SYSTEME OPTIQUE BASE SUR FIBRES OPTIQUES A RESEAU INCLINE
L'invention concerne un système optique et plus particulièrement un système de transmission optique de type « Vampire » sur fibre optique, son application à des systèmes de mesure optique, des systèmes de communication et à des systèmes d'illumination.
Dans les systèmes de transmission sur fibres optiques connus dans la technique, l'injection d'un signal optique dans une fibre optique ou son extraction se fait par les extrémités de la fibre en recourant à des coupleurs. Pour l'injection ou l'extraction en cours de
- fibre, on doit donc interrompre les fibres pour accéder à des extrémités de fibres. La figure la représente l'état de l'art d'un multiplexeur/démultiplexeur en longueurs d'onde dit « DWDM » tel qu'il est pratiqué en télécommunications optiques. L'invention fournit un système permettant d'injecter et d'extraire un signal optique dans le parcours d'une fibre sans avoir à l'interrompre car les points de couplage peuvent être prévus n'importe où le long de la fibre. De plus, le système de transmission optique selon l'invention est plus intégré car la fonction de multiplexage/démultiplexage spectral est réalisée in situ dans la fibre optique.
L'invention concerne également l'instrumentation optique. La plupart des instruments optiques requièrent une source de lumière, des coupleurs optiques, un photo détecteur et un système électronique de prétraitement du signal pour effectuer la mesure soit en transmission pour le système de la figure lb, soit en réflexion pour celui de la figure le.
Les instruments optiques ainsi concernés sont des photomètres, polarimètres, goniomètres, spectro- photomètres... Les systèmes d'imagerie fonctionnent aussi sur ce principe (endoscope, microscope...) , le détecteur contient un grand nombre de pixels indépendants pour extraire une image c'est à dire une information bidimensionnelle de la grandeur optique mesurée.
Les sources lumineuses continues utilisées généralement dans les instruments optiques sont en fait des corps chauds montés à très haute température, ce sont des sources thermiques constituées d'un filament métallique chauffé par le passage d'un courant électrique
(Lampes Halogènes...) ou par un arc électrique dans une atmosphère à basse pression (Vapeur de Mercure, Xénon...) . Ces sources présentent les inconvénients suivants :
Consommation électrique et dissipation thermique importantes nécessitant souvent des moyens lourds de refroidissement par ventilation ou par liquide, - Faible durée de vie (100 à lOOOh)
Instabilité temporelle du flux lumineux
Grande surface émissive d'où une étendue géométrique importante
Difficulté pour la modulation du flux lumineux, il faut adjoindre un modulateur électromécanique ou électro-optique.
Encombrement important.
Les sources lumineuses impulsionnelles utilisées dans certains instruments optiques sont aussi des lampes à arc électrique dans une atmosphère de gaz à basse
pression (Vapeur de Mercure, Xénon...) . Ces sources présentent les inconvénients suivants :
- Durée de vie médiocre (1 000 à 10 000 h)
Grande surface émissive d'où une étendue géométrique importante
Difficulté pour régler le facteur de forme de l' impulsion
Perturbations électromagnétiques
Encombrement important . Ainsi, il apparaît nettement que les systèmes usuels ne sont pas optimisés pour l'utilisation en instrumentation optique qui requière les caractéristiques idéales suivantes :
Puissance lumineuse de quelques μW ou mW couplée dans une fibre optique (cœur lOOμm à 1mm) ,
Spectre continu ou de raies dans l'UV, le visible ou le proche IR (0.3μm à 2μm) ,
Stabilité temporelle et bruit inférieurs à 1%,
Déclenchement et modulation par un signal électrique extérieur à haute fréquence (100kHz à
1MHz) .
Faible consommation électrique ne nécessitant pas de refroidissement par ventilation ou par liquide, - Grande durée de vie : 10 OOOh à 100 OOOh,
Faible surface émissive pour une faible étendue géométrique, entre 1 000μm2.sr et 10 000μm2.sr
permettant un couplage efficace dans des fibres optiques multimodes,
Pas de perturbations électromagnétiques sur l'environnement immédiat, - Encombrement réduit .
L'invention fournit un système présentant ces avantages et en mettant en œuvre de préférence des diodes électroluminescentes (LED) , superluminescentes (SLD) ou des lasers semi-conducteurs (LD) de petites dimensions
(puce de lOOμm x 300μm x 300μm typiquement) comparables à celles des fibres optiques.
L'invention concerne donc système optique comprenant au moins une fibre optique comportant au moins un premier et un deuxième ensemble de réseaux de diffraction photo-induit dans le matériau de la fibre. Les pas des strates d' indice des réseaux du premier ensemble de réseaux sont adaptés pour diffracter la lumière à une longueur d' onde déterminée et les pas des strates d'indice des réseaux du deuxième ensemble de réseaux sont adaptés pour diffracter la lumière à une autre longueur d'onde déterminée. Chaque réseau de diffraction est incliné par rapport à l'axe de la fibre optique de façon à diffracter de la lumière qui circule selon la direction de la fibre optique vers l'extérieur de la fibre.
L'invention concerne également un système de transmission optique appliquant le système optique précédent. Ce système comporte au moins un premier et un deuxième réseau de diffraction photo induit dans le
matériau de la fibre, au moins une première et une deuxième source optique émettant respectivement au moins à une première et à une deuxième longueur d' onde et étant couplées respectivement au premier et au deuxième réseau de diffraction. Les pas des strates d'indice du premier et du deuxième réseau de diffraction sont adaptés pour diffracter la lumière respectivement à la première et à la deuxième longueur d'onde, chaque réseau de diffraction étant incliné par rapport à l'axe de la fibre optique de façon à diffracter la lumière qu' il reçoit de la source optique qui lui est couplée selon la direction de la fibre optique. Ce système de transmission comporte également au moins un troisième et un quatrième réseau de diffraction appartenant respectivement au première et au deuxième ensemble de réseaux ainsi qu'au moins un premier et un deuxième détecteur optique capables de détecter de la lumière respectivement à ladite première et à ladite deuxième longueur d' onde et étant couplés respectivement au troisième et au quatrième réseau de diffraction Les pas des strates d' indice du troisième et du quatrième réseau de diffraction sont adaptés pour diffracter la lumière respectivement à la première et à la deuxième longueur d'onde, chaque réseau de diffraction étant incliné par rapport à l'axe de la fibre optique de façon à diffracter de la lumière qui circule selon la direction de la fibre optique vers le détecteur optique qui lui est couplé.
Dans ce qui précède, on a prévu que les réseaux de diffraction sont individuels, mais on peut également les prévoir sous la forme d'un seul réseau tel qu'un réseau à pas variable.
Selon une variante de réalisation de l'invention, on prévoit une pluralité de fibres optiques placées côte à côte, les sources optiques étant arrangées sous forme d'une matrice et étant couplées optiquement chacune à un réseau de diffraction d'une fibre. Dans le cas d'un système comportant des détecteurs optiques, on prévoit la même disposition.
L' invention est applicable dans les systèmes de communication optique. Dans ce cas on prévoit le long d'une même fibre des systèmes de transmission possédant des sources optiques couplées à la fibre par les réseaux de diffraction ainsi que des systèmes de transmission possédant des détecteurs optiques couplés également à la fibre par les réseaux de diffraction. Dans de tels systèmes, la fibre peut être prévue en anneau, ce qui permet de pallier des coupures éventuelles de la fibre. Dans ce cas, il est avantageux de prévoir des sources optiques supplémentaires et des détecteurs optiques supplémentaires disposés symétriquement des sources optiques et des détecteurs optiques précédents par rapport à l'axe de la fibre et des réseaux de diffraction associés de manière à émettre ou recevoir la lumière quelle que soit son sens de circulation dans la fibre.
L'invention est également applicable à des systèmes de mesure. On prévoit alors dans une zone d'une fibre et agencés en série le long de cette fibre un premier système de transmission comportant des sources optiques et un deuxième système de transmission comportant des détecteurs optiques. Une première longueur d'onde et une deuxième longueur d'onde du premier système de transmission doivent être égales respectivement à une
première longueur d' onde et à une deuxième longueur d'onde du deuxième système de transmission. Une extrémité de la fibre est orientée vers un milieu à mesurer.
Selon une variante de réalisation, le premier système de transmission est réalisé dans une zone d'une première fibre dont une extrémité est orientée vers un milieu à mesurer. Le deuxième système de transmission est réalisé dans une zone d'une deuxième fibre dont une extrémité est également orientée vers ledit milieu à mesurer de façon à collecter de la lumière transmise par la première fibre au milieu à mesurer. La première longueur d' onde et la deuxième longueur d' onde du premier système de transmission sont égales respectivement à la première longueur d'onde et à la deuxième longueur d'onde du deuxième système de transmission par exemple.
L' invention est également applicable à un système de mesure de niveau d'un liquide. Une première zone d'une fibre comporte un premier système de transmission muni de sources optiques ainsi qu'un deuxième système de transmission muni de détecteurs optiques. Une deuxième zone de la fibre est destinée à être immergée de préférence verticalement dans un liquide contenu dans une cuve comportant une série d' au moins deux réseaux de diffraction de pas différents ou un réseau de diffraction à pas variable. Une première longueur d'onde et une deuxième longueur d' onde du premier système de transmission sont égales respectivement à une première longueur d' onde et à une deuxième longueur d' onde du deuxième système de transmission. Les pas d'un premier réseau (RMl) et d'un deuxième réseau (RMn) de la série de réseaux de diffraction sont adaptés pour diffracter la lumière
respectivement à la première et à la deuxième longueur d' onde émise par une source (El, E2) ou reçue de la cuve.
Dans ces systèmes de mesure, il est prévu un circuit de commande d'émission des sources optiques, un circuit de lecture des détecteurs optiques, un circuit de traitement permettant en fonction de l'instant de commande des sources optiques et des résultats de détection des détecteurs optiques, de calculer une valeur de mesure correspondant par exemple à une détection synchrone, à une normalisation par rapport à un signal de référence, un filtrage ou moyennage .
Pour des applications en goniométrie, on prévoit un premier système de transmission dont des extrémités d'émission d'une nappe de fibres sont disposées selon une surface, telle qu'une sphère ou un plan, ou selon une courbe, telle qu'une droite ou un plan, et sont dirigées vers un point de référence, et un système de transmission dont des extrémités de réception d'une nappe de fibres sont disposées également selon une surface ou une courbe et sont dirigées sensiblement vers le même point de référence .
Enfin, l'invention est applicable à des systèmes d'illumination prévoyant dans une première zone d'au moins une fibre, un système de transmission muni de sources optiques et dans une deuxième zone de ladite fibre plusieurs emplacements de points diffusants ou de réseaux de diffraction d'extraire la lumière de la fibre dans différentes directions.
Une réalisation intéressante peut prévoir une alternance d'emplacements de réseaux de diffraction permettant de diffracter la lumière à des longueurs
d'ondes différentes. Un système de commande permet alors un fonctionnement séquentiel des différentes sources optiques .
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 la, un système de transmission optique par multiplexage en longueurs d' onde selon l'état de l'art;
• Les figures lb et le, des systèmes de mesure optique connus dans la technique et décrits précédemment ;
• Les figures 2a à 2e, un système de transmission optique selon l'invention fonctionnant en émission ;
• La figure 2f montre une méthode d'enregistrement d'un réseau de diffraction.
• Les figures 3a à 3c, des systèmes de transmission optique selon l'invention fonctionnant en réception ;
• Les figures 4a et 4d, des systèmes de transmission optique bidirectionnelle ;
• Les figures 5a à 5c, des systèmes de mesure optique des caractéristiques d'un milieu ou d' un matériau ;
La figure 6, une application de l'invention à un appareil de mesure de niveau de liquide.
• Les figures 7a et 7b, une application de l'invention à un spectro-photomètre multivoies en ligne en transmission et en réflexion.
La figure 8, une application de l'invention à un gonio-spectro-photomètre en réflexion.
• Les figures 9-a et 9b, une application de l'invention à une guirlande lumineuse multi- couleurs et à effet de propagation.
En se reportant à la figure 2a, on va tout d' abord décrire un système de transmission selon l'invention pour sa partie fonctionnant en émission. Selon l'invention, on réalise par photo-inscription plusieurs réseaux de diffraction dans le matériau d'une fibre optique 1. Par exemple, on réalise trois réseaux Ezl, Ez2 et Ez3 orientés à 45°. A chaque réseau est couplé optiquement une source optique El, E2, E3 émettant chacune à une longueur d'onde précise (laser) ou dans une bande relativement large (led, sld) . Chaque réseau de diffraction Ezl à Ez3 est conçu pour diffracter une certaine tranche spectrale de la lumière qu' il reçoit de la source qui lui est couplée ~vers l'intérieur de la fibre et donc sensiblement selon l'axe de la fibre.
Des fibres optiques dopées au germanium puis traitées par hydrogénation sont connues pour présenter
une certaine photosensibilité dans l'UV. Comme cela est représenté sur la figure 2f, chaque réseau est photoinduit à l'aide de deux faisceaux (UV1 et UV2) collimatés et cohérents faisant entre eux un certain angle 2A pour créer un champ d'interférences lumineuses IL de période spatiale Λ=λuv/2sin (A) dont les franges sont planes et perpendiculaires à PI . La fibre optique 1 étant exposée à ce champ d' interférences transforme les franges lumineuses IL en strates d' indices de même période spatiale Λ. L'inclinaison d'environ 45° du plan d'incidence PI par rapport à l'axe de la fibre y génère un réseau de Bragg dont le vecteur d' onde K à la même orientation de 45° permettant l'injection, dans le cœur de la fibre, de la lumière provenant de la source optique associée au réseau de diffraction. Un tel système permet d'injecter dans la fibre optique selon le sens de la flèche EF, plusieurs faisceaux de longueurs d'onde différentes ou de bandes spectrales disjointes. On constate que la lumière émise par la source El à la longueur d'onde λl et diffractee vers l'intérieur de la fibre 1 par le réseau de diffraction Ezl n'est pas affectée lors de sa transmission au travers des réseaux de diffraction Ez2 et Ez3. Il en est de même pour les autres longueurs d'onde. Pour être plus quantitatif, nous précisons qu'avec un réseau de diffraction Ezl orienté à 45° dans une fibre en silice (n=1.45), le pas Λl vaut environ λl/2 et la largeur de bande spectrale δλ vaut environ 0.7λl2/Ll si Ll est la longueur du réseau Ezl projetée sur l'axe de la fibre. Ainsi pour un réseau Ezl de 350μm de longueur Ll, la largeur spectrale δλl est
d'environ 2nm à une longueur d'onde λl de lμm. Cela signifie que ce réseau est totalement transparent pour les longueurs d'onde λ en dehors de l'intervalle δλl centré autour de λl . La figure 2b représente un mode de fixation de la fibre 1 et des sources optiques. La fibre avec ces réseaux de diffraction Ezl à Ez3 pré-enregistrés est fixée, par collage ou soudure par exemple, dans une rainure 20 en forme de V pratiquée dans une pièce support 2. Sur la face supérieure 21 de la pièce support sont fixées, par collage ou soudure par exemple, les sources optiques El à E3 de telle façon que leur zone émissive soit dirigée sensiblement vers l'axe de la fibre et plus précisément vers leur réseau de diffraction associé. Pour cela, on pourra prévoir une cale d'épaisseur appropriée éventuellement conductrice sous chaque source comme cela est représenté en figure 2c. La face 21 peut servir avantageusement de support aux circuits électroniques de commande des sources optiques El à E3 ainsi qu'à leurs interconnexions. On pourra prévoir également au besoin une micro-optique de couplage LE1 (micro-lentille, selfoc... sphérique ou cylindrique) entre la source et la fibre optique comme cela est représenté sur la figure 2c.
Les figures 2d et 2e représentent respectivement en vue de dessus et en coupe une nappe NF de fibres optiques placées côte à côte, couplée optiquement à une matrice d'émetteurs EM constituée d'éléments tels El, E2... arrangés en lignes et en colonnes. Il est ainsi possible de piloter en émission un grand nombre de longueurs d'onde sur chaque fibre à l'aide de réseaux tels Ezl,
Ez2... associés aux émetteurs El, E2... Ces derniers peuvent être des diodes électroluminescentes (leds) identiques de spectre relativement large ou des lasers
(Vcels) , les réseaux Ezl, Ez2 permettant de prélever des raies étroites aux longueurs d'onde λl, λ2...
La figure 3a représente un système de transmission optique fonctionnant en réception. Comme précédemment, la fibre optique comporte des réseaux de diffraction tels que Rzl, Rz2, Rz3. A chaque réseau est couplé optiquement un détecteur optique RI, R2, R3 capable de détecter la lumière diffractee. Chaque réseau de diffraction Rzl à Rz3 est conçu pour diffracter la lumière transmise sur la fibre à une longueur d'onde particulière vers le détecteur optique qui lui est couplé. Cela veut dire que chaque réseau a été photoinduit de manière à avoir l'efficacité souhaitée sur la longueur d'onde ou la plage de longueurs d'onde souhaitée sur le détecteur associé selon la même technique que celle décrite ci-dessus pour l'émission. La fibre optique ainsi traitée permet l'extraction sans interruption physique de la fibre, et vers un détecteur optique, de la lumière aux dites longueurs d'onde ou plages de longueurs d'onde. Les réseaux Rzl, Rz2, Rz3 sont prévus pour diffracter respectivement la lumière aux longueurs d'onde λl, λ2, λ3. On constate, comme précédemment, que la lumière, à la longueur d'onde λl, par exemple, circulant dans la fibre selon la flèche RF n'est pas perturbée pas les réseaux de diffraction Rz2 et Rz3 et est diffractee par le réseau Rzl vers le détecteur RI. Il en est de même pour les autres longueurs d'onde.
La fixation des détecteurs optiques face aux réseaux de diffraction pourra se faire avec des dispositions analogues à celles des figures 2b et 2c.
La figure 3b représente un système de transmission fonctionnant en réception dans lequel les différents réseaux de diffraction sont réalisés sous la forme d'un seul réseau à pas variable RS1 (réseau « shirpé » en terminologie anglo-saxonne) . La lumière circulant selon la flèche RF est progressivement diffractee dans le réseau de diffraction selon les longueurs d'onde qu'elle contient. Dans cette forme de réalisation, les détecteurs optiques sont réalisés sous la forme d'une barrette RMl qui est convenablement positionnée par rapport au réseau de diffraction RSl de façon que chaque élément de détection de la barrette puisse recevoir une longueur d'onde appropriée. Une micro-optique de couplage peut permettre une adaptation particulière avec un grandissement approprié entre le réseau RSl et la barrette RMl par exemple.. Un deuxième réseau RS2 associé à une barrette RM2 peut être également mis en œuvre pour étendre la zone de mesure en augmentant ainsi le nombre de points de mesure ou en combinant deux technologies complémentaires de détecteur, par exemple Silicium pour la bande spectrale 0.2μm à 0.9μm et GalnAs pour la bande 0.9μm à 1.9μm.
Les figures 3c et 3d représente un exemple de réalisation dans lequel des fibres optiques placées côte à côte forment une nappe de fibres NR. Les fibres optiques sont couplées optiquement à une matrice de détecteurs optiques RM constituée d'éléments tels RI, R2... arrangés en lignes et en colonnes. Il est ainsi possible
de détecter un grand nombre de longueurs d'onde sur les différentes fibres de la nappe de fibres à l'aide de réseaux tels Rzl, Rz2... associés aux éléments récepteurs RI, R2... On va maintenant décrire différentes applications de l'invention. On va tout d'abord décrire l'application de l'invention à des systèmes de communications optiques.
La figure 4a concerne un système comprenant au moins une fibre optique, un premier et un deuxième réseau de diffraction « Bragg » Ezl et Rzl photo-induits dans le matériau de la fibre optique, un émetteur de lumière El et un détecteur Ri couplés optiquement respectivement au premier et au deuxième réseau de Bragg. Les pas des strates d' indices du premier et du deuxième réseau de Bragg sont identiques pour diffracter la lumière respectivement à la longueur d' onde λl choisie pour la transmission. Chaque réseau de Bragg est incliné à 45° environ par rapport à l'axe de la fibre optique de façon à diffracter de la lumière qui circule selon la direction de la fibre optique vers la source ou le détecteur optique qui lui est couplé. On prévoit également deux réseaux de diffraction Ez2 et Rz2 permettant de diffracter la lumière de longueur d'onde λ2 et un émetteur E2 ainsi qu'un récepteur R2 associés à ces réseaux de diffraction. Une transmission bidirectionnelle est ainsi obtenue avec 2 couples émetteur/récepteur fonctionnant à deux longueurs d'onde distinctes pour bien séparer les deux voies et avec des réseaux de diffraction convenablement orientés. Il est possible de transmettre autant de voies d'information que de longueurs d'ondes discernables par les réseaux de Bragg.
Il est possible également de réaliser une boucle optique comme représentée sur la figure 4b, en mettant en œuvre des émetteurs et récepteurs assurant une transmission bidirectionnelle. Dans ce cas, même si il y a une rupture de la boucle de la fibre optique, le réseau continue à fonctionner. La figure 4c montre un système de transmission bidirectionnelle utilisant un tronçon de fibre optique comprenant deux émetteurs-récepteurs E/R-A et E/R-B. La voie 1 correspond à une transmission de gauche à droite obtenue à l'aide de l'émetteur El-A et du récepteur Rl-B. La voie 2 correspond à une liaison de droite à gauche obtenue à l'aide de l'émetteur E2-B et du récepteur R2-A.
La figure 4d montre un système de transmission bidirectionnelle à double sens destiné à une boucle en fibre optique par exemple selon l'architecture présentée en figure 4b. Dans cette variante, on prévoit des émetteurs El' -A, E2'-B et des détecteurs Rl'-B et R2'-A symétriques respectivement des émetteurs El-A, E2-B et des détecteurs Rl-B et R2-A par rapport à l'axe de la fibre optique. Chaque couple d'émetteurs peut donc émettre dans les deux sens de la boucle et chaque couple de détecteurs peut détecter la lumière circulant selon les deux sens de la boucle. On va maintenant décrire différentes applications de ces systèmes de transmission optique.
La figure 5a représente un système de mesure dans lequel un système de transmission fonctionnant en émission tel que celui de la figure 2a et un système de transmission fonctionnant en réception tel que celui de
la figure 3a sont disposés sur la même fibre ou sont couplés à une même portion d'une fibre 1. Une extrémité de la fibre est orientée vers un milieu ou un matériau OB à mesurer de telle façon que ce milieu ou ce matériau réfléchisse vers la fibre de la lumière reçue de la fibre. Ainsi, un émetteur EM constitué des sources optiques El, E2, E3 émettant aux longueurs d'onde λl, λ2, λ3 transmet un faisceau lumineux contenant ces différentes longueurs d'onde au milieu OB. Selon la nature du matériau, certaines longueurs d' onde sont absorbées ou diffusées par le matériau, par contre certaines longueurs d' onde sont réfléchies vers la fibre 1. Les longueurs d'onde réfléchies sont transmises par la fibre vers les réseaux de diffraction Rzl, Rz2, Rz3 lesquelles diffractent ces longueurs d' onde vers les détecteurs optiques RI, R2, R3. Ceux-ci indiquent alors les longueurs d'onde réfléchies par le milieu OB et indiquent les intensités lumineuses réfléchies à ces différentes longueurs d'ondes. Un tel système de mesure permet alors d'analyser la nature du milieu OB.
La figure 5b représente une variante de réalisation du système de la figure 5a dans lequel le système de transmission fonctionnant en réception est tel que celui de la figure 3b avec un réseau de diffraction à pas variable RS et une barrette de détecteurs RM. Le fonctionnement de ce système est similaire à celui de la figure 5a.
La figure 5c représente un système de mesure dans lequel un système de transmission fonctionnant en émission éclaire un milieu OB, par une fibre 1E et une lentille de collimation LE, avec un faisceau lumineux
contenant les longueurs d'onde λl, λ2, λ3. Cette lumière traverse en principe le milieu OB. Selon la nature du milieu OB, certaines longueurs d'onde sont plus ou moins absorbées. Les autres longueurs d'onde sont plus ou moins transmises par la lentille de focalisation LR et la fibre 1R vers le système de transmission RE fonctionnant en réception. Les réseaux de diffraction Rzl à Rz3 diffractent les longueurs d'onde appropriées vers les détecteurs optiques RI à R3. Ceux-ci indiquent donc l'absorption par le milieu OB aux différentes longueurs d'onde. Un tel système peut donc être appliqué à l'analyse de matériaux. Il s'agit d'une mesure en transmission de l'objet OB conforme au principe rappelé sur la figure lb. La figure 6 représente un système de mesure du niveau d'un liquide.
Une portion de fibre est munie d'un système de transmission fonctionnant en émission et un système de transmission fonctionnant en réception. Une extrémité de la fibre est placée dans la cuve 60 contenant le liquide 61 dont on veut mesurer la hauteur du niveau 62. La longueur de la fibre susceptible d' être immergée dans le liquide possède de place en place des réseaux de diffraction RMl à RMn tenant lieu de « graduations » d'une jauge de mesure. Ces réseaux diffractent les différentes longueurs d'onde qu'ils reçoivent du système de transmission fonctionnant en émission vers l'interface de la fibre avec le liquide. La lumière diffractee par les réseaux RMl à RMn non immergés dans le liquide est réfléchie avec un coefficient de 4% correspondant à l'interface silice-air, une partie significative de cette
lumière revient sur le récepteur RE. La lumière diffractee par les réseaux RMl à RMn immergés et réfléchie par l'interface fibre-liquide est beaucoup plus faible, soit 1% dans le cas de l'eau. Ainsi, selon le niveau de liquide, les réseaux de diffraction RMl à RMn renverront vers le système de transmission fonctionnant en réception une certaine répartition de longueurs d' onde qui permettra ainsi de connaître le niveau du liquide dans la cuve. La figure 7a montre un système de mesure optique de type « spectro-photomètre multivoies » constitué d'un système d'émission tel que celui des figures 2d et 2e et d'un système de réception tel que celui des figures 3c et 3d. L'émetteur EM peut délivrer la même répartition de longueurs d' onde sur chaque fibre FI à Fn de la nappe d'émission (mode spectromètre) ou permettre d'en sélectionner certaines successivement (mode monochromateur) . Chaque zone Zl à Zn de l'objet OB est traversée par un faisceau collimaté à l'aide de mini- lentilles ML associées à chaque extrémité des fibres optiques de la nappe d'émission NE. De façon symétrique, chaque faisceau est focalisé par une mini-lentille dans une fibre de la nappe de réception NR. Le récepteur RM permet ainsi de mesurer la transmission optique en fonction de la longueur d' onde sur chacune des n voies de mesure .
La figure 7b décrit un système de mesure similaire à celui de la figure 7a mais fonctionnant en réflexion sur l'objet OB. L'émetteur EM et le récepteur RM sont placés sur la même nappe de fibres optiques NF.
Ce principe de l'invention mettant en œuvre des nappes de
fibres optiques et des émetteurs ou récepteurs matriciels permet d' effectuer des mesures optiques résolues spatialement et spectralement sans aucun mouvement mécanique. Il peut être décliné en de nombreuses versions : transmission ou réflexion, avec une répartition linéaire des voies, bidimensionnelle ou radiale. Notamment les extrémités des fibres portant les lentilles telles que ML peuvent être arrangées sous forme de matrices, par exemple, au lieu de nappes. La figure 8 montre notamment une tête de mesure goniométrique où les fibres optiques FI à Fn des nappes d'émission NE ou de réception NR ont leur extrémité arrangées selon une surface ou une courbe. Par exemple, sur la figure 8, elles sont arrangées dans un plan méridien d'une demi sphère DS . En sélectionnant électriquement l'un des émetteurs Ei associés à chaque fibre FI à Fn, on sélectionne un angle d' incidence AI particulier du faisceau illuminant la surface de l'objet OB et une longueur d'onde ou une plage spectrale. De même, la répartition angulaire selon AR du flux lumineux réfléchi ou diffusé par la surface de l'objet OB est analysée à l'aide de la nappe de fibres optiques NR et du détecteur associé RM pour chaque longueur d'onde ou plage spectrale détectable. De plus, l'unité de traitement associée au détecteur calcule par interpolation linéaire de nombreuses directions intermédiaires. Ainsi avec n fibres optiques, N niveaux d'intensité par récepteur, la résolution angulaire de la mesure goniométrique est d'environ 900°/ (n.N) soit par exemple 0.05° avec n=64 et N=256. Il s'agit bien d'un instrument de type gonio- spectro-photomètre sans aucun mouvement mécanique. Dans
une variante, on peut placer également des fibres optiques dans un plan méridien perpendiculaire au plan d'incidence pour observer la diffusion par exemple.
Dans le cas des figures 7a, 7b et 8, le système d'émission EM, le système de réception RM avec leurs circuits électroniques de commande et de traitement peuvent être intégrés dans un boîtier unique déporté de la tête de mesure en liaison optique par l'intermédiaire des nappes NE et NR ou NF.
La figure 9a est une application de l'invention pour réaliser une guirlande lumineuse sur un support en fibre optique. Un dispositif d'émission tel que EM est couplé à une extrémité de la fibre optique 1 le long de laquelle ont été réalisé des réseaux de Bragg alternativement Dzl, Dz2, Dz3, Dzl... Ces réseaux ont la propriété de diffracter et/ou de diffuser la lumière guidée dans la fibre perpendiculairement à celle-ci et dans un cône de demi angle assez grand (10 à 30°) les longueurs d'onde du Rouge, Vert et Bleu correspondant à celles des sources El, E2 et E3. Pour réaliser de tels réseaux, la méthode de photo-inscription décrite précédemment peut être utilisée en réalisant des réseaux à forte modulation d'indice et en les juxtaposant sur quelques millimètres. Pour assurer la symétrie de révolution du diagramme de rayonnement du réseau Dzl, la fibre optique peut être tournée autour de son axe et translatée entre chaque exposition. Il convient également d'adapter l'efficacité de ces réseaux pour que la lumière diffusée au fur à mesure de la propagation lumineuse dans la fibre soit homogène. Ainsi, une moindre efficacité de diffraction est requise au début de la propagation et une meilleure à la fin. Le circuit électronique de commande de l'émetteur EM permet de générer toutes sortes de
séquences temporelles des trois couleurs Rouge, Verte et Bleue (RVB) . On peut également réaliser dans la fibre optique des défauts achromatiques par micro usinage à l'aide d'un laser femto-seconde qui permet de réaliser au centre de la fibre des microstructures de quelques microns de dimension sans trop endommager mécaniquement la fibre. Celle-ci n'a pas besoin d'être photosensible et peut même être en matière plastique. Une variante de l'application « guirlande lumineuse sur fibre optique » est décrite en figure 9b. Elle comprend trois sources RVB identiques EM1, EM2 et EM3 associées chacune à une fibre FI, F2 et F3 respectivement. Ces fibres sont identiques à la fibre 1 décrite sur la figure 9a et sont accolées entre-elles à 120° comme indiqué sur la coupe de la figure 9b. Dans cette configuration, chaque source SI, S2 ou S3 peut prendre n'importe quelle couleur par composition des 3 couleurs de base Rouge (El), Verte (E2) ou Bleue (E3) et notamment la couleur blanche soit 16 millions de couleurs avec une commande à 8 bits des sources. De plus, il est possible de simuler une propagation lumineuse en illuminant successivement les sources Si, S2 puis S3. Ainsi, toute séquence chromato- temporelle ou spatio-temporelle à 3 phases peut être générée. Un circuit de commande non représenté pourra commander le fonctionnement séquentiel des sources optiques El, E2, E3 pour obtenir cette propagation lumineuse.
Les avantages de telles guirlandes lumineuses par rapport à celles de l'état de l'art sont nombreux : - Elimination des connexions électriques peu fiables et inesthétiques car épaisses (une association de trois fibres optiques peut faire moins de 0.5mm de diamètre)
- Une seule source de lumière améliorant ainsi la sécurité des personnes et du matériel, rendant la maintenance aisée
Meilleur rendement et surtout possibilité d'utiliser des sources de type leds ou laser à grande durée de vie 10 000 à 100 OOOh.
- La longueur peut être très importante soit de plusieurs dizaines ou centaines de mètres, bien adaptée à une utilisation en extérieur pour la décoration de monuments par exemple.
- Le coût de fabrication peut être très faible car il s'agit d'une technologie très intégrée sur la fibre.