L'invention se rapporte à une matrice linéaire ou b di ensi onnel le de concentrateurs optiques, à un ensemble op ique d'émission ou de réception comportant une telle matrice. L'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'une telle matrice.

On connaît dans le domaine de l'énergie solaire l'utilisation de concentrateurs coniques de grandes dimensions en tant qu'élément unique dont on pourra trouver une description dans l'article intitulé "The Optics of non Imaging Concentrators, Light and Solar Energy", W.T. Welford and R. Winston, Académie Press, 1978.

Toutefois, l'emploi de ces concentrateurs est réservé à ce domaine particulier de par leurs dimensions et les technologies employées.

La demanderesse s'est heurtée, dans un tout autre domaine puisqu'i l s'agit de La transmission de lumière par fibres optiques, du couplage des fibres optiques aux composants d'extrémité. Les composants d'extrémités peuvent être soit des sources de lumière (émetteurs), soit des récepteurs.

Ce sont des composants électroniques semi -conduet eu rs généralement de petites dimensions. Les dimensions sont d'autant plus faibles que l'on cherche à travailler à des fréquences élevées.

Le couplage entre une fibre optique et de tels composants est une opération délicate qui n'a pas jusqu'ici apporté d'excellents résultats. Ces résultats sont d'autant moins satisfaisants dans la

mesure où l'on cherche à coupler les fibres à des composants ayant des surfaces de contact de plus en p Lus faibles.

En outre, on cherche à obtenir le meilleur couplage possible (couplage optimum) entre émetteur

(ou récepteur) et fibre optique lorsque l'on utilise des fibres optiques plastiques claires, scintillantes ou fluorescentes.

De plus, outre la nécessité d'avoir un couplage de très bonne qualité entre la fibre et l'émetteur ou le récepteur lui correspondant, on est confronté de plus en plus souvent dans la plupart des applications à la nécessité de réaliser un très grand nombre de connexions : certains dispositifs peuvent comporter plusieurs milliers et jusqu'à plusieurs centaines de milliers de fibres. Aussi est-il très important de disposer de systèmes permettant une réalisation rapide et sûre de ces nombreuses connexions. Lorsque l'on veut Lire un ensemble de fibres avec un récepteur unique. Les fibres rassemblées en torons et polies à Leurs extrémités sont placées en contact optique avec la surface active du récepteur. Les choses deviennent plus complexes si L'on cherche à Lire ces fibres de manière individuelle. Par conséquent, à ce jour i l existe peu de solutions permettant un couplage parfait entre Les fibres optiques de grand diamètre et Les composants d'extrémité (émetteurs, récepteurs). Une solution généralement adoptée et donnant un résultat considéré à ce jour comme Le moins mauvais, consiste à placer directement le composant en extrémité de La fibre. Ceci suppose une acceptation de pertes optiques, à savoir perte d'ouverture numérique à L'entrée, atténuation dans Le rapport des surfaces en sortie.

Les systèmes dioptriques classiques sont rarement uti lisés car i ls présentent généralement des ouvertures numériques trop faibles par rapport à celles des fibres opt iques. Une solution a parfois été uti lisée dans le cas, par exemple, de fibres lues par un photomu Lt i p L i ca teu r multi-anode. On interpose comme lenti lle sphérique une bi lle de saphi r, matériau d'indice optique élevé, entre Les deux systèmes pour améliorer le couplage.

Cette bi lle, dont le diamètre doit être environ 1,5 fois le diamètre de La fibre, impose un pas minimum important entre Les fibres et n'est plus uti lisable dès que l'on envisage de lire des nappes de fibres ointives.

IL faut d'autre part signaler que dans ce cas on n'obtient pas sur le récepteur une image qui soit de tai lle inférieure à cel le de la fibre.

Par ai lleurs, cette méthode suppose la mise en place individuelle des bi lles entre les fibres et les récepteurs, ce qui devient complexe ou fastidieux dès que le nombre est important.

Une autre possibi lité de couplage est d'uti liser un réducteur à fibres optiques ("taper" selon la terminologie anglo-saxonne) . Ce dispositif présente, outre son coût, deux inconvénients.

Le premier est que l'ouverture numérique est réduite. Le deuxième est qu' i l n'existe généralement pas de tels éléments de tai lle correspondant à une fibre unique.

Appliqué à une matri ce de fibres, un

"taper" réduit non seulement L 'image de L 'extrémité d'une fibre, mais également l 'ensemble du pas de l'image des fibres, et donc impose un pas très faible aux composants d'extrémité.

Un autre exemple montre un effort de couplage entre fibre optique et photodiode à avalanche. Le composant proposé dans Le commerce utilise un élément de fibre optique de 300 H de diamètre pour faire la Liaison entre La photodiode de même diamètre et La face avant du boîtier qui La contient.

Par rapport au simple positionnement de La fibre contre La fenêtre du boîtier, ce dispositif permet un meilleur couplage avec la fibre dont on voudrait mesurer le signal de sortie, mais reste pénalisant du fait d'une ouverture numérique faible et d'un faible rapport entre Les surfaces des deux fibres (9% pour une fibre de 1 mm).

La présente invention permet de remédier à ces problèmes. Elle a tout d'abord pour objet une matrice Linéaire ou bidimensionnelle de concentrateurs susceptible d'être reliée à des fibres optiques, comportant un ensemble de concentrateurs optiques et principalement caractérisée en ce que Les concentrateurs sont des catadioptres optiquement indépendants, à symétrie de révolution, remplis d'un matériau optique transparent à La Lumière d'indice de réfraction n proche de celui du coeur des fibres.

Selon une deuxième caractéristique de L'invention, le matériau optique transparent est choisi de sorte que l'indice de réfraction n soit supérieur à 1,56.

Selon une autre caractéristique de l'invention, les concentrateurs sont solidarisés entre eux pour former la matrice, par un matériau de maintien.

Selon une autre caractéristique de l'invention. Le matériau de maintien est une résine po lyméri sée.

Selon une autre caractéristique, Les concentrateurs comportent en outre un matériau

réfléchissant qui revêt la paroi interne desdits concentrateurs et qui forme une séparation optique entre Le matériau de maintien et le matériau optique transparent. Selon une autre caractéristique de

L'invention, le matériau réfléchissant est constitué par une couche métallique.

Selon une autre caractéristique, les concentrateurs ont une forme à symétrie de révolution engendrée par une génératrice droite ou curvi ligne.

L'invention a également pour objet un ensemble optique d'émission ou de détection comportant une matrice de fibres optiques, une matrice d'émetteurs ou de récepteurs, principalement caractérisé en ce qu'i l comporte en outre des moyens de couplage optique entre la matrice de fibres optiques et la matrice d'émetteurs ou de récepteurs, et en ce que ces moyens de couplage comprennent une matrice de concentrateurs formée de catadioptres optiquement indépendants à symétrie de révolution, remplis d'un matériau optique transparent à La lumière, d'indice de réfraction proche de celui du coeur des fibres optiques.

Selon une autre caractéris ique de l'invention, l'ensemble optique comporte en outre un matériau de contact optique d'indice optique adapté pour diminuer les réflexions de Fresnel et éviter les réflexions totales sur la face de sortie des concentrateurs, ce matériau étant placé de manière à assurer Le contact entre La matrice d'émetteurs ou de récepteurs et la matrice de concentrateurs, et entre La matrice de concentrateurs et La matrice de fibres opt iques.

Dans cet ensemble optique, les concentrateurs sont solidarisés entre eux par un matériau de maintien pour former la matrice.

Le matériau de maintien est une résine polymérisée. Les concentrateurs comportent en outre un matériau réfléchissant qui revêt la paroi intérieure et qui forme une séparation entre Le matériau de maintien et Le matériau optique transparent.

L'invention concerne également un procédé de fabrication d'une matrice linéaire ou bi dimensionnel Le de concentrateurs optiques destinée à être couplée à une matrice de fibres optiques, princi alement caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : réaliser un moule de base comportant un arrangement matriciel d'éléments mâles à symétrie de révolution, - réaliser un contre-moule du moule de base pour obtenir un arrangement matriciel d'éléments femelles de forme complémentaire à celle des éléments mâles,

- couler un matériau dans Le contre-moule pur obtenir un nouveau moule constitué d'éléments mâles,

- couler un matériau de maintien au-dessus des éléments mâles permettant d'assurer une cohésion mécanique entre Les différents éléments optiques qui vont être obtenus par la suite et démouler, après durcissement, la matrice obtenue, éventuellement déposer un matériau en couche mince à L'intérieur des formes creuses obtenues après démoulage, couche qui va servir à assurer la séparation optique entre les différents éléments, - couler un matériau optique transparent d'indice de réfraction n proche de celui du coeur des fibres au-dessus de La couche m nce de séparation, de manière à remplir les formes creuses de la matrice après démoulage et à obtenir une surépaisseur.

- usi ner les faces supéri eure et inférieure de la matrice de manière à ôter les s u répa i s seu r ^* de matéri au optique d'indice n.

L' invention concerne également un procédé de fabrication d'une matrice linéaire ou bi di mens i onne l le de concentrateurs optiques destinée à être couplée à une matrice de fibres optiques, principalement caractérisé en ce qu'i l comporte Les étapes suivantes : réaliser un moule de base comportant un arrangement matriciel d'éléments mâles, à symétrie de révolution, réaliser un contre-moule du moule de base pour obtenir un arrangement matriciel d'éléments femel les de forme complémentaire à cel le des éléments mâles, couler un matériau optique transparent d'indice de réfraction n proche de celui du coeur des fibres dans le contre-moule en laissant une surépaisseur pour obtenir une matrice d'éléments optiques, après durcissement du matériau optique et démoulage, éventuel lement déposer un matériau en couche mince pour assurer la séparation optique entre les différents éléments, couler un matériau de maintien sur la matrice obtenue pour assurer une cohésion mécanique entre les différents éléments optiques,

- usiner les faces supérieure et inféri eure de la matrice de manière à ôter les surépaisseurs de matéri au optique d'indice n pour obtenir La matrice de concentrateurs.

Selon une autre caractéristique de ce procédé de fabrication, le matéri au d'indice de réfraction n est une résine optique polymérisée dont L'indice n est supérieur à 1,56.

Selon une autre caractéristique, le matériau de maintien est une résine polymérisée.

Selon une autre caractéristique, le dépôt en couche mince consiste à réaliser une metaL li sat ion. D'autres avantages et caractéristiques de L'invention apparaîtront à La lecture de la description qui est faite à titre i lLustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente le schéma d'une matrice bi di mensi onnel Le de concentrateurs optiques selon l'invention, la figure 2 représente des schémas correspondant aux différentes étapes du procédé de fabrication d'une matrice conformément à un premier mode de réalisation, la figure 3 représente des schémas correspondant aux différentes étapes de réalisation d'un deuxième mode de réalisation du procédé de fabrication de la matrice conformément à l'invention,

La figure 4 représente Le schéma d'un ensemble optique de réception conformément à L ' invention,

La figure 5 représente Le schéma d'un ensemble optique d'émission conformément à L'invention.

On a représenté sur La figure 1 le schéma d'une matrice de concentrateurs conforme à l'invention. Ce schéma représente une matrice bi di ensi onnel le pourvue d'un ensemble de concentrateurs optiques 1.

Ces concentrateurs sont, conformément à L'invention, des catadioptres optiquement indépendants, à symétrie de révoLution.

De préférence, ces catadioptres ont une forme telle qu'ils sont engendrés par une génératrice

droite ou curvi ligne. Ils peuvent par conséquent avoir une forme conique ou de paraboLoîde.

Conformément à l 'invention, les catadioptres sont remplis d'un matéri au 2 optique transparent à la lumière, d'indice de réfraction n proche de celui du coeur des fibres optiques avec lesquel les la matrice réalisée pourra être couplée.

Pour réaliser une tel le matrice, les concentrateurs sont solidarisés entre eux par un matéri au de maintien 3.

Le matériau de maintien uti lisé 3 est par exemple constitué d'une résine polymérisée qui pourra selon Le cas être rigide ou non.

Ainsi, la matrice représentée sur la figure 1 comporte un ensemble de systèmes optiquement indépendants, ces systèmes étant les concentrateurs

1 dont La tai lle, le nombre et le pas peuvent être quelconques, mais seront généralement choisis identiques à ceux imposés par la matrice de composants d'extrémité ou La matrice de fibres optiques entre Lesquelles el le réalisera un couplage, comme cela va être expliqué dans La suite.

Selon un perfectionnement de L ' invention,

La paroi interne des concentrateurs réalisant la séparation entre le matériau de maintien 3 et Le matériau optique transparent 2 est revêtue d'une couche réfléchissante protégée par Le matériau optique remplissant Les concentrateurs.

Cette protection est simi laire à la protection qu'apporte le revêtement bas indice que constitue la gaine d'une fibre optique sur laquel le se produisent les réflexions totales de la Lumière propagée pour Le coeur de la fibre, mi lieu dans lequel se propage la lumière.

La matrice de concentrateurs constitue un prolongement de La fibre optique.

De manière classique, les fibres optiques comportent un coeur d'indice de réfraction relativement élevé dans lequel se propage la Lumière et une gaine entourant ce coeur d'indice de réfraction inférieur, servant de guide à la lumière et de protection pour le coeur des fibres.

Dans le cas de fibres optiques classiques dont le coeur est constitué par des matériaux transparents de type amorphe, comme par exemple le polyméthac ry Late de méthyle connu sous L'abréviation de PMMA, L'indice de réfraction est relativement bas et se trouve dans La plage de 1,48 à 1,50. Dans ce cas donc, i l est usuel de réaliser la gaine par un polymère à bas indice qui est Le po Lyméthac rylate de 2,2,2 t ri f Luoréthy Le dont L'indice de réfraction est de 1,41. Conformément à L'invention, le matériau de remplissage des concentrateurs pourra donc être selon ce mode de réalisation des fibres optiques, du polyméthac ryLate de méthyle.

Dans Le cas de fibres optiques comportant un coeur constitué d'un polymère d'un composé tel que du styrène dont l'indice de réfraction est relativement élevé et d'une gaine constituée par exemple de PMMA, d'un polymère d'acétate de vinyle ou d'un dérivé fluoré de L'acétate de vinyle dont l'indice de réfraction est relativement bas, on prend en général comme matériau de remplissage Le polystyrène dont l'indice de réfraction est de 1,58-1,62.

Selon ce mode de réalisation des fibres optiques, le matériau de remplissage des concentrateurs pourra être dans ce cas du polystyrène.

D'une manière générale. Le matériau de remplissage sera choisi tel que son indice de réfraction

soit proche de celui du coeur des fibres et de préférence, on choisira un matériau dont L'indice ^' de réfraction sera supérieur à 1,56.

La figure 2 représente s chémat i quement Les différentes étapes d'un procédé de fabrication d'une telle matrice, conformément à l'invention.

Ces étapes correspondent à un premier mode de réalisation du procédé conforme à l'invention.

L'étape _a_ du procédé consiste à réaliser un moule de base. Ce moule comporte un arrangement matriciel d'éléments mâles 11, à symétrie de révolution, qui peuvent se terminer par exemple par un téton 12.

La forme conique de ces éléments 11 est engendrée par une génératrice droite ou curvi ligne. En pratique, ces formes mâles des concentrateurs peuvent être réalisées dans un matériau métallique ou non avec une qualité optique de La surface. Ces formes peuvent être obtenues par usinage, polissage et duplication.

Les formes ainsi obtenues sont réalisées en nombre suffisant pour ensuite faire l'objet d'une mise en place matricielle précise sur un support 10, comme on peut le voir sur cette figure 1. L'ensemble

10 et 11 constitue le moule de base.

L'étape _b_ consiste ensuite à réaliser un contre-moule 13 du moule de base en utilisant par exemple une résine fluide, souple après durcissement et reproduisant parfaitement les formes et Les états de la surface du moule. Cette résine peut être une résine de si licone, par exemple une RTV. L'utilisation d'un moule souple permet d'assurer un démoulage faci le de la matrice, même si elle est de grande dimension, et de conserver une très bonne planéité de cette matrice.

Ce contre-moule sera uti lisé pour La duplication des matrices mais, par sa nature même.

aura une durée de vie Limitée par des détériorations éventuelles en cours de travail.

Ainsi, après avoir réalisé le contre-moule

13 qui constitue un arrangement matriciel d'éléments femelles de forme creuse complémentaire à celle des éLéments mâles du moule de base 10 , Le procédé consiste à réaliser L'étape c.

Cette étape _ç_ consiste à couler un matériau dans le contre-moule pour obtenir un nouveau moule mâle.

L'étape _d_ du procédé consiste ensuite à couler entre les éléments mâles 20 un matériau de maintien permettant d'assurer une cohésion mécanique par la suite entre Les différents éLéments optiques q _U e vont constituer Les concentrateurs.

Cette étape _d_ comporte en outre un démoulage après durcissement du matériau , de manière à obtenir une matrice 21 d'éléments femelles de forme creuse.

On procède ensuite éventue L Lement à l'étape _ç_ q _U i consiste à réaliser un dépôt d'un matériau à L'intérieur des formes creuses de la matrice 21, ce dépôt permettant d'obtenir un revêtement en couche mince de La surface intérieure des formes creuses obtenues après démoulage et va par la suite servir à assurer La séparation optique entre Les différents éLéments optiques constituant La matrice de concentrateu rs.

L'étape _f_ du procédé consiste à couler un matériau optique transparent d'indice n, choisi de manière à être proche de celui du coeur des fibres optiques avec Lesquelles la matrice de concentrateurs obtenue sera couplée.

Cette étape _f_ consiste donc à couler ce matériau d'indice n au-dessus de la couche mince de séparation, de manière à remplir les formes creuses

de la matrice obtenue après démoulage et à obtenir une surépaisseur 24.

L'étape _g_ du procédé consiste à usiner les faces supérieure et inférieure de la matrice obtenue à l'étape _f_ de manière à ôter les tétons 12 et la surépaisseur 24 du matériau optique d'indice n.

Cette étape _ç_ aboutit à la réalisation d'une matrice de concentâteu rs telle que représentée par exemple à La figure 1. La figure 3 permet d'i llustrer les différentes étapes d'un procédé de fabrication conformément à l'invention, seLon un deuxième mode de réalisation.

Dans ce deuxième mode de réalisation, les deux premières étapes __ et b_ sont identiques aux étapes précédentes représentées à La figure 2.

En effet, selon ce mode de réalisation, on réalise tout d'abord à L'étape _a_ un moule de base comportant un support 10 et des éléments mâles 11 qui peuvent se terminer par exemple par un téton 12.

L'étape _b_ consiste à réaliser un contre-moule 13 constitué de l'ensemble d'éléments femelles de forme creuse mais complémentaire aux éLéments mâles. L'étape _ç_, conformément à ce mode de réalisation, consiste à couler dans le contre-moule obtenu à l'issue de l'étape _b_ un matériau optique transparent d'indice n proche de celui du coeur des fibres avec lesquelles la matrice de concentrateurs qui sera réalisée sera couplée.

Selon un mode préféré de réalisation, on utilisera par exemple une résine optique transparente d'indice optique élevé qui est supérieur à 1,56.

Une surépaisseur 31 de cette résine est obtenue de manière à maintenir entre eux les différents

éléments mâles de forme conique, obtenus après le démoulage de ce matériau d'indice de réfraction n.

On procède éventue L Lement à L'étape __. qui consiste à réaliser un dépôt de matériau en couche mince par dessus les formes creuses obtenues après démoulage, de manière à assurer une séparation optique entre les différents éléments 30. Le dépôt de cette couche peut être réalisé par des techniques de dépôt utilisées en optique intégrée. L'étape _§_ consiste à couler un matériau de maintien 33 sur La matrice obtenue après dépôt de

La couche mince 32. Ce matériau de maintien va permettre d'assurer une cohésion mécanique entre Les différents éléments optiques que vont constituer les concentrateurs obtenus.

L'étape _f_ consiste enfin à usiner Les faces supérieure et inférieure de la matrice obtenue à L'issue de l'étape _e_ de manière à ôter Les tétons 12 et La surépaisseur 31. Cette étape _f_ permet d'obtenir ainsi une matrice de concentrateurs 34 telle que représentée sur La figure 1.

L'étape _ç_ consiste en fait à réaliser des traitements de surface permettant les réflexions optiques sur La surface interne des concentrateurs. On a donc décrit dans cette étape La réalisation d'un dépôt en couche mince qui sera de préférence un dépôt métallique, un dépôt bas indice, et qui peut comporter en outre des traitements mu lt idiéLect ri que s ou une combinaison de ces divers traitements.

Outre le rôle de réflecteur, ces dépôts assurent la séparation optique entre les différents éléments, c'est-à-dire entre les différents concentrateurs, et rendent ces concentrateurs optiquement indépendants.

Dans le cas où l'on utilise une résine de liaison de très bas indice optique à l ' étape _e_, ces différents traitements de surface peuvent être éliminés. L'objectif à atteindre est toutefois d'obtenir une réflexion totale à l'intérieur de ces différents concentrateurs afin d'éviter tout risque de diaphonie entre Les différents canaux ainsi constitués.

On pourra utiliser le premier mode de réalisation du procédé qui a été décrit dans Le cas où l'on utilise une résine optique (portant la référence 30 sur la figure 3 et 23 sur La figure 2) qui ne supporterait pas les étapes suivantes du procédé de la figure 3, ou dans le cas où l'on rencontre des difficultés d'accrochage de La metal li sation sur cette rési ne.

Les moules de base pourront par exemple être métalliques. Le contre-moule pourra par exemple être une résine RTV dans le cas du deuxième mode de réalisation et du téflon dans Le cas du premier mode de réalisation.

La figure 4 permet d'illustrer le schéma simplifié d'un ensemble optique de réflexion. Afin de simplifier la représentation, cet ensemble n'i llustre qu'une fibre optique d'un ensemble matriciel non représenté couplé à un concentrateur 40 d'une matrice, telle qu'elle a été décrite à propos de la figure 1, et d'un récepteur 60 appartenant à une matrice de réception non représentée.

L'ensemble optique comporte donc les moyens de couplage optique entre une matrice de fibres optiques représentée par La fibre optique 50 et une matrice de réception représentée par Le récepteur 60.

Conformément à l'invention, ces moyens de couplage comportent une matrice de concentrateurs représentée par Le concentrateur 40, ce concentrateur

étant un catadioptre à symétrie de révolution engendrée par une génératrice droite ou curvi ligne et rempli d'un matériau optique transparent à la lumière, d'indice de réfraction proche de celui du coeur 52 de la fibre 50.

On a également représenté la gaine de cette fibre qui porte La référence 51.

Le matériau de remplissage du concentrateur 40 porte la référence 41. L'ensemble optique comporte en outre un matériau de contact optique 70 d'indice optique adapté pour diminuer les réflexions de Fresnel et éviter les réflexions totales de La surface de sortie des concentrateurs. Ce matériau 70 est placé de manière à assurer Le contact entre La matrice de récepteurs et la matrice de concentrateurs. Comme on peut le voir sur cette figure, ce matériau 70 est placé entre Le récepteur 60 et une face qui est la face du plus petit diamètre du cône du concentrateur 40. Conformément à l'invention, L'ensemble optique représenté sur cette figure 4 comporte en outre un matériau de contact optique 80 d'indice optique adapté de même nature que le matériau portant la référence 70 et assurant la même fonction. Ce matériau 80 réalise le contact entre la face de plus grand diamètre du cône 40 et l'extrémité de la fibre 50.

Sur La figure 5 on a représenté un ensemble optique d'émission conforme à l'invention. Ce schéma est un schéma simplifié tel que celui qui a été représenté sur La figure 4. En effet, on a représenté uniquement un émetteur 90, un concentrateur 40 et une fibre optique 50. Bien entendu, L'émetteur 90 appartient à une matrice d'émission , de même que Le concentrateur 40 appartient à une matrice de concentrateurs telle que représentée sur la figure 1 et la fibre 50 peut appartenir à une matrice de fibres optiques.

^" Ce schéma permet en fait de montrer que

La matrice de concentrateurs peut être uti lisée ^" de façon totalement symétrique, soit en réception comme le montre la figure 4, soi t en émission comme le montre La figure 5 dans un ensemble optique.