Brevet FR2258622A1 — publié le 19750818

La présente invention concerne la détection d'impulsions lumineuses brèves, telles que les impulsions d'écho reçues par un télémetre à laser. On sait qu'un tel télémètre émet une impulsion lumineuse breve en direction d'une cible et détecte l'impulsion d'écho qu'il reçoit en retour de cette cible, le temps séoarant l'émission de la réception constituant une mesure de la distance de la cible. L'intensité de l'impulsion d'écho peut varier dans un intervalle très large, selon la distance de la cible et son pouvoir de rétrodiffusion de la lumiere. D'autre part, l'émission d'une seule impulsion peut donner lieu à la réception de plusieurs impulsions d'écho successives, correspondant à des cibles situées sensiblement dans la même direction à des distances différentes. Des dispositifs connus utilisés dans les télémètres à laser ourla détection des impulsions lumineuses d'écho présentent l'inconvénient de ne pas détecter les impulsions d'écho reçues très peu de temps après de grandes impulsions d'écho. Cet inconvénient résulte notamment du fait qu'une grande impulsion d'écho peut saturer le préamplificateur du dispositif de détection pendant un intervalle de temps beaucoup plus long que la largeur à mi hauteur de l'impulsion. On sait en effet qu'une impulsion est beaucoup plus large à sa base c'est-à-dire au dixième de sa hauteur totale, qu'à la moitié de sa hauteur. Si cette impulsion est sufisamment grande, le dixième de sa hauteur peut atteindre le niveau de saturation du préamplificateur, ce qui empoche la détection d'une nouvelle impulsion.Ce risque de saturation du préamplificateur pendant un intervalle de temps excessif est particulièrement grand à la suite de la réception d'une grande impulsion lumineuse car l'impulsion de courant fournie par une photodiode à avalanche de type usuel qui reçoit une impulsion de lumière se prolonge vers l'arrière au-delà de cette impulsion de lumière. I1 est d'autre part difficile de choisir un préamplificateur ayant un niveau de saturation plus haut, car ce préamplificateur doit permettre la détection de petites impulsions d'écho tout en étant petit, et peu couteux. La présente invention a pour but la réalisation d'un dispositif de détection d'impulsions lumineuses apte à détecter deux impulsions se succédant dans un très court intervalle de temps même si la première impulsion est grande, tout en restant simple et peu couteux. Elle a pour objet un dispositif de détection d'impulsions lumineuses comportant - une photodiode semi-conductrice susceptible de conduire des impulsions de courant électrique inverse en réponse à des impulsions lumineuses qu'elle reçoit, ces impulsions de courant étant petites ou grandes selon que ces impulsions lumineuses sont petites ou grandes respectivement, - une source de potentiel électrique alimentant cette photodiode en inverse à travers une résistance d'alimentation, - un circuit de mesure détectant les impulsions de courant inverse conduites par ladite photodiode et susceptible d'être saturé par les grandes impulsions de courant, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un circuit de découplage alimenté par ladite source à travers ladite résistance d'alimentation, ce circuit de découplage comportant un élément à résistance variable en série avec une capacité de découplage, une résistance de polarisation étant connectée en parallèle avec cette capacité, ledit élément à résistance variable ayant une résistance dynamique d'autant plus petite que le courant le traversant est plus grand dans le sens d'alimentation dudit circuit de découplage par ladite source, de manière que la résistance entre ladite photodiode et ladite capacité de découplage soit plus grande lorsque cette photodiode conduit lesdites grandes impulsions de courant que lorsqu'elle conduit lesdites petites impulsions de courant, et que ledit circuit de mesure soit plus difficilement saturé par lesdites grandes impulsions de courant. Le dispositif selon l'invention peut être en outre avantageusement caractérisé par le fait que ledit élément à résistance variable est une diode semi-conductrice alimentée dans le sens direct par ladite source. Le dispositif selon l'invention peut encore être avantageusement caractérisé par le fait que les plus petites et plus grandes valeurs de la résistance dudit élément à résistance variable sont respectivement inférieure à la moitié de la valeur de ladite résistance d'alimentation, et supérieure à la valeur de cette résistance d'alimentation, la valeur de ladite résistance de polarisation étant supérieure à celle de ladite résistance d'alimentation. A l'aide de la figure schématique unique ci-jointe, on va décrire ci-après à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif décrit fait partie d'un télémètre à laser. Il comporte > de manière connue une photodiode semi-conductrice 2 disposée de manière à recevoir les impulsions d'écho renvoyées par les cibles dont la distance doit être mesurée. Cette photodiode est alimentée en inverse par une source d'alimentation 4 fournissant une tension continue stabilisée de 110 volts à travers une résistance "d'alimentation" 6 d'une valeur de 20 kilo ohms.Il en résulte, compte tenu d'autres éléments qui seront décrit plus loin, que la photodiode 2 est alimentée sous une tension de 100 V, choisie pour etre très proche de la tension de claquage, par exemple 100,1 V, de manière à ce que cette photodiode puisse fonctionner en régime d'avalanche lorsqu'elle reçoit de la lumière, avec un gain aussi grand que possible, c'est-à-dire qu'elle laisse passer un courant inverse aussi grand que possible en réponse à la réception de lumière. Entre la masse et la photodiode 2 est connectée une résistance d'écoulement 8, d'une valeur de 10 kilo ohms, à travers laquelle s'écoule le courant de repos de la photodiode. Ce courant est par exemple de 10 nano ampères. Lorsque la photodiode 2 reçoit une impulsion de lumière, une impulsion de courant beaucoup plus grande la traverse et s'écoule à travers une capacité de liaison 10, d'une valeur de 1 000 pF, et la résistance d'entrée d'un préamplificateur 12. Cette résistance d'entrée, qui constitue la résistance de charge de la photodiode en régime d'impulsions, a une valeur de 100 ohms et est représentée en 14. La sortie 1E du préamplificateur 12 peut constituer la sortie du dispositif de détection d'impulsions lumineuses.Les éléments qui viennent d'être décrits sont connus, sauf en ce qui concerne la valeur de la résistance d'alimentation 6. En~effet,-dans~~les~dispositifs~de ce genre connus, cette résistance ou oien n'existe pas ou bien a une valeur plus faible ou bien est découplée en ce qui concerne les impulsions par une capacité en parallèle. Le préamplificateur 12 est d'un type qui pourrait être saturé par la partie inférieure des impulsions de courant les plus grandes fournies par la photodiode 2, Si la résistance d'alimentation 6 n'avait pas été prévue ou avait une valeur beaucoup plus faible. En fait, la forte valeur de la résistance d'alimentation 6 limite le courant traversant la photodiode 2 lorsque celle-ci devient fortement conductrice, cette limitation étant suffisante pour que les impulsions de courant résultant de la réception de grandes impulsions lumineuses ne saturent le préamplificateur 12 que pendant un intervalle de temps très bref correspondant par exemple à leur largeur à mi hauteur. La présence d'une résistance de forte valeur telle que la résistance 6, dans le circuit d'alimentation de la photodiode 2, présente cependant l'inconvénient évident de diminuer la sensibilité du dispositif de détection pour les petites impulsions lumineuses. C'est pourquoi une telle résistance de forte valeur n'est pas utilisée dans les dispositifs de détection connus. C'est aussi pourquoi le dispositif de détection selon la présente invention comporte un circuit de découplage 18 destiné à éviter que la sensibilité du dispositif soit diminuée pour les petites impulsions par la présence de la résistance d'alimentation 6. Ce dispositif de dé couplage est alimenté par la source 4 à travers la résistance 6 en parallèle avec la photodiode 2. Il est constitué par une diode semi conductrice "de découplage" 20 alimentée dans son sens direct et connectée en série avec une capacité "de découplage" 22, d'une valeur de I 000 pF aux bornes de laquelle est connectée une résistance "de polarisation" 24 d'une valeur de 200 kilo ohms. La diode 20 est du type dit à recouvrement rapide. Elle peut être remplacée par tout autre élément analogue à résistance variable de façon rapide ; cet élément doit présenter une résistance dynamique croissante quand il est traversé par un courant décroissant, ce courant étant mesuré dans le sens du courant fourni au circuit de découplage 18 par la source 4. Le courant traversant cet élément doit être très faible en inverse, beaucoup plus faible que le courant parcourant la photodiode au repos. Dans l'exemple décrit, le courant inverse doit rester inférieur à 10 microampères environ. La plus petite valeur de la résistance dynamique de cet élément est avantageusement inférieure à la moitié de celle de la résistance d'alimentation 6. Dans l'exemple décrit elle vaut moins de un kilo ohm lorsque le courant qui la traverse dépasse 0,4 mA. On va maintenant décrire approximativement le fonctionnement du dispositif de détection en l'absence et en présence d'impulsions lumineuses, ces impulsions pouvant être petites ou grandes, tous les intermédiaires étant évidemment possible. En l'absence d'impulsions lumineuses la photodiode 2 laisse passer un courant de repos très petit. Le courant fournis sous une tension de 110 V par la source 4 s'écoule à travers la résistance d'alimentation 6, la diode de découplage 20 et la résistance de polarisation 24. La résistance de la diode 20 étant faible, l'intensité du courant est voisine de 0,5 mA, et le potentiel du point A, commun à la résistance 6, à la photodiode 2 et à la diode 30, est de 100 V, c'est-à-dire que c'est sous cette tension qu'est polarisée la photodiode 2 et, à peu près, qu'est chargée la capacité 22. Lorsqu'une "grande" impulsion lumineuse parvient sur la photodiode 2, celle-ci est traversée par une impulsion de courant dont l'intensité croit et dépasse 0,5 mA. il en résulte une baisse du potentiel du point A au-dessous de 100 V, et très rapidement un hloquage de la diode de découplage. 20, c'est-àdire que la résistance dynamique de cette diode prend sa valeur maximale. Si l'intensité lumineuse reçue par la photodiode 2 continue à croitre, le courant traversant cette photodiode continue aussi à croitre. Mais la chute de potentiel à travers la résistance 6 croit aussi, rapidement en raison de laEforte valeur de cette résistance et la tension aux bornes de la photodiode tombe, de telle sorte que le gain de cette photodiode tombesaussi, ce qui diminue la croissance du courant.Si par exemple le courant atteint 1 mA, le potentiel en A descend aux environs de 90 V et le gain de la photodiode peut tomber à 20% de sa valeur initiale correspondant à un potentiel du point A égal à 100- V. Le niveau de saturation du préamplificateur 12 peut correspondre à cette intensité de 1 mA à travers la photodiode 2, c'est-àdire à une tension d'entrée de 0,1 V aux bornes de la résistance de charge 14. Lorsqu'une "petite" impulsion de lumière arrive sur la photodiode 2, cette photodiode est traversée par une "petite" impulsion de courant, dont l'intensité maximale est par exemple inférieure à 0,1 mA, et peut être beaucoup plus faible. Le courant à travers la diode de découplage 20 reste alors toujours supérieure à 0,4 mA, c'est-à--dire que la résistance dynamique de cette diode reste toujours inférieure à 1 kilo ohm. La valeur de la capacité de découplage 22 est suffisante pour qu'elle puisse fournir la quantité d'électricité correspondant à une petite impulsion de courant sans diminution sensible de la tension à ses bornes1 et pour que la constante de temps du circuit R C formé pour cette capacité avec la résistance de polarisation 24 soit grande par rapport à la durée des impulsions. C'est pourquoi le potentiel du point A ne descend pas sensiblement au-dessous de 99 V, ce qui maintient le gain de la photodiode 2 à une valeur proche de sa valeur initiale. Bien entendu, pour des impulsions beaucoup plus petites, à la limite de la sensibilité du dispositif de détection, le potentiel du point A reste beaucoup plus près encore de sa valeur initiale de 100 V. Quand la photodiode 2 reçoit des impulsions de lumière "intermédiaires", correspondant à des intensités maximales comprises entre 0,1 m A et 0,5 mA, la résistance de la diode de découplage 20 et le gain de la photodiode prennent des valeurs intermédiaires entre celles qui ont été indiquées ci-dessus. il est à remarquer que dans certains cas, en raison du coût de la source d'alimentation stabilisée 4, il y a intéret à remplacer la stabilisation de la tension de cette source par une stabilisation du potentiel du point A par l'intermédiaire d'une bouche d'asservissement non décrite ici. La présente invention mettant en oeuvre des variations du potentiel du même point A, il convient alors que la constante de temps de cette bouche d'asservissement soit grande par rapport à la durée des impulsions de lumière à détecter t30 nsl et aussi par rapport à celle des impulsions de courant correspondantes, qui sont parfois plus longues EtOO nsl. REVENDICATIONS 1/ Dispositif de détection d'impulsions lumineuses comportant - une photodiode semi conductrice susceptible de conduire des impulsions de courant électrique inverse en réponse à des impulsions lumineuses qu'elle reçoit, ces impulsions de courant étant petites ou grandes selon que ces impulsions lumineuses sont petites ou grandes respectivement, - une source de potentiel électrique t4) alimentant cette photodiode en inverse à travers une résistance d'alimentation 8), - un circuit de mesure (123 détectant les impulsions de courant inverse conduites par ladite photodiode t23 et susceptible d'être saturé par les grandes impulsions de courant, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre, un circuit de découplage t183 alimenté par ladite source 4) à travers ladite résistance d'alimentation t6), ce circuit de découplage comportant un élément à résistance variable t203 en série avec une capacité de découplage 22), une résistance de polarisation t24) étant connectée en parallèle avec cette capacité (22), ledit élément à résistance variable 20) ayant une résistance dynamique d'autant plus petite que le courant le traversant est plus grand dans le sens d'alimentation dudit circuit de découplage t183 par ladite source [4), de manière que, la résistance entre ladite photodiode 2) et ladite capacité de découplage t22) soit plus grande lorsque cette photodiode t23 conduit lesdites grandes impulsions de courant que lorsqu'elle conduit lesdites petites impulsions de courant, et que ledit circuit de mesure 1123 soit plus difficilement saturé par lesdites grandes impulsions de courant. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit élément à résistance variable 20) est une diode semi-conductrice alimentée dans le sens direct par ladite source 4). 3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les plus petites et plus grandes valeurs de la résistance dudit élément à résistance variable t203 sont respectivement inférieure à la moitié de la valeur de ladite résistance d'alimentation t6Z, et supérieure à la valeur de cette résistance d'alimentation, la valeur de ladite résistance de polarisation (24) étant supérieure à celle de ladite résistance d'alimentation t63.