FR2876791A1 - Multimetre electro-optique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un multimètre électro-optique permettant la mesure de différentes grandeurs physiques à l'aide d'un ou plusieurs faisceaux optiques.Il comporte :- au moins une source optique (EM) commandable électriquement et capable d'émettre au moins un faisceau lumineux comportant une ou plusieurs longueurs d'ondes,- au moins un détecteur optique (DEC) capable de détecter un signal lumineux aux dites longueurs d'ondes et de fournir au moins un signal de tension électrique de détection,- une base de temps permettant de cadencer et mettre en phase les sources et les détecteurs.- une unité de traitement (UT) permettant de traiter ledit signal électrique de détection et de fournir un signal de mesure,- un dispositif de commande (CC) permettant de commander en cohérence la source optique, le détecteur optique et l'unité de traitement en fonction de la grandeur à mesurer.Applications: Mesures physiques

Description

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L'invention concerne un multimètre électrooptique c'est-à-dire un appareil de mesure permettant de mesurer des caractéristiques optiques de différents milieux et/ou de mesurer certaines grandeurs physiques sans contact entre l'appareil et le milieu à mesurer. Cet appareil est d'usage très général et est à l'optique et l'optoélectronique ce qu'est un multimètre électrique à l'électricité et l'électronique.

L'objet de l'invention est de réaliser un appareil compact qui permette de faire différents types de mesures qui sont habituellement réalisées par des appareils différents. C'est ainsi que l'appareil de l'invention permet de remplir les différentes fonctions suivantes: - Fluxmètre et Luxmètre Wattmètre, photomètre - Densitomètre optique, réflectomètre Spectrophotomètre - Lambda-mètre, colorimètre, spectromètre Gonio-spectro-photomètre, - Gonio-réflectomètre, réfractomètre Brillance-mètre, Diffusimètre - Polarimètre circulaire/linéaire Contrôleur de fibres optiques dont OTDR - Ecartomètre, profilomètre de faisceau - Capteur de distance, épaisseur - Capteur de position, vitesse Banc de test de composants optoélectroniques.

L'invention fournit donc, pour remplir toutes ces fonctions, un seul appareil. Ce qui permet d'avoir un instrument plus économique plutôt que d'avoir plusieurs 2876791 2 appareils et ce qui est plus souple d'utilisation pour l'utilisateur.

L'invention concerne donc un multimètre électrooptique permettant la mesure de différentes grandeurs physiques à l'aide d'un ou plusieurs faisceaux optiques. Ce multimètre comporte: - au moins une source optique commandable électriquement et capable d'émettre au moins un faisceau lumineux comportant une ou plusieurs longueurs d'ondes, - au moins un détecteur optique capable de détecter un signal lumineux à ladite ou aux dites longueurs d'ondes déterminées et de fournir au moins un signal de tension électrique de détection représentant ce signal lumineux, - une horloge commandant le fonctionnement en synchronisme de la source optique et du détecteur, - une unité de traitement permettant de traiter ledit signal électrique de détection et de fournir un signal de mesure, - un dispositif de commande permettant de commander en cohérence la source optique, le détecteur optique et l'unité de traitement en fonction de la grandeur à mesurer, - une interface de communication transmettant 25 ledit signal de mesure à l'extérieur et recevant des commandes de l'extérieur.

Le dispositif de commande permet de commander en synchronisme la source optique et le détecteur optique et un dispositif à retard est utilisé pour ajuster en phase la commande de la source et la lecture du détecteur.

Le dispositif de commande permet aussi de commander le détecteur pour que celui-ci fournisse des signaux électriques de détection associés à différentes gammes de longueurs d'ondes.

2876791 3 Avantageusement, le dispositif de commande permet de commander l'unité de traitement pour que celle-ci fournisse en échange des signaux électriques de détection soit un signal de mesure global, soit un signal de mesure pour chaque gamme de longueurs d'ondes.

Il est également prévu que le dispositif de commande permet de commander l'unité de traitement pour que celle-ci fournisse un signal de mesure par longueur d'onde reçue.

Par ailleurs, l'interface de communication avec l'extérieur peut être un dispositif d'affichage comportant un afficheur alphanumérique, un afficheur matriciel ou tout autre appareil périphérique relié audit multimètre par liaison filaire, radio ou infrarouge.

Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, la source optique comporte une pluralité de sources élémentaires commandées individuellement, chacune d'elles étant commandée par un dispositif de commande et de régulation pour émettre un faisceau élémentaire à une longueur d'onde ou gamme de longueurs d'ondes déterminées.

Chaque source élémentaire est de préférence alimentée par un courant électrique issu d'un circuit de conversion tension/courant, lequel reçoit un signal de tension d'un convertisseur numérique/analogique qui est piloté par un signal sous forme numérique issu de l'unité de traitement.

De même, le détecteur peut comporter une pluralité de détecteurs élémentaires permettant de détecter chacun un faisceau à une longueur d'onde ou gamme de longueurs d'ondes déterminées.

Chaque détecteur élémentaire fournit, normalement un signal sous forme de courant électrique à un circuit de conversion courant/tension, lequel fournit un signal de tension à un convertisseur analogique/numérique qui 2876791 4 fournit ledit signal de détection sous forme numérique à l'unité de traitement).

Multimètre selon l'invention peut comporter des détecteurs pour détecter la lumière réfléchie par un échantillon et des détecteurs pour détecter la lumière transmise par ledit échantillon.

Selon une variante de réalisation de l'invention, la pluralité de sources élémentaires et la pluralité de détecteurs élémentaires sont connectées directement à l'unité de traitement ou lui sont connectées par des câbles électriques amovibles.

Par ailleurs, il est prévu un multiplexeur optique recevant les faisceaux élémentaires émis par les différentes sources élémentaires et émettant ainsi un faisceau multi longueurs d'ondes sur un même canal de sortie. De plus, un démultiplexeur optique reçoit un faisceau multi longueurs d'ondes et le répartit sur différents faisceaux de sorties conduisant aux détecteurs élémentaires.

Selon une forme de réalisation, le multiplexeur optique et/ou lé démultiplexeur optique comportent chacun une fibre optique véhiculant un faisceau multi longueurs d'ondes et comportant des réseaux de Bragg permettant de coupler la fibre aux sources élémentaires et/ou aux détecteurs élémentaires respectivement pour différentes longueurs d'ondes.

Selon une autre forme de réalisation, le multiplexeur optique et/ou le démultiplexeur optique comportent un réseau de diffraction, au moins un miroir concave ou une lentille réfractive et au moins deux fibres optiques pour véhiculer les faisceaux lumineux émis par les différentes sources ou les faisceaux illuminant les différents détecteurs élémentaires.

Dans ce cas, le multiplexeur et/ou le démultiplexeur peut mettre en uvre un faisceau de fibres 2876791 5 optiques arrangées en ligne à l'extrémité placée du côté du réseau de diffraction et arrangées de façon concentrique à l'extrémité placée du côté de la source ou du détecteur de façon à adapter l'étendue géométrique de ces derniers à celle du multiplexeur/démultiplexeur.

Selon une autre forme de réalisation, le multiplexeur optique et le démultiplexeur optique comportent au moins deux miroirs à couches multidiélectriques ou à réseau de Bragg fonctionnant à des angles d'incidences différents et une lentille réfractive ou réflective permettant de coupler une fibre optique véhiculant un faisceau multi longueur d'onde vers au moins deux autres fibres optiques véhiculant un faisceau à une longueur d'onde ou gamme de longueur d'ondes déterminées.

Il peut être prévu qu'un seul multiplexeur/démultiplexeur optique soit utilisé pour mélanger les faisceaux élémentaires émis par les différentes sources élémentaires vers un canal d'entrée/sortie véhiculant un faisceau multi longueurs d'onde et pour extraire de ce même canal les différents faisceaux à des longueurs d'ondes ou plages de longueurs d'ondes déterminées conduisant aux détecteurs élémentaires.

Les différents objets caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un diagramme de liaisons général du multimètre électro- optique selon l'invention, - la figure 2, un exemple de réalisation du multimètre selon l'invention, - les figures 3a et 3b, des variantes de 35 réalisation du multimètre de la figure 2, 2876791 6 la figure 4a, une autre variante de réalisation, - la figure 4c, des formes de réalisation plus complètes du multimètre selon l'invention, les figures 5a à 8, différentes formes de réalisation de multiplexeurs et démultiplexeurs optiques en longueurs d'ondes utilisables dans le multimètre selon l'invention, - la figure 9, une tête optique pour goniomètre, - la figure 10, un exemple de circuit de régulation des sources optiques, - la figure 11, un système selon l'invention permettant d'explorer une surface d'un matériau.

En se reportant à la figure 1, on va donc tout d'abord décrire un exemple de diagramme de liaisons d'un multimètre électro-optique selon l'invention.

Ce multimètre comporte: - une source optique multi-longueurs d'onde EM commandée électriquement, - un détecteur optique sélectif en longueurs d'ondes DEC capable de fonctionner en synchronisme avec la source optique EM, - une horloge HO et une ligne à retard programmable DEL, - une unité de traitement UT qui peut être, par exemple, un terminal de type PC ou PDA, permet de traiter les informations fournies par le détecteur DEC, un dispositif de commande CC permettant de commander le fonctionnement de la source optique EM, du détecteur DEC et du circuit électronique de traitement.

Comme cela sera expliqué plus en détail ultérieurement, le dispositif de commande CC, activé par un utilisateur, commande l'émission appropriée, par la source optique, de longueurs d'ondes lumineuses. Il 2876791 7 commande également le fonctionnement approprié en sensibilité et durée d'intégration du détecteur DEC.

La source lumineuse EM est capable d'émettre plusieurs longueurs d'ondes. Elle peut donc être constituée par un ensemble de sources optiques élémentaires. L'ensemble des faisceaux émis par ces sources élémentaires est multiplexé sur un même canal et émet par un dispositif d'émission EV un faisceau fl vers un milieu à mesurer ECH.

En réponse, le détecteur reçoit un faisceau f2 de longueurs d'ondes éventuellement différentes collecté par un dispositif de réception DE. Ces différentes longueurs d'ondes sont démultiplexées et transmises au détecteur DEC.

La figure 2 représente un mode de réalisation dans lequel la source lumineuse EM comporte, à titre d'exemple, trois sources élémentaires EM1, EM2, EM3 émettant à des longueurs d'ondes différentes et le détecteur comporte trois détecteurs élémentaires DEC1, DEC2, DEC3 permettant de détecter ces longueurs d'ondes différentes.

Les sources élémentaires sont commandées par des convertisseurs numériques/analogiques DAC1 à DAC3 et des convertisseurs tension/courant de commande AE1 à AE3 qui permettent de commander l'intensité d'émission des différentes sources élémentaires. Selon l'exemple de réalisation de la figure 2, les convertisseurs tension/courant sont commandés par le dispositif de commande CC.

Du côté détection, les détecteurs élémentaires sont connectés à des convertisseurs analogiques/numériques ADC1 à ADC3 par des convertisseurs courant/tension AD1 à AD3 de façon à transmettre les signaux de détection des détecteurs sous forme numérique à l'unité de traitement UT.

2876791 8 Le dispositif de commande CC possède notamment: - un dispositif de commande CCEM permettant de commander sélectivement les circuits d'émission (les convertisseurs tension/courant de commande AE1 à AE3) des différents émetteurs élémentaires, - un dispositif de commande CCU permettant de commander l'unité de traitement, - un dispositif de commande CCD permettant de commander le fonctionnement des circuits de détection (les convertisseurs courant/tension AD1 à AD3). Cependant, ces derniers peuvent être également commandés par l'unité de traitement sous la commande du dispositif CCU. Dans la suite de la description on va considérer que la commande des détecteurs se fait par l'intermédiaire de l'unité de traitement UT.

De même, selon une variante de réalisation de l'invention non décrite, les sources optiques pourraient être commandées par l'unité de traitement sous la commande du dispositif de commande CCEM.

On va décrire différents exemples de fonctionnement du multimètre selon l'invention: - Fluxmètre: La mesure de flux lumineux (en W ou lumen) suppose que la répartition spectrale est connue d'où l'utilisation de détecteurs optiques sélectifs en longueurs d'ondes qui permettent d'estimer celle-ci. Un nombre restreint de valeurs (entre 10 et 50) dans le spectre visible par exemple suffit pour prendre en compte la réponse spectrale du détecteur (Silicium par exemple) et donner une valeur assez précise du flux lumineux collecté sur la face d'entrée des détecteurs.

Si l'utilisateur désire que le multimètre fonctionne en fluxmètre, il commande, par le dispositif CCU et l'unité de traitement UT, le fonctionnement des convertisseurs courant/tension AD1 à AD3 de façon à 2876791 9 détecter toutes les longueurs d'ondes et il commande (éventuellement) le non fonctionnement, par le dispositif de commande CCEM, des convertisseurs tension/courant AE1 à AE3 de façon que les sources élémentaires EM1 à EM3 n'émettent pas. Le multimètre va donc mesurer l'intensité reçue par le dispositif de réception DE toutes longueurs d'ondes confondues. Le dispositif de commande CCU commande également l'unité de traitement UT pour qu'elle fasse la somme pondérée des intensités lumineuses détectées par les différents détecteurs élémentaires DEC1 à DEC3. Ces différents détecteurs sont préalablement calibrés pour estimer précisément les coefficients de pondération de chacun. L'unité de traitement UT fournit ensuite le résultat exprimé en lumen ou en Watt à l'utilisateur en l'affichant sur un dispositif DIS.

Selon un autre mode de fonctionnement, le dispositif de commande CCU peut commander l'unité de traitement pour qu'elle fournisse le flux lumineux à différentes longueurs d'ondes.

Il est à noter que le dispositif DIS peut être un écran de visualisation de type quelconque, une imprimante, ou même un micro-ordinateur qui peut afficher ou stocke ce résultat en vue d'un traitement ultérieur.

- Densitométrie: Le fonctionnement en densitomètre consiste à mesurer la densité optique en transmission d'un échantillon ECH en incidence normale dans une plage de longueur d'onde. La mesure s'exprime en densité optique de 0 à 8 typiquement. La configuration utilisable est soit une liaison optique en transmission au travers de l'échantillon soit avec les deux modules Emission/Réception. Le dispositif de commande CC active séquentiellement, à l'aide du dispositif de commande CCEM et des convertisseurs AE1 à AE3, les différentes sources EM1 à EM3. De plus, par le dispositif de commande CCU et 2876791 10 par l'unité de traitement UT, il commande à chaque commande d'une source, un des détecteurs DEC1 à DEC3dont la longueur d'onde de détection (ou la gamme de longueurs d'ondes) correspond à celle de la source.

Dans ce cas, il est peut être judicieux de faire au préalable une mesure sans l'échantillon pour faire le zéro en densité optique. A l'issue de cette mesure, la densité optique est mesurée sur des longueurs d'onde ou plages de longueurs d'onde déterminées - Réflectométrie: Ce fonctionnement est équivalent au précédent mais consiste à mesurer le coefficient de réflexion en incidence normale à différentes longueurs d'ondes. Une liaison optique avec un coupleur externe à fibre optique (Figure 3b) convient très bien pour cette mesure. Les modules d'émission/réception peuvent également être utilisés avec un écart angulaire non nul pour effectuer une mesure à un angle d'incidence déterminé.

- Mesure d'intensité lumineuse: La mesure d'intensité lumineuse ou d'éclairement (en W/cm2 ou lux) se déduit de la précédente en prenant en compte la surface de détection.

Lors de l'initialisation de l'unité de traitement UT (à la fabrication de l'appareil par exemple), les surfaces sensibles des détecteurs sont saisies dans l'unité de traitement UT. Lors d'une mesure, le dispositif de commande CCU permet de commander l'unité de traitement pour qu'elle calcule l'intensité lumineuse à partir des valeurs détectées par les détecteurs.

- Mesure de spectre ou de couleurs: Une mesure de spectre ou de couleur est réalisable sur un élément actif émettant un faisceau lumineux de couleur (écran de visualisation ou source lumineuse) en utilisant simplement la voie optique de détection. Le dispositif de commande CCEM commande le non 2876791 11 fonctionnement des sources lumineuses EM1 à EM3. Le dispositif de commande CCU et l'unité de traitement commandent le fonctionnement des détecteurs DEC1 à DEC3. De plus, le dispositif de commande CCU commande l'unité de traitement UT pour qu'elle indique les longueurs d'ondes détectées (c'est-à-dire les détecteurs ayant été sensibilisés).

Pour une mesure sur une surface passive ou en transmission au travers d'un matériau passif, la source optique multi-lambda ou un module d'émission doit être utilisé en complément. L'instrument se comporte ici comme un spectro-photomètre.

- Mesure de longueur d'onde ou Lambdamètre : La fonction de mesure de longueur d'onde ou Lambdamètre se déduit de la précédente en effectuant une recherche de maximum sur le spectre. Le dispositif de commande CCU donne donc l'ordre à l'unité de traitement pour qu'elle prenne en compte les niveaux des signaux détectés par les détecteurs.

- Mesures de fluorescence: Les mesures de fluorescence consistent à exciter un matériau dans une certaine plage de longueurs d'onde (bleu, vert typiquement) et analyser la lumière émise par le matériau testé. Généralement, la lumière émise par ce matériau ainsi excité possède des longueurs d'ondes plus grandes (vert, rouge typiquement). Le multimètre électrooptique est parfaitement adapté à ce genre de cas. Il suffit que le dispositif de commande CCEM active une ou plusieurs sources EM1 à EM3 correspondant au pic d'absorption du matériau à analyser et commande par le dispositif CCU et l'unité de traitement UT, à l'aide des détecteurs DEC1 à DEC3, la détection des longueurs d'onde ou plages de longueurs d'onde correspondant à l'émission de fluorescence du dit matériau.

2876791 12 - Diagramme de rayonnement d'une source lumineuse: Le diagramme de rayonnement d'une source lumineuse, d'une surface ou d'un matériau volumique peut se mesurer avec une voie d'émission (fibre optique ou module d'émission) et plusieurs voies de réception (ruban de fibres optiques ou module de réception avec barrette de détection).

Le dispositif de commande CCEM commande le fonctionnement de une ou plusieurs sources lumineuses et le dispositif de commande CCU commande le fonctionnement de différents détecteurs. Par construction, l'unité de traitement UT connaît les positions des différents détecteurs par à la (ou les source(s). L'unité de traitement est donc capable de calculer les angles de réflexion de la lumière.

La répartition angulaire de l'intensité lumineuse permet de déterminer l'état de surface, sa texture, sa périodicité spatiale, sa brillance, sa réflectivité...

Une tête optique telle que décrite en relation avec la figure 9 pourra être utilisée.

Une version plus élaborée prenant en compte la polarisation et la longueur d'onde permet d'en déduire des informations plus détaillées comme les paramètres d'un empilement de couches minces, il s'agit alors de la technique dite d'ellipsométrie spectroscopique. Il faut alors adjoindre des polariseurs aux extrémités des fibres et faire l'analyse spectrale sur chaque voie.

- Mesures de contraintes: Les mesures de contraintes dans un matériau élasto-optique comme du verre ou du plastique sont possibles en mesurant la biréfringence ou le pouvoir rotatoire de la zone de mesure. Connaissant l'épaisseur de cette zone, sa nature (coefficient élastooptique), on remonte à la valeur de contrainte interne ou à la 2876791 13 concentration d'un produit chiral dans un liquide. Le multimètre électrooptique permet de faire ces mesures en transmission ou réflexion. L'agilité en longueur d'onde et la possibilité de faire également une mesure d'épaisseur locale (voir ci-après) sont des atouts appréciables. Pour la mesure de pouvoir rotatoire, il est intéressant d'utiliser 2 voies de mesure en réception associées à un cube séparateur de polarisation. Une grande dynamique de détection (70dB par exemple) permet d'obtenir une grande précision sur la rotation de polarisation (0,1 ). Les couples de source EM et détecteur DEC correspondant à la même plage de longueur d'onde sont activés séquentiellement pour estimer la biréfringence à différentes longueurs d'onde permettant d'en déduire la contrainte du matériau.

- Mesures dimensionnelles Des mesures dimensionnelles combinables avec celles décrites précédemment sont également réalisables avec le multimètre électro-optique proposé. La mesure de distance ou d'épaisseur tout d'abord en utilisant une optique d'extrémité dispersive et l'agilité en longueur d'onde en émission/réception. La dispersion chromatique de l'illumination sur l'axe et la mesure de la répartition spectrale de l'intensité réfléchie permet de déduire une distance ou une épaisseur du matériau analysé. Une information de position latérale peut être calculée avec une voie en émission et quelques voies de réception si la surface à mesurer présente une texture suffisamment diffusante (principe de la souris optique).

Si ce n'est pas le cas, la tête optique du multimètre peut être solidaire d'un bras articulé ou d'un chariot mobile d'une table XYZ indexé spatialement. La commande des sources et détecteurs peut être soit séquentielle par longueurs d'onde ou plages de longueurs d'onde soit simultanée sur toutes les plages de longueurs d'onde.

2876791 14 - Test de composants émetteurs de lumière: Le multimètre électro-optique permet de tester simplement et efficacement la plupart des composants optoélectroniques usuels: LED, laser semi-conducteur, photodiode (Silicium, GaInAs, Pyro, simple, APD ou amplifiée), capteurs de proximité ou fourches optos, modulateurs électro-optique (cristal liquide ou autre), isolateur Faraday, fibres optiques, MEMS optiques... Pour cela, les modules d'émission et de réception sont prévus pour connecter respectivement des sources ou des détecteurs. Le multimètre est donc équipé de connexions électriques telles que cxl et cx2 visibles sur la figure 4b.

Ces moyens de mesure peuvent aisément être 15 associés à un banc de contrôle automatisé (mesure sous pointe_).

Système d'exploration optique: Pour réaliser une exploration optique d'un milieu, on prévoit une sonde optique telle que représentée en figure 11. Cette sonde comporte plusieurs fibre F10 à Fln émettant chacune un faisceau à une longueur d'onde X1 déterminée. Ces faisceaux sont focalisés par des lentilles L10 à Lln sur ou dans le milieu à analyser ECH. Comme cela sera décrit en se reportant à la figure 3b, chaque fibre F10 à Fln peut être utilisée pour émettre la lumière fournie par une source optique et pour capter la lumière transmise (ou réfléchie) par le milieu ECH et pour retransmettre cette lumière vers un détecteur optique. En déplaçant l'ensemble de la sonde on peut donc réaliser une exploration à la longueur d'onde Al. Pour réaliser cette exploration à l'aide de plusieurs longueurs d'ondes, la sonde peut comporter plusieurs plans, tel que Pl, de fibres optiques et de lentilles. Le plan P2 de fibres optiques fonctionnera à une longueur d'onde À2, le plan 2876791 15 P3 fonctionnera à une longueur d'onde À3, etc.Les figures 3a et 3b représentent des modes de réalisations de l'invention dans lesquels l'émission et la réception optiques se font par fibres optiques. Pour cela, à l'émission, un multiplexeur MUX reçoit les différents faisceaux lumineux émis par la source lumineuse EM, c'est-à-dire par les différentes sources lumineuses élémentaires EM1 à EM2, et les transmet sur une même fibre optique FE. L'extrémité libre de la fibre FE permet d'émettre le faisceau lumineux fl vers le milieu à mesurer. Du côté détection un démultiplexeur DEMUX reçoit le faisceau lumineux f2 par une fibre FD dont une extrémité est dirigée vers le milieu à mesurer. Le démultiplexeur DEMUX fournit des faisceaux lumineux qui sont démultiplexés en longueurs d'ondes et transmet à chaque détecteur élémentaire du dispositif de détection DEC, un faisceau lumineux à une longueur d'onde ou gamme de longueurs d'ondes déterminée.

Eventuellement des éléments optiques peuvent 20 équiper les extrémités des fibres FE et FD qui sont dirigées vers le milieu à mesurer.

Sur la figure 3b, les fibres FE et FD sont raccordées à un coupleur optique CO qui permet d'émettre et de recevoir les faisceaux fl et f2 sur une même voie optique.

La figure 3c représente une variante de réalisation du multimètre dans lequel le détecteur DECr est couplé par le démultiplexeur DEMXr au coupleur CO. Ce détecteur permet de détecter la lumière réfléchie par l'échantillon ECH. Il est prévu un deuxième détecteur DECt connecté à l'unité de traitement UT par le convertisseur courant/tension ADCt et le convertisseur analogique/numérique ADt. Le détecteur DECt est couplé à une fibre FDt par un démultiplexeur DEMUXt. Une extrémité de la fibre est dirigée vers le milieu à mesurer ECH.

2876791 16 Selon l'exemple de la figure 3c, le détecteur DCEr permet de détecter le faisceau f2 réfléchi par le milieu ECH et le détecteur DCEt permet de détecter le faisceau f3 transmis par le milieu ECH.

Selon une autre forme de réalisation de l'invention, les parties optiques du multimètre peuvent être déportées du multimètre par des câbles électriques assurant une liaison analogique depuis l'entrée ou la sortie des amplificateurs tension/courant ou une liaison numérique en amont des convertisseurs numérique/ analogique. La figure 4a représente un tel mode de réalisation avec une liaison analogique.

La source optique EM multi longueurs d'onde comportant plusieurs sources élémentaires est raccordée par un câble électrique CXE à un amplificateur tension/courant AE. De même le dispositif de détection optique DE est raccordé par un câble CXD à l'amplificateur courant/tension AD. Le multimètre fournit pour cela une sortie électrique cxl pour la connexion du câble CXE et une sortie électrique cx2 pour la connexion du câble CXD respectivement au convertisseur tension/courant AE et au convertisseur courant/tension AD.

La figure 4b représente un multimètre regroupant les formes de réalisation des figures 1 et 4a permettant de l'utiliser soit avec une source optique (chaîne d'émission DAC-AE-EM) et un dispositif de détection optique intégrés dans le multimètre (chaîne de détection ADC-AD- DEC), soit avec une source optique EM' et un dispositif de détection optique externes DEC' connectés par des câbles électriques aux sorties électriques cxl et cx2 qui sont reliées respectivement à la chaîne d'émission DAC'-AE'-EM' et à la chaîne de détection ADC'- AD'-DEC'.Selon une variante de réalisation représentée en figure 4c, les parties du multimètre déportées par les 2876791 17 câbles électriques CXE et CXD sont connectées directement à l'unité de traitement et comportent donc les chaînes d'émission DAC'-AE'-EM' et de détection ADC'-AD'-DEC'. Cette disposition permet d'effectuer en signaux numériques les transmissions électriques entre l'unité de traitement et les parties déportées.

Comme cela a été décrit précédemment, la source optique EM peut comporterplusieurs sources élémentaires émettant des faisceaux de longueurs d'onde différentes.

Ces faisceaux doivent être multiplexés pour être transmis sur un même canal (ou support). On utilise pour cela un multiplexeur MUX (voir figures 3a et 3b). De même, le multimètre reçoit un faisceau comportant plusieurs longueurs d'onde et doit répartir celles-ci sur les différents détecteurs élémentaires du dispositif de détection DEC. Pour cela on utilise un démultiplexeur DEMUX (voir figures 3a et 3b).

Le multimètre de la figure 4b pourrait également comporter plusieurs chaînes de détection, comme cela a été décrit en relation avec la figure 3c, pour mesurer la lumière réfléchie par un milieu à mesurer et la lumière transmise par ce milieu.

En se reportant à la figure 5a, on va décrire un exemple de réalisation d'un multiplexeur qui présente l'avantage d'être compact et donc de s'intégrer facilement dans un multimètre ce qui est intéressant pour un multimètre portatif. Ce multiplexeur comporte principalement un miroir concave muni d'une structure de réseaux RZ orientée de façon que, éclairé par les différents faisceaux aux différentes longueurs d'onde émis par les sources élémentaires de la source optique, il réfléchit ces différents faisceaux vers la fibre FF. Sur la figure 5a, on a considéré que la source optique émet la lumière vers le miroir concave RZ par un réseau de fibres optiques FE.

2876791 18 On peut prévoir également que la source optique comporte plusieurs barrettes de sources élémentaires juxtaposées. Dans ce cas les fibres FE qui transmettent la lumière de ces sources vers le miroir concave peuvent être disposées sous forme d'une matrice comme cela est représenté en figure 5b pour optimiser la sélectivité spectrale d'une part et l'efficacité de couplage avec la source (LED typiquement) d'autre part.

On peut également prévoir qu'au lieu d'avoir qu'une seule fibre FF, on a un ensemble de fibres qui peuvent être aussi disposées en nappe tel que cela est représenté sur la partie droite de la figure 5b.

L'extrémité ffl de l'ensemble de fibres est destinée à éclairer le milieu à mesurer, on peut donc avoir intérêt à regrouper ces fibres sous forme compacte comme cela est représenté sur la figure 5c.

Le démultiplexeur DEMUX des figures 3a et 3b peut être réalisé de la même façon. Il faut alors considérer que le sens de la lumière est inversé par rapport à ce qui est indiqué sur la figure 5a. A la place de la source optique EM, on a le dispositif de détection DEC.

La figure 6a représente une variante de réalisation du multiplexeur de la figure 5a dans laquelle le réseau de réflexion RZ est conçu pour réfléchir la lumière émise par les fibres FEl et FE2 vers la ou les fibres FF. Cela permet de doubler l'efficacité du système dans le cas où le réseau RZ n'est pas blasé.

La figure 6b représente un multiplexeur dans le quel le dispositif de réflexion RZ est remplacé par deux miroirs diélectriques permettant de réfléchir chacun la lumière autour de deux longueurs d'onde particulières X1 et À2. Une lentille L permet de collimater le faisceau issu de la fibre FF vers les miroirs, puis de focaliser les faisceaux réfléchis vers les fibres FE1 et FE2.

2876791 19 La figure 6c représente une architecture montrant la connexion entre le multiplexeur MUX et les différentes sources EM1, EM2, ... d'une part, d'autre part entre le démultiplexeur DEMUX et les différents détecteurs DEC1, DEC2,...

Bien entendu, les multiplexeurs des figures 5a à 6b peuvent fonctionner en démultiplexeur en inversant le sens de propagation de la lumière.

La figure 7a représente un multiplexeur utilisant une fibre optique FBE. Dans cette fibre ont été enregistrés des réseaux de Bragg BEl, BE2, ... permettant de diffracter, selon l'axe de la fibre, de la lumière venant de l'extérieur de la fibre. Différentes sources optiques S1, S2, ... sont disposées le long de la fibre et éclairent chacune un réseau de Bragg. Chaque réseau de Bragg a été enregistré pour diffracter la lumière à la longueur d'onde de la source qui lui transmet de la lumière. Ainsi, la lumière émise par les différentes sources est multiplexée sur la même fibre FBE.

La figure 7b représente un démultiplexeur conçu de façon symétrique au multiplexeur de la figure 7a. la fibre FBD comporte des réseaux de Bragg BD1, BD2, permettant d'extraire de la fibre, vers des détecteurs Dl, D2, .

, de la lumière circulant dans la fibre à des longueurs d'ondes particulières...DTD: La figure 8a représente un multiplexeur comportant en série des miroirs concaves MC1 et MC2 et un réseau de diffraction RH. Différentes sources optiques émettent des faisceaux à des longueurs d'ondes différentes vers le miroir concave MC1 qui collimate ces faisceaux vers le réseau de diffraction RH. Celui-ci superpose les différents faisceaux qu'il reçoit et les transmet au miroir concave MC2 qui focalise la lumière sur l'entrée d'une fibre optique FO. Comme précédemment, 2876791 20 un tel multiplexeur fonctionne en démultiplexeur par inversion du sens de propagation de la lumière.

Les figures 8b et 8c représentent des formes de réalisation plus simples de dispositifs fonctionnant en multiplexeurs et démultiplexeurs optiques. Le dispositif de la figure 8b comporte un réseau de diffraction RT, qui éclairé par différentes sources lumineuses EM émettant à différentes longueurs d'ondes, permet de superposer les faisceaux qu'il reçoit. Le faisceau transmis par le réseau RT est focalisé par une lentille sur l'entrée d'une fibre optique Fo.Le dispositif de la figure 8c est similaire à celui de la figure 8b à la différence que le réseau de diffraction RR fonctionne en réflexion. Les faisceaux lumineux émis par les différentes sources EM sont réfléchis et superposés par le réseau de diffraction RR. La lentille L3 focalise le faisceau résultant sur l'entrée de la fibre otique FO.

Bien entendu, ces dispositifs fonctionnent en démultiplexeurs en considérant une circulation inverse de 20 la lumière dans ces dispositifs.

La figure 9 représente une tête optique pour la fonction de goniospectrophotomètre permettant d'analyser la diffusion, la diffraction et/ou la brillance d'un milieu et notamment d'une surface. Cette tête optique comporte une pièce TOG présentant une surface concave SP, de forme sphérique par exemple. Cette surface SP comporte au moins un émetteur de lumière EM permettant d'éclairer le milieu ECH à analyser ainsi qu'une pluralité de capteurs de lumière DEC1, DEC2, ... répartis sur cette surface. L'émetteur de lumière peut être une source lumineuse multi longueurs d'onde ou une extrémité de fibre optique permettant d'émettre un faisceau lumineux vers le milieu à analyser. Les capteurs peuvent être des détecteurs optiques ou des extrémités de fibres 2876791 21 permettant de conduire la lumière captée vers des détecteurs.

La tête optique est plaquée contre le milieu à analyser comme cela est représenté en figure 9. La surface du milieu ECH est donc éclairée par l'émetteur optique EM. Le milieu ECH, réfléchit, diffuse ou diffracte la lumière dans différentes directions qui dépendent des longueurs d'ondes contenues dans le faisceau d'éclairement et les capteurs DEC1 à DECn permettent d'indiquer les directions selon lesquelles la lumière est renvoyée par le milieu ECH.

Certaines mesures effectuées par le multimètre nécessitent la mesure des flux lumineux reçus par les détecteurs optiques. Il convient donc soit de réguler les flux lumineux émis par les sources optiques soit de mesurer ces flux pour corriger les mesures faites par les détecteurs.

Sur la figure 10, l'invention prévoit d'associer à chaque source optique EM contrôlée en courant CI ou en tension CT par des amplificateurs ACI ou ACT, une sonde de température ST, une sonde de mesure du flux lumineux SF et un dispositif de mesure de courant SI (alimentation de la source optique EM).

Les indications de mesures de ces dispositifs sont transmis par des amplificateurs AST, ASI et ASFà l'unité de traitement (UT sur la figure 2) pour réguler en conséquence les courants ou tensions d'alimentation des sources optiques EM.

Selon une variante de réalisation de l'invention, on prévoit également de prélever une partie de la lumière émise par la source optique pour connaître l'intensité du flux émis. Par exemple, le multiplexeur de la figure 7a comporte un réseau de Bragg BEO orientée de façon à extraire une partie du flux lumineux émis par les sources S1 à S3 et pour extraire cette partie de flux vers un 2876791 22 détecteur DO qui permettra de donner une valeur dO de flux émis.

Claims (1)

1. 23 REVENDICATIONS

   1. Multimètre électro-optique permettant la mesure de différentes grandeurs physiques à l'aide d'un ou plusieurs faisceaux optiques, caractérisé en ce qu'il comporte: au moins une source optique (EM) commandable électriquement et capable d'émettre au moins un faisceau lumineux comportant une ou plusieurs longueurs d'ondes, au moins un détecteur optique (DEC) capable de détecter un signal lumineux à ladite ou aux dites longueurs d'ondes déterminées et de fournir au moins un signal de tension électrique de détection représentant ce signal lumineux, une horloge (HO) commandant le fonctionnement en synchronisme de la source optique et du détecteur, - une unité de traitement (UT) permettant de traiter ledit signal électrique de détection et de fournir un signal de mesure, - un dispositif de commande (CC) permettant de commander en cohérence la source optique, le détecteur optique et l'unité de traitement en fonction de la grandeur à mesurer, - une interface de communication (DIS) transmettant ledit signal de mesure à l'extérieur et recevant des commandes de l'extérieur.

   2. Multimètre électro-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande permet de commander en synchronisme la source optique et le détecteur optique, un dispositif à 15 30 2876791 24 retard étant utilisé pour ajuster en phase la commande de la source et la lecture du détecteur.

   3. Multimètre électro-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande permet de commander le détecteur pour que celui-ci fournisse des signaux électriques de détection associés à différentes gammes de longueurs d'ondes.

   4. Multimètre électro-optique selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif de commande (CC) permet de commander l'unité de traitement (UT) pour que celle-ci fournisse en échange des signaux électriques de détection soit un signal de mesure global, soit un signal de mesure pour chaque gamme de longueurs d'ondes.

   5. Multimètre électro-optique selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif de commande (CC) permet de commander l'unité de traitement (UT) pour que celle-ci fournisse un signal de mesure par longueur d'onde reçue.

   6. Multimètre électro-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interface de communication avec l'extérieur est un dispositif d'affichage comportant un afficheur alphanumérique, un afficheur matriciel ou tout autre appareil périphérique relié au dit multimètre par liaison filaire, radio ou infrarouge.

   7. Multimètre électro-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source optique (EM) comporte une pluralité de sources élémentaires (EM1 à EM3) commandées individuellement, chacune d'elles étant commandée par un dispositif de commande et de régulation pour émettre un faisceau élémentaire à 2876791 25 une longueur d'onde ou gamme de longueurs d'ondes déterminées.

   8. Multimètre électro-optique selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque source élémentaire (EM1 à EM3) est alimentée par un courant électrique issu d'un circuit de conversion tension/courant (AE1 à AE3), lequel reçoit un signal de tension d'un convertisseur numérique/analogique (DAC1 à DAC3) qui est piloté par un signal de commande sous forme numérique issu de l'unité de traitement (UT).

   9. Multimètre électro-optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur comporte une pluralité de détecteurs élémentaires (DEC1 à DEC3) permettant de détecter chacun un faisceau à une longueur d'onde ou gamme de longueurs d'ondes déterminées.

   10. Multimètre électro-optique selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque détecteur élémentaire fournit un signal sous forme de courant électrique à un circuit de conversion courant/tension (AD1 à AD3), lequel fournit un signal de tension à un convertisseur analogique/numérique (ADC1 à ADC3) qui fournit ledit signal de détection sous forme numérique à l'unité de traitement (UT).

   11. Multimètre électro-optique selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'il comporte des détecteurs pour détecter la lumière réfléchie par un échantillon (ECH) et des détecteurs pour détecter la lumière transmise par ledit échantillon (ECH).

   12. Multimètre électro-optique selon l'une des revendications 8 ou 10, caractérisé en ce que la pluralité de sources élémentaires et la pluralité de détecteurs élémentaires sont connectés directement à 2876791 26 l'unité de traitement (UT) ou lui sont connecté par des câbles électriques amovibles.

   13. Multimètre électro-optique selon les revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte un multiplexeur optique recevant les faisceaux élémentaires émis par les différentes sources élémentaires et émettant ainsi un faisceau multi longueurs d'ondes sur un même canal de sortie, et/ou en ce qu'il comporte un démultiplexeur optique recevant un faisceau multi longueurs d'ondes et le répartissant sur différents faisceaux de sorties conduisant aux détecteurs élémentaires.

   14. Multimètre électro-optique selon la revendication 13, caractérisé en ce que le multiplexeur optique et/ou le démultiplexeur optique comportent chacun une fibre optique véhiculant un faisceau multi longueurs d'ondes et comportant des réseaux de Bragg permettant de coupler la fibre aux sources élémentaires et/ou détecteurs élémentaires respectivement pour différentes longueurs d'ondes.

   15. Multimètre électro-optique selon la revendication 14, caractérisé en ce que le multiplexeur optique et/ou le démultiplexeur optique comportent un réseau de diffraction, au moins un miroir concave ou une lentille réfractive et au moins deux fibres optiques pour véhiculer les faisceaux lumineux émis par les différentes sources ou les faisceaux illuminant les différents détecteurs élémentaires.

   16. Multimètre électro-optique selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un faisceau de fibres optiques arrangées en ligne à l'extrémité placée du côté du réseau de diffraction et arrangées de façon concentrique à l'extrémité placée du côté de la source ou du 2876791 27 détecteur de façon à adapter l'étendue géométrique de ces derniers à celle du multiplexeur/démultiplexeur.

   17. Multimètre électro-optique selon la revendication 13, caractérisé en ce que le multiplexeur optique et le démultiplexeur optique comportent au moins deux miroirs à couches multidiélectriques ou à réseau de Bragg fonctionnant à des angles d'incidences différents et une lentille réfractive ou réflective permettant de coupler une fibre optique véhiculant un faisceau multi longueur d'onde vers au moins deux autres fibres optiques véhiculant un faisceau à une longueur d'onde ou gamme de longueur d'ondes déterminées.

   18. Multimètre électro-optique selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'un seul multiplexeur/démultiplexeur optique est utilisé pour mélanger les faisceaux élémentaires émis par les différentes sources élémentaires vers un canal d'entrée/sortie véhiculant un faisceau multi longueurs d'onde et pour extraire de ce même canal les différents faisceaux à des longueurs d'ondes ou plages de longueur d'onde déterminées conduisant aux détecteurs élémentaires.