1987-04-14 | 1987-04-14 | FIBER OPTIC LIGHT SENSOR |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2614112B1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0074807A1 (en) * | 1981-09-10 | 1983-03-23 | The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and | Fluorescent optical concentrator devices |
| US4436995A (en) * | 1981-06-29 | 1984-03-13 | General Electric Company | Fiber optics transducers for sensing parameter magnitude |
| FR2574564A1 (en) * | 1984-12-10 | 1986-06-13 | Commissariat Energie Atomique | METHOD FOR OPERATING LIGHT RADIATION USING FLUORESCENT OPTICAL FIBERS, AND DEVICES AND FUNCTIONAL APPARATUS USING THE SAME |
-
1987
- 1987-04-14 FR FR8705289A patent/FR2614112B1/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4436995A (en) * | 1981-06-29 | 1984-03-13 | General Electric Company | Fiber optics transducers for sensing parameter magnitude |
| EP0074807A1 (en) * | 1981-09-10 | 1983-03-23 | The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and | Fluorescent optical concentrator devices |
| FR2574564A1 (en) * | 1984-12-10 | 1986-06-13 | Commissariat Energie Atomique | METHOD FOR OPERATING LIGHT RADIATION USING FLUORESCENT OPTICAL FIBERS, AND DEVICES AND FUNCTIONAL APPARATUS USING THE SAME |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2614112B1 (en) | 1991-10-11 |
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