Brevet FR2122486A1 — publié le 19720901

Un premier type d'appareil de mesure de distance mesure le retard de modulation d'un signal lumineux dû à la distance qu'il a parcouru après réflexion par un objet éloigné, les taux de modulation élevés nécessaires pour l'exécution de mesu-5 res de haute précision exigent une source lumineuse telle qu'une diode émettrice de lumière pouvant être modulée à des fréquences supérieures à 10 mégahertz. Un réflecteur constitué par un prisme à réflexion totale est placé à l'une des extrémités de la distance à mesurer à l'autre extrémité de laquelle est disposé 10 l'appareil de mesure, le faisceau lumineux modulé est réfléchi par le réflecteur constitué par un prisme à réflexion totale vers l'appareil où le retard de modulation du signal-écho est mesuré par rapport à un signal de référence provenant de la dio- • de émettrice de lumière. le retard de modulation indique, par 15 une simple conversion, la distance parcourue par le faisceau lumineux. lorsqu'une diode émettrice de lumière est modulée par des impulsions, tous les points de sa surface ne commencent pas à émettre de la lumière au même instant, ce qui provoque des 20 retards de modulation non uniformes dans la lumière émise. En conséquence, le retard de modulation mesuré par l'appareil de mesure de distance est fonction de la valeur de la fraction du faisceau lumineux émis renvoyée par le réflecteur constitué par un prisme à réflexion totale. Des erreurs parasites de forme de 25 mesure de distance sont provoquées lorsqu'on modifie la position du réflecteur légèrement pour assurer le renvoi d'une fraction différente du faisceau lumineux émis. On peut réduire cette difficulté en homogénéisant la lumière modulée provenant de la diode émettrice de lumière. 30 Une tige de verre ou d'un autre matériau transparent, à parois réfléchissantes, est. disposée en contact avec la diode. La lumière se propage le long de la tige à partir de la diode émettrice de lumière, soit directement, soit par réflexions successives sur les parois de la tige. La lumière, qui émane d'un 35 point donné de la diode émettrice de lumière, émerge uniformément de toute la face de la tige opposée à la diode émettrice de lumière, en raison du nombre infini de trajectoires de longueurs et orientations différentes à travers la tige. En conséquence, 72 01536 2 2122485 le retard de modulation mesuré ne dépend plus de la fraction du faisceau lumineux émis qui vient frapper le réflecteur. Le dispositif d'homogénéisation peut également être utilisé sur le détecteur compte-tenu des lois de réciprocité relatives au rayon-5 nement électromagnétique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit et à l'examen du dessin joint qui en représente, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation. 10 Sur ce dessin : - la figure 1 est une représentation schématique simplifiée d'un appareil de mesure de distance, - la figure 2 est une représentation schéaatique qui met en évidence le fonctionnement du dispositif suivant l'in- 15 vention, et, - la figure 3 est une vue de trois-quart d'un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 1 représente une diode émettrice de lumière 10 commandée par un excitateur de diode émettrice de lu-20 mière 12 par l'intermédiaire de fils 14 et 16. La lumière fournie par la diode émettrice de lumière 10 traverse un diviseur de faisceau 18 et une lentille 20 et vient frapper un réflecteur constitué par un prisme à réflexion totale 22. La lumière réfléchie par le réflecteur 22 retraverse la lentille 20 et est ren-25 voyée vers un détecteur 24- par le diviseur du faisceau 18. La diode émettrice de lumière 10 et le détecteur 24■ sont tous deux disposés au foyer de la lentille 20. Le détecteur 24 est connecté à des circuits d'utilisation 26. Cette représentation simplifiée a été adoptée pour mettre en évidence les principes du fonc-30 tionnement d'un appareil de mesure de distance, mais on comprendra aisément, qu'en pratique, un tel appareil est beaucoup plus complexe comme représenté, par exemple, dans le brevet français n° 70 42 130 au nom de la Demanderesse. Dans un appareil de mesure de distance type, 35 l'excitateur 12 de diode émettrice de lumière est un modulateur à fréquence variable commandé par les circuits d'utilisation 26. Ceux-ci comparent, en outre, le retard de modulation entre la lumière émise par la diode émettrice de lumière 10 et la lumière 72 01536 3 2122486 reçue par le détecteur 24 à partir du réflecteur 22, pour donner une indication de la distance D entre la diode émettrice de lumière 10 et le réflecteur 22. Lorsqu'une diode émettrice de lumière est excitée 5 ou rendue conductrice par une impulsion électrique 15» toute sa surface émettrice 28 ne commence pas à émettre de la lumière exactement au même instant. Au contraire, la diode émettrice de lumière tend à "scintiller", ce qui provoque des retards de modulation non uniformes de la lumière émise. Par exemple, on sup-10 posera que, quand la diode émettrice de lumière 10 reçoit l'impulsion électrique 15 de l'excitateur 12 de diode émettrice de lumière, la partie supérieure de la diode émettrice de lumière 10 est excitée une nanoseconde avant sa partie inférieure. Le faisceau lumineux 30 a alors une avance d'une nanoseconde sur le 15 faisceau lumineux 32 ; "bien entendu, dans la pratique réelle, il existe un grand nombre de points de ce genre qui s'excitent à des intervalles d'une fraction de nanoseconde. Après avoir traversé le diviseur de faisceau 18 et la lentille 20, les faisceaux lumineux 30 et 32 divergent légèrement. En raison de cette diver-20 gence, le champ de lumière provenant de la lentille 20 a une section droite plus grande que celle du réflecteur 22 à une certaine distance de la lentille 20, comme représenté, à un instant donné quelconque après le début de l'impulsion 15, le faisceau lumineux 30 a parcouru une distance dg et le faisceau lumineux 25 32 une distance d^. La différence (dg - d^) des distance parcourues est due au retard d'une nanoseconde précité. Dans ces conditions, si le réflecteur 22 est tout d'abord disposé de manière à réfléchir le faisceau lumineux 30 puis est déplacé transversalement à celui-ci jusqu'à la position indiquée en 22', un retard. 30 supplémentaire d'une nanoseconde est introduit dans le faisceau réfléchi. Le même effet se produit si l'on déplace légèrement la cible de l'appareil de mesure de distance 11. Celui-ci interprète ce retard supplémentaire d'une nanoseconde comme correspondant à une augmentation de distance de 30 centimètres bien que la dis-35 tance D entre la diode émettrice de lumière 10 et le réflecteur 22 n'ait pas été modifiée 72 01536 4 2122485 Pour éviter ce problème,les retards de modulation doivent être uniformes dans le champ de lumière 31 émanantde la lentille 20. Les figures 2 et 5 représentent un mode de réalisation préféré de l'invention qui permet d'uniformiser ou d'homo-5 généiser les retards de modulation. On forme un ensemble à diode émettrice de lumière 51 en fixant la diode émettrice de lumière 10 sur un plateau 50 qui constitue un support permettant d'établir un contact électrique avec l'une des bornes de la diode émet trice de lumière 10. Une broche conductrice 14 est fixée au pla- 10 teau 50 et une autre broche conductrice 16 traversant un isolateur 52 est reliée à l'autre borne de la diode émettrice de lumière 10 par un fil 54« Un dispositif d'homogénéisation de faisceau lumineux 34 est fixé à la surface émettrice 28 généralement au moyen d'un ciment transparent 26. Un chapeau à fenêtre trans-15 parente (non représenté) est généralement placé au-dessus de l'ensemble 51 pour le sceller hermétiquement. Le dispositif d'homogénéisation 34 comprend une tige en matériau transparent présentant des côtés parallèles lisses 35 et deux faces parallèles 38 et 40. Tout rayon lumineux pénétrant dans la face 38, ou bien 20 traverse directement le dispositif d'homogénéisation 34 pour émer ger à travers la face 40, ou bien subit des réflexions internes par les côtés 35 jusqu'à ce qu'il atteigne la face 40 et émerge. 11 existe un nombre infini de trajectoire à travers le dispositif d'homogénisation 3^ pour la lumière émanant d'un point quelconque 25 de la surface émettrice 28. Trois de ces trajectoires sont représentées sur la figure 2 sous la forme des faisceaux lumineux 42, 44 et 46. Bien que la lumière n'émane que d'un seul point de la surface émettrice 28, elle éclaire toute la face 40 et, par conséquent, un champ de lumière 31' à retard de modulation homogène 30 traverse la lentille 20. Les faisceaux lumineux 42, 44 et 46 parcourent tous sensiblement la même distance d^ en une période de temps donnés après le début de l'impulsion 15, étant donné que les retards dûs aux longueurs de parcours différentes des faisceau lumineux 42, 44 et 46 sont beaucoup plus petits que les re-35 tards de modulation dûs aux caractéristiques d'excitation de la diode émettrice de lumière 10. 72 01536 5 2122486 La Demanderesse a trouvé que, pour qu'on obtienne des résultats optimaux, la distance entre les faces 58 et 40, c'est-à-dire la longueur du dispositif d'homogénéisation 54, doit être égale ou supérieure au produit du diamètre utile de la sur-5 face émettrice 28 par l'indice de réfraction du matériau du dispositif d'homogénéisation et par le nombre f du système optique aval. Le foyer de la lentille 20 est disposé sur la face 40. Le dispositif d'homogénéisation 54 est représenté comme ayant une section droite rectangulaire, mais il peut présenter n'importe 10 quelle forme convenable et il peut être en un matériau quelconque transparent à la lumière émise par la diode émettrice de lumière 10. En conséquence, le dispositif d'homogénéisation pourrait également comprendre un trou pratiqué dans un bloc de métal, à condition que les parois de ce trou soient suffisamment réflec-15 trices. La face 40 d'un dispositif d'homogénéisation en verre ou en matière plastique peut être dépolie pour réduire les variations du retard de modulation en fonction de l'angle d'observation, bien que cette dépendance de l'angle d'observation soit moins gênante que le problème exposé ci-dessus. Il est important 20 que le dispositif d'homogénéisation 54 recouvre complètement la surface émettrice 28, ou que certaines parties de celle-ci soient masquées pour empêcher de la lumière n'ayant pas traversé le dispositif d'homogénéisation 54, d'atteindre la lentille 20. On peut également utiliser un dispositif d'homogénéisation sur le détec-25 teur 24, grâce aux lois de réciprocité qui s'appliquent au rayonnement électromagnétique. 72 01536 6 2122486 EETENBIOATXONS 1 - Appareil de mesure de distance du type comprenant une source de lumière modulée, en matériau semi-conducteur, un système optique émetteur, un réflecteur éloigné, un système optique récepteur, un détecteur de lumière pour démoduler la lu- 5 mière reçue et des moyens électroniques pour déterminer le retard entre la modulation de la lumière émise et celle de la lumière reçue, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'une tige en matériau transparent homogène, d'une longueur supérieure à sa dimension transversale mesurée en un point quelconque est fixée de 10 façon que l'une de ses extrémités soit adjacente, soit à la source de lumière modulée en matériau semi-conducteur, soit au détecteur de lumière, pour rendre homogène le retard de modulation de la lumière émise par ladite source, par réflexion interne de la lumière à partir des côtés (35) de ladite tige, de manière à ré- 15 duire les erreurs de mesure dans l'appareil de mesure de distance. 2 - Appareil de mesure de distance suivant la revendication 1, dans lequel la source de lumière modulée en matériau semi-conducteur est une diode émettrice de lumière, ledit 20 appareil étant caractérisé én ce que la tige précitée est en verre et est collée à la surface émettrice de ladite diode émettrice de lumière, l'extrémité de la tige de verre recouvrant complètement cette surface émettrice. 3 - Appareil de mesure de distance suivant la re- 25 vendication 2, caractérisé en ce que l'une des extrémités de la tige de verre est dépolie. 4 - Appareil de mesure de distance suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur de la tige de verre n'est pas inférieure au produit du diamètre moyen de la sur- 30 face émettrice de la diode émettrice de lumière, par le nombre f du système optique émetteur et par l'indice de réfraction de la tige de verre» 5 - Appareil de mesure de distance suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la tige précitée est formée 35 par l'air contenu dans un trou pratiqué dans un élément métallique et présentant des surfaces intérieures réfléchissantes.