FR2666145A1 - Perfectionnements aux capteurs optiques. - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un capteur optique du type comprenant un organe codeur pourvu de surfaces de réflexion (30), un transducteur optique comportant un émetteur optique (E) dirigeant un faisceau lumineux sur les surfaces de réflexion, et un récepteur optique (R) apte à détecter le faisceau lumineux renvoyé par les surfaces de réflexion, caractérisé par le fait que les surfaces de réflexion (30) sont délimitées au moins en partie par au moins une conique.

Description

La présente invention concerne le domaine des capteurs optiques.
La présente invention a pour but de perfectionner les capteurs optiques du type connu en soi comprenant - un organe codeur pourvu de surfaces de réflexion, et - un transducteur optique comportant
. un émetteur optique dirigeant un faisceau lumineux sur les surfaces de
réflexion, et
. un récepteur optique apte à détecter le faisceau lumineux renvoyé par
les surfaces de réflexion.
Plus précisément encore, la présente invention a pour but d'optimiser la forme des surfaces de réflexion afin d'obtenir un signal maximal sur le récepteur optique, sans utilisation de lentilles.
Ce but est atteint selon la présente invention grâce à des surfaces de réflexion délimitées au moins en partie par une conique.
On rappelle que les coniques correspondent aux lieux des points dont le rapport des distances à un point (foyer) et à une droite (directrice) a une valeur donnée (excentricité). Les coniques comprennent les ellipses, les paraboles et les hyperboles suivant que l'excentricité est inférieure, égale ou supérieure à l'unité. Le cercle est par ailleurs assimilé à une conique car correspondant au cas particulier d'une ellipse dont les deux foyers sont confondus avec le centre du cercle.
De préférence, dans le cadre de la présente invention, l'émetteur optique et le récepteur optique comprennent des fibres optiques placées en regard des surfaces de réflexion. Cette disposition permet de déporter en position éloignée de l'organe codeur les éléments photoémissif et photosensible. Comme cela sera indiqué par la suite, l'organe codeur conforme à la présente invention peut faire l'objet de nombreuses variantes de réalisation.
Selon le cas, il est prévu une ou deux réflexions sur les surfaces de réflexion entre l'émetteur optique et le récepteur optique.
Dans le cas où deux réflexions sont prévues entre l'émetteur optique et le récepteur optique, entre celles-ci le faisceau lumineux peut être parallèle ou non.
D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels
les figures 1 à 6 représentent des vues schématiques en sections de surfaces de réflexion conformes à six exemples de réalisation conformes à la présente invention, et
les figures 7 à 10 représentent schématiquement quatre applications des surfaces de réflexion précitées conformes à la présente invention.
On va dans un premier temps décrire successivement les diverses variantes de surfaces de réflexion représentées sur les figures 1 à 6.
On rappelle que, comme indiqué précédemment, les capteurs optiques conformes à la présente invention comprennent essentiellement un organe codeur pourvu de surfaces de réflexion et un transducteur optique comportant un émetteur optique et un récepteur optique.
Sur les figures 1 à 6, une seule surface de réflexion est représentée pour simplifier l'illustration, bien que de préférence, dans la pratique, chaque organe codeur soit pourvu d'une pluralité de surfaces de réflexion.
L'organe codeur est mobile par rapport au transducteur optique. En pratique, l'organe codeur muni des surfaces de réflexion est de préférence mobile, tandis que le transducteur optique est fixe. On peut cependant utiliser la disposition inverse : un organe codeur fixe et un transducteur optique mobile.
Sur les figures I à 6, les transducteurs optiques sont représentés par rapport aux surfaces de réflexion de l'organe codeur, dans la position de récupération maximale de flux, c'est-à-dire la position dans laquelle le récepteur optique récupère au moins quasi intégralement le flux généré par l'émetteur optique.
La description qui va suivre sera faite en référence à cette position de récupération maximale de flux, pour simplification, bien que cette position représentée soit temporaire en raison du déplacement relatif entre l'organe codeur et le transducteur optique.
L'émetteur optique et le récepteur optique peuvent faire l'objet de diverses variantes de réalisation.
Selon une première variante de réalisation, l'émetteur optique est formé simplement d'un élément photoémissif, tandis que le récepteur optique est formé simplement d'un élément photoréceptif.
Selon une seconde variante de réalisation, l'émetteur optique est formé d'un élément photoémissif associé à une première fibre optique, tandis que le récepteur optique est formé d'un élément photoréceptif associé à une seconde fibre optique. Dans ce cas, l'élément photoémissif et l'élément photoréceptif sont placés respectivement en regard d'une première extrémité des fibres optiques, tandis que les secondes extrémités des fibres optiques sont placées en regard des surfaces de réflexion prévues sur l'organe codeur.
L'émetteur optique et le récepteur optique sont représentés et référencés schématiquement E et R sur les figures 1 à 6.
Les ouvertures optiques de l'émetteur optique E et du récepteur optique R sont référencées A et B respectivement. Ces ouvertures
A et B sont de préférence identiques. Elles sont centrées sur des axes e et r qui seront dénommés par la suite "axe de l'émetteur optique" et "axe du récepteur optique".
Premier mode de réalisation représenté sur la figure 1.
Selon le premier mode de réalisation, chaque surface de réflexion est définie par un miroir concave 10 dont une section droite, coplanaire aux axes e et r, est délimitée par un secteur de cercle.
Le sommet du miroir 10 est référencé S et son centre est référencé C.
L'émetteur optique et le récepteur optique sont symétriques par rapport au centre C, plus précisément par rapport à la droite CS, et sont rapprochés du centre C. Les axes e et r sont sensiblement parallèles à la droite CS.
Ainsi, si l'émetteur optique E et le récepteur optique R sont accolés et que le rayon de ceux-ci est faible par rapport à la distance CS, on est en condition de stigmatisme approché : l'image est symétrique de l'objet par rapport au centre C.
Le récepteur optique R récupère alors quasi intégralement le flux lumineux généré par l'émetteur optique, après une simple réflexion sur le miroir 10.
Les axes e et r, symétriques de CS, sont de préférence inclinés, par rapport à cette droite CS, d'un angle D tel que
Sin D = rayon de E ou R
CS
Deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 2.
Selon le deuxième mode de réalisation, chaque surface de réflexion est définie par un miroir concave 20 dont une section droite, coplanaire aux axes e et r, est délimitée par deux secteurs de cercle 21, 22.
Les sommets des miroirs élémentaires 21 et 22 sont référencés S1 et S2, et leurs centres sont référencés C1 et C2.
Les rayons SlCl et S2C2 des miroirs élémentaires 21 et 22 sont de préférence identiques.
Les droites SlCl et S2C2 sont de préférence orthogonales.
Les miroirs 21 et 22 peuvent être accolés.
Cependant, comme représenté sur la figure 2, les miroirs 21 et 22 peuvent être reliés par une génératrice 23 généralement parallèle à une droite reliant les centres C1 et C2.
Le miroir 20 présente une symétrie par rapport à un plan P bissecteur de l'angle formé par les droites SlCl et 52C2 et orthogonal à la droite C1-C2.
L'émetteur optique E et le récepteur optique R sont symétriques par rapport à ce plan P. Plus précisément, l'émetteur optique E et le récepteur optique R ont de préférence leurs axes e et r sensiblement parallèles entre eux, soit à 450 respectivement de SlCl et S2C2.
Ainsi, le faisceau centré sur e généré par l'émetteur optique E est renvoyé après une première réflexion sur le miroir élémentaire 21, vers le miroir élémentaire 22, en étant centré autour d'une droite parallèle à
C1-C2. Il est renvoyé par le second miroir élémentaire 22, parallèlement à sa direction d'incidence, vers le récepteur optique R.
En réalité, le calcul montre que l'on ne peut obtenir un faisceau intermédiaire rigoureusement parallèle à l'aide d'un miroir de type cylindrique (ou sphérique) utilisé à 450 de son axe optique.
En pratique, il faut donc optimiser la valeur du rayon des miroirs élémentaires 21 et 22 à l'aide d'un logiciel de calcul optique : par exemple après avoir calculé les rayons R1 et R2 requis pour deux limites opposées de l'ouverture de l'émetteur et du récepteur, on peut partir d'une valeur comprise entre R1 et R2 et rechercher la valeur de R donnant un flux lumineux maximal en entrée de la fibre réceptrice.
Troisième mode de réalisation représenté sur la figure 3
Selon le troisième mode de réalisation, chaque surface de réflexion est définie par un miroir concave 30 dont une section droite, coplanaire aux axes e et r, est délimitée par deux secteurs de parabole 31, 32. Les foyers des miroirs élémentaires 31 et 32 sont référencés F1 et F2.
De préférence, les courbures des deux miroirs élémentaires 31, 32 sont identiques. Les miroirs 31 et 32 peuvent être accolés. Cependant, comme représenté sur la figure 3, les miroirs 31 et 32 peuvent être reliés par une génératrice 33 généralement parallèle à une droite reliant les foyers Fl et F2.
Le miroir 30 présente une symétrie par rapport à un plan P orthogonal à la droite reliant les foyers F1 et F2. L'émetteur optique E et le récepteur optique R sont symétriques par rapport à ce plan P. Plus précisément, l'émetteur optique E et le récepteur optique R sont placés respectivement au foyer F1 et au foyer F2 des deux miroirs élémentaires 31, 32. Leurs axes e et r sensiblement parallèles entre eux sont également parallèles au plan de symétrie P.
Ainsi, le faisceau centré sur e généré par l'émetteur optique E est renvoyé après une première réflexion sur le miroir élémentaire 31, vers le miroir élémentaire 32, sous forme d'un faisceau parfaitement parallèle, centré sur une droite parallèle à F1-F2, quelle que soit l'ouverture A de l'émetteur optique E. Le faisceau est ensuite focalisé par le second miroir élémentaire 32 sur le foyer F2 donc sur le récepteur optique R, et ce avec la même ouverture optique que l'émetteur optique E.
On notera que le plan P de symétrie représenté sur la figure 3 est parallèle aux directrices des deux secteurs de parabole 31, 32 et équidistant de celles-ci.
Quatrième mode de réalisation représenté sur la figure 4
Selon le quatrième mode de réalisation, chaque surface de réflexion est définie par un miroir concave 40 dont une section droite, coplanaire aux axes e et r, est délimitée par un secteur d'ellipse. Les foyers du secteur d'ellipse 40 sont référencés F1 et F2. Les centres d'émission et de réception de l'émetteur optique E et du récepteur optique
R sont placés respectivement aux foyers F1 et F2. Les axes e et r sont par ailleurs symétriques par rapport au petit axe p de l'ellipse. Ces axes e et r s'intersectent au niveau du point de rencontre du petit axe p et de l'ellipse 40. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 4, les émetteur et récepteur optiques E et R n'ont donc pas leurs axes e et r parallèles.
Dans le cadre de ce quatrième mode de réalisation, le faisceau centré sur e généré par l'émetteur optique E est donc renvoyé par un miroir concave 40, après réflexion unique, et focalisé sur le récepteur optique R.
Cinquième mode de réalisation représenté sur la figure 5
Selon le cinquième mode de réalisation, chaque surface de réflexion est définie par un miroir concave 50 dont une section droite, coplanaire aux axes e et r, est délimitée par deux secteurs d'ellipses 51, 52.
L'un des deux foyers de chacun des secteurs d'ellipses 51, 52 est confondu.
Ce foyer confondu est référencé F3 sur la figure 5. Les deux autres foyers respectifs des deux miroirs élémentaires elliptiques 51, 52 sont référencés F1 et F2.
Les miroirs élémentaires 51, 52 sont symétriques par rapport à un plan P passant par le foyer confondu F3 et orthogonal à une droite reliant les foyers F1 et F2. L'émetteur optique E et le récepteur optique R sont placés respectivement au niveau des foyers F1 et F2. Les axes e et r de l'émetteur optique E et du récepteur optique R sont par ailleurs symétriques par rapport au plan P. De préférence, ces axes e et r sont parallèles entre eux et parallèles au plan P.
Ainsi, le faisceau centré sur e généré par l'émetteur optique E est renvoyé après une première réflexion sur le miroir élémentaire 51 vers le second miroir élémentaire 52. Plus précisément, le faisceau renvoyé par le premier miroir 51 est focalisé sur le foyer F3. I1 atteint par conséquent le second miroir élémentaire 52 sous forme d'un faisceau divergent.
Toutefois, le second miroir élémentaire 52 focalise ce faisceau sur le foyer
F2 donc sur le récepteur optique R.
Sixième mode de réalisation représenté sur la figure 6
Selon le sixième mode de réalisation, chaque surface de réflexion est définie par un miroir concave 60 dont une section droite, coplanaire aux axes e et r, est délimitée par un secteur d'hyperbole convexe 61 et un secteur d'ellipse concave 62.
Selon la représentation donnée sur la figure 6, l'émetteur E est placé au niveau du foyer objet F1 du secteur d'hyperbole 61. Le foyer image 63 du secteur d'hyperbole 61 est confondu avec l'un des foyers du secteur d'ellipse 62. Le récepteur R est placé au second foyer F2 de l'ellipse.
L'homme de l'art comprendra ainsi aisément que le faisceau centré sur e généré par l'émetteur optique E est focalisé, après double réflexion respectivement sur le secteur d'hyperbole 61 et sur le secteur d'ellipse 62, sur le récepteur optique R, c'est-à-dire au niveau du foyer F2.
Bien entendu, la disposition de l'émetteur optique et du récepteur optique peut être inversée, c'est-à-dire que le récepteur optique
R peut être placé au niveau du foyer objet F1 du secteur hyperbolique 61, tandis que l'émetteur optique E peut être placé au niveau du second foyer
F2 du secteur d'ellipse 62.
Les différents miroirs 10 à 60 représentés sur les figures 1 à 6 peuvent être d'allure cylindrique, c' est-à-dire qu'ils peuvent être définis dans l'espace par une génératrice rectiligne s'appuyant sur la courbe représentée sur les figures 1 à 6.
Les surfaces réfléchissantes de l'organe codeur peuvent également être définies dans l'espace par des surfaces de révolution obtenues par rotation des courbes définies sur les figures 1 à 5 autour d'un axe colncidant avec l'intersection du plan de symétrie P et le plan de coupe des figures 1 à 5.
Les surfaces réfléchissantes de l'organe codeur ne sont cependant pas limitées aux deux dispositions précitées. La géométrie dans l'espace de ces surfaces réfléchissantes peut en effet être formée par toute combinaison des diverses sections représentées sur les figures 1 à 6.
Le capteur comprenant un organe codeur présentant des surfaces de réflexion conformes à l'une des dispositions représentées sur les figures 1 à 6 peut faire l'objet de nombreuses applications.
Comme indiqué précédemment, Organe codeur muni des surfaces de réflexion peut être mobile, tandis que le transducteur optique est fixe ; ou en variante l'organe codeur peut être fixe, tandis que le transducteur optique est mobile.
Le déplacement relatif entre le transducteur optique et l'organe codeur peut être un mouvement de translation.
On a par exemple représenté sur la figure 7, de façon schématique, un barreau 100 muni d'une série de surfaces de réflexion 102, et déplacé en translation dans une direction 104 en regard d'un transducteur optique comprenant un émetteur optique E et un récepteur optique R. De préférence, la direction de translation 104 est sensiblement orthogonale aux axes e et r de l'émetteur optique E et du récepteur optique
R. Là encore, différentes variantes peuvent être envisagées. Dans une première variante, la direction de translation 104 est coplanaire du plan défini par les axes e et r de l'émetteur optique E et du récepteur optique
R. Dans ce cas, les sections représentées schématiquement sur les figures 1 à 6 sont considérées parallèlement à la direction de translation 104.Selon une seconde variante, la direction de translation 104 est orthogonale au plan défini par les axes e et r de l'émetteur optique E et du récepteur optique R. Dans ce cas, les sections de surfaces réfléchissantes représentées sur les figures 1 à 6 sont considérées orthogonalement à la direction de translation 104.
Selon une autre application, comme représenté schématiquement sur les figures 8 à 10, les surfaces de réflexion 10 à 60 précitées peuvent être placées sur un élément 200 entraîné à rotation.
Comme représenté sur la figure 8, les surfaces de réflexion 202 peuvent être placées sur une face 204 orthogonale à l'axe de rotation 206 de l'élément 200. On a représenté schématiquement sur la figure 8 une fibre optique d'émission E et une fibre optique de réception R fixes placées en regard des surfaces de réflexion 202. Les axes e et r de l'émetteur optique E et du récepteur optique R sont alors sensiblement parallèles à l'axe de rotation 206.
Selon une autre variante représentée schématiquement sur la figure 9, les surfaces de réflexion 212 peuvent être prévues sur la surface périphérique de l'élément 200 entraîné à rotation autour de l'axe 206. Dans ce cas, les axes e et r de l'émetteur optique E et du récepteur optique R sont orientés sensiblement radialement par rapport à l'axe de rotation 206.
Les axes e et r de l'émetteur optique E et du récepteur optique R peuvent définir un plan orthogonal à l'axe de rotation 206, ou encore un plan passant par l'axe 206.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit.
Ainsi par exemple, comme représenté schématiquement sur la figure 10, on peut envisager d'associer l'émetteur optique E à deux récepteurs optiques R10, R20 placés respectivement et symétriquement de part et d'autre de l'émetteur optique E.
Le capteur optique décrit précédemment peut être utilisé soit en tant que capteur de vitesse, soit en tant que capteur de position pour un élément déplacé en rotation ou en translation.

Claims (22)

REVENDICATIONS
1. Capteur optique du type comprenant - un organe codeur (100, 200) pourvu de surfaces de réflexion (10, 20, 30,
40, 50, 60), - un transducteur optique comportant
un émetteur optique (E) dirigeant un faisceau lumineux sur les surfaces
de réflexion, et
un récepteur optique (R) apte à détecter le faisceau lumineux renvoyé
par les surfaces de réflexion, caractérisé par le fait que les surfaces de réflexion (10, 20, 30, 40, 50, 60) sont délimitées au moins en partie par au moins une conique.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les surfaces de réflexion (10, 20, 30, 40, 50, 60) sont délimitées au moins en partie par au moins une courbe choisie dans le groupe comprenant : les ellipses, les paraboles, les hyperboles et les cercles.
3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que émetteur optique (E) et le récepteur optique (R) comprennent des fibres optiques.
4. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les surfaces réfléchissantes (10, 40) sont conçues pour renvoyer le faisceau issu de l'émetteur optique (E) vers le récepteur optique (R) par réflexion unique.
5. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les surfaces réfléchissantes (20, 30, 50, 60) sont conçues pour renvoyer le faisceau issu de l'émetteur optique (E) vers le récepteur optique (R) par double réflexion.
6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le faisceau intermédiaire est un faisceau parallèle entre les deux réflexions sur les surfaces réfléchissantes (20, 30).
7. Capteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le faisceau intermédiaire est un faisceau non parallèle entre les deux réflexions sur les surfaces réfléchissantes (50, 60).
8. Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les surfaces réfléchissantes (10) en section droite ont la forme d'un secteur de cercle unique.
9. Capteur selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'émetteur et le récepteur optiques (E et R) sont rapprochés du centre (C) des surfaces réfléchissantes (10) et symétriques d'une droite (CS) reliant leur centre à leur sommet.
10. Capteur selon la revendication 8 ou 9, caractérisé par le fait que les axes (e, r) de l'émetteur et du récepteur optiques (E, R) sont symétriques et inclinés par rapport à une droite (CS) reliant leur centre à leur sommet.
11. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, 5 et 6, caractérisé par le fait que les surfaces réfléchissantes (20) en section droite comprennent deux secteurs de cercle (21, 22) de courbure identique, symétriques par rapport à un plan P orthogonal à une droite passant par leurs centres respectifs (C1, C2).
12. Capteur selon la revendication 11, caractérisé par le fait que les axes (e, r) de l'émetteur et du récepteur optiques (E, R) sont disposés sensiblement à 45" de droites reliant respectivement le sommet (S1, S2) des secteurs de cercle (21, 22) à leurs centres (C1, C2).
13. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, 5 et 6, caractérisé par le fait que les surfaces réfléchissantes (30) en section droite comprennent deux secteurs de parabole symétriques (31, 32) et que l'émetteur et le récepteur optiques (E, R) sont placés respectivement aux foyers (F1, F2) de ces secteurs (31, 32).
14. Capteur selon la revendication 13, caractérisé par le fait que les axes (e, r) de l'émetteur et du récepteur optiques (E, R) sont parallèles aux directrices des secteurs de parabole (31, 32).
15. Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les surfaces réfléchissantes (40) en section droite comprennent un secteur d'ellipse et que l'émetteur et le récepteur optiques (E, R) sont placés respectivement aux foyers (F1, F2) de ce secteur.
16. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, 5 et 7, caractérisé par le fait que les surfaces réfléchissantes (50) en section droite comprennent deux secteurs d'ellipse (51, 52) ayant un foyer confondu (F3) tandis que l'émetteur et le récepteur optiques (E, R) sont placés respectivement au niveau des seconds foyers de ces secteurs.
17. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, 5 et 7, caractérisé par le fait que les surfaces réfléchissantes (60) en section droite comprennent un secteur d'hyperbole (61) et un secteur d'ellipse (62) ayant un foyer confondu (F3) tandis que l'émetteur et le récepteur optiques (E, R) sont placés respectivement au niveau des seconds foyers de ces secteurs.
18. Capteur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les axes (e, r) des fibres sont sensiblement parallèles.
19. Capteur selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait que l'organe codeur (100, 200) est mobile, tandis que le transducteur optique (E, R) est fixe.
20. Capteur selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait que l'organe codeur (100, 200) est fixe, tandis que le transducteur optique (E, R) est mobile.
21. Capteur selon la revendication 19 ou 20, caractérisé par le fait que l'organe mobile est déplacé à translation.
22. Capteur selon la revendication 19 ou 20, caractérisé par le fait que l'organe mobile est déplacé à rotation.
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