Brevet FR2502792A1 — publié le 19821001

TELEMETRE A LASER La présente invention concerne les télémètres à laser. Les télémètres à laser comprennent un émetteur contenant un laser et des circuits destinés à commander et à définir les caractéristiques temporelles de l'impulsion de sortie laser, et un récepteur qui contient un détecteur d'impulsions optiques avec des circuits électroniques de comptage conçusde façon à compter des impulsions d'horloge pendant l'intervalle de temps qui sépare les impulsions optiques émise et reçue, afin de fournir une mesure de la distance entre le télémètre et un objectif qui rétroréflé- chit l'impulsion laser émise. 0 Depuis de nombreuses années, on utilise de préférence une photodiode à avalanche comme détecteur, du* fait de sa caractéristique de gain interne, mais pour obte- nir les performances optimales, la photodiode à avalanche doit être polarisée à une tension de fonctionnement que l'on sait dépendante de la température, pour maintenir constant le gain de la photodiode. Les récepteurs de télé- mètre connus comprennent donc des circuits destinés à régler la tension de polarisation. Il y a deux techniques courantes pour effectuer ceci: l'une consiste à utiliser une compen- sation de température pour régler la tension d'alimentation qui est appliquée aux circuits de polarisation; l'autre consiste à contr8ler le niveau de bruit dans le signal de sortie du détecteur et à asservir la tension de polarisation de façon à minimiser le niveau de bruit. Le récepteur de télémètre est couramment soumis à des signaux optiques parasites qui résultent par exemple de la rétrodiffusion à partir d'une impulsion émise, pouvant être produite soit par des éléments optiques qui font partie du télémètre, soit par les conditions atmosphériques. Pour résoudre le problème de la rétrodiffusion par des éléments optiques, les récepteurs connus comportent dans la chaîne amplificatrice, entre le détecteur et les circuits de compta- geune porte qui permet de bloquer ou d'interdire la trans- mission du signal de sortie du détecteur vers les circuits de comptage pendant une durée prédéterminée (la période de distance minimale) après le déclenchement de l'émetteur laser. Cette durée est suffisamment longue pour empêcher que des impulsions de bruit dues au rayonnement rétrodiffusé atteignent les circuits de comptage, mais suffisamment cour- te pour qu'une impulsion de retour provenant d'un objectif à la distance minimale soit transmise aux circuits de compta- ge. Pour éliminer le problème de la rétrodiffusion atmosphé- rique, la chatne amplificatrice comprend également un étage à gain programmé dans le temps qui, pendant une durée prédé- terminée qui suit immédiatement la durée de distance minima- le, maintient la sensibilité du récepteur au-dessous de son niveau normal, ce qui empêche la rétrodiffusion atmosphéri- que d'affecter les circuits de comptage, tout en permettant la transmission aux circuits de comptage des impulsions de retour qui proviennent de l'objectif. Du fait que la porte et l'étage à gain programmé dans le temps se trouvent habi- tuellement après un étage préamplificateur (à faible impé- dance d'entrée), la photodiode et l'étage préamplificateur demeurent soumis au rayonnement rétrodiffusé, et chacun d'eux peut être surchargé pendant un temps suffisamment long pour être dans un état surchargé ou saturé une fois que la porte a été ouverte, ce qui a un effet nuisible sur le fonctionnement du récepteur, en particulier en liaison avec des signaux réfléchis à partir d'objectifs à courte distan- ce. L'invention a pour but de réaliser une forme per- fectionnée de circuit de commande pour le détecteur du récepteur d'un télémètre à laser. Conformément à l'invention, le récepteur d'un télémètre à laser comprend une photodiode à avalanche et la polarisation de la photodiode est assurée par des circuits qui sont commandés par l'émetteur laser de façon à établir une tension de polarisation pratiquement nulle lorsque l'émetteur laser est déclenché, et à augmenter ensuite la tension de polarisation pendant un intervalle de temps pré- déterminé, pour établir une tension de polarisation finalE, pratiquement égale à une valeur inférieure d'un pourcenLagc fixé à la tension de claquage de la photodiode. Ces circuits comprennent des moyens destinés à déterminer la tension de claquage à la température de fonctionnement qui existe immé- diatement avant le déclenchement de l'émetteur laser. -5 On a trouvé qu'avec les photodiodes à avalanche disponibles à l'heure actuelle, qui ont un rendement quanti- que qui augmente avec la température (comme par exemple pour les photodiodes au silicium), la tension de fonctionne- ment et la tension de claquage recommandées par les fabri- cants (qui sont particulières à chaque photodiode) présen- tent toujours la relation selon laquelle la tension de fonctionnement est inférieure d'un pourcentage fixe à la tension de claquage, à une température ambiante de 220C. Dans le cas des photodiodes RCA C30895, ce pourcentage est de 10%. On a également trouvé qu'en maintenant cette rela- tion pour toutes les températures de fonctionnement, dans le cas des photodiodes RCA C30895, le bruit Schott pro- duit par la photodiode est maintenu dans des limites accep- tables, même à des températures élevées, tandis que le ren- dement quantique de la photodiode augmente avec la tempéra- ture dans des proportions pratiquement égales à la diminu- tion du gain interne, ce qui fait que la photodiode fonction- ne avec une sensibilité pratiquement constante (proportion- nelle au produit du rendement quantique par le gain interne). L'application de l'invention n'est cependant pas limitée aux photodiodes qui ont un rendement quantique qui augmente avec la température, du fait qu'elle donne de meilleurs résul- tats, par rapport aux configurations connues, lorsqu'elle est appliquée à des photodiodes ayant un rendement quantique qui diminue avec la température. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente une caractéristique gain- tension de polarisation pour une photodiode à avalanche caractéristique; La figure 2 représente sous forme de schéma synop- tique un télémètre à laser conforme à l'invention La figure 3 est un schéma d'un circuit de polarisa- tion de photodiode à avalanche qui fait partie du télémètre de la figure 2; et La figure 4 est un diagramme séquentiel relatif au circuit de la figure 3. Comme le montre la figure 1, une caractéristique de photodiode à avalanche de type courant présente un gain - qui croit progressivement lorsque la tension de polarisation croit jusqu'à environ 350 V, puis dans la plage de tension de polarisation de 350-390 V, environ, le gain augmente rapidement pour passer d'environ 80 à environ 150, et pour des tensions de polarisation dépassant légèrement 390 V, le gain s'élève rapidement au-dessus de 400. Chaque fabricant détermine la tension de claquage de la photodiode comme étant la tension à laquelle il circule un courant d'environ pA et, à titre d'exemple, pour une photodiode RCA C30895, cette tension se trouve dans la plage 355-460 V à 220C, et elle varie au taux de +2,2 V/OC. Le fabricant donne pour la tension de fonctionnement (pour une photodiode RCA C30895) la tension pour laquelle le gain est de 120 à 220C. Le télémètre représenté sous forme de schéma synoptique sur la figure 2 utilise un photodétecteur à ava- lanche de ce type, dans le sous-ensemble 10, dont la tension de polarisation est déterminée par le circuit de commande 11, et le signal de sortie du détecteur est appliqué à des étages d'amplification et de comptage 12 qui attaquent un afficheur de distance 13. Comme on l'expliquera, le circuit de commande 11 est commandé par des sorties 14 et 15 d'un séquenceur 16 qui est validé par l'interrupteur 17 sous l'action d'un opérateur. Lorsque le séquenceur 16 est excité, il émet sur la sortie 14 un signal de validation de charge, pouvant - avoir commodément une durée de 50 ms, qui est transmis vers le circuit de charge à haute tension 18. Le séquenceur 16 produit ensuite sur la sortie 14A une impulsion de commande de 250 Ps pour déclencher le tube éclair du laser qui émet ensuite une impulsion de 100 us qui excite le milieu actif du laser 19. Après l'impulsion de commande de 250 lis, le séquenceur 16 produit sur la sortie 15 un signal de valida- tion d'une durée de 100 jus qui est retardé de 100 ns par le circuit de retard 20 dont le signal de sortie actionne un commutateur de Q à l'intérieur du laser 19, ce qui fait apparattre une impulsion de sortie laser 21 après le retard de fonctionnement du commutateur de Q qui est habituelle- ment de l'ordre de 300 ns. Après réflexion sur l'objectif 22, le détecteur 10 reçoit l'impulsion laser 21, ou tout au moins sa partie réfléchie, 23. Le circuit de commande 11 est conçu de façon qu'à la réception du signal de validation de 50 ms sur la sortie 14, il génère une tension d'alimentation temporaire notable- ment supérieure à la tension de claquage du détecteur 10, par exemple 600 V, et il applique cette tension d'alimenta- tion au détecteur 10 et à un dispositif 24 destiné à déter- miner la tension de claquage du détecteur 10, cette dernière étant la tension de polarisation que le dispositif 24 éta- blit aux bornes du détecteur 10. Ensuite, à la réception de l'impulsion de validation de 100 lus sur la sortie 15, le circuit 11 fait en sorte que la tension de polarisation que le dispositif 24 applique au détecteur 10 soit réduite à zéro au bout d'environ 200 ns, c'est-à-dire immédiatement avant le déclenchement du laser 19, et augmente ensuite à une vitesse définie jusqu'à 90%-seulement de la tension de -polarisation établie précédemment par le dispositif 24. Cette vitesse commandée produit une augmentation progressive de la sensibilité du récepteur entre 2 lis et X ps après le déclenchement du laser. Ainsi, la photodiode n'a aucun gain appréciable pendant l'intervalle de temps de 2 ps au cours duquel on peut s'attendre à ce que le rayonnement émis par le laser 19 produise un rayonnement rétrodiffusé par les éléments optiques, et elle a un gain réduit pendant l'inter- valle de temps de 2,is à X Fis au cours duquel on peut s'attendre à un rayonnement rétrodiffusé par l'atmosphère. Après un intervalle de temps prédéterminé depuis la récep- tion du signal sur la sortie 15, le circuit 11 augmente la tension de polarisation appliquée à la photodiode 10, depuis le niveau de tension de fonctionnement vers le niveau de tension de claquage et, finalement, cette tension se réduit à zéro lorsque la tension d'alimentation diminue jusqu'à zéro avant la réception d'un signal suivant de validation de charge, de 50 ms. Du fait qu'une polarisation nulle est appliquée au détecteur à l'instant o le laser est déclenché, le risque de détérioration du détecteur par le rayonnement rétrodiffu- sé est fortement réduit et il n'y a pas de danger que les amplificateurs soient saturés au début de la période de mesure de distance. En outre, à la fin de la période de X ps, la polarisation appliquée au détecteur est proche de la tension de fonctionnement recommandée par le fabricant pour obtenir la sensibilité maximale. La figure 3 représente schématiquement un circuit particulier pour l'accomplissement des opérations précéden- tes et la figure 4 montre des signaux qui interviennent dans ce circuit. Comme le montre la figure 3, le condensateur Ci est chargé à environ 600 V par la diode Dl, à partir de la ligne 30 qui correspond à la sortie d'un abaisseur de tension dont l'entrée est connectée à la sortie du circuit de charge 18 (voir la figure 2), lorsque le séquenceur 16 génère une impulsion de validation de charge de 50 ms. Le condensateur Cl fait fonction d'alimentation pour polariser la photodiode 10 et la tension de polarisation qui apparaît au point A sur la figure 3 augmente depuis zéro jusqu'au niveau de tension de claquage avec une constante de temps Tl = R2.C6. Ceci résulte de la présence de la diode D3 qui shunte le conden- sateur C5, du condensateur C4 qui shunte la résistance R3 et du fait que la résistance R4 a une valeur très inférieure à celle de la résistance R2. La résistance R3 est employée pour limiter le courant de la photodiode à moins de 100 Ii au niveau de tension de claquage et, pour une photodiode RCA C30895, elle doit avoir une valeur de 22M5L. Cependant, ceci limite la vitesse d'augmentation de la tension de pola- risation au point A et, pour cette raison, on utilise le condensateur C4 qui a une valeur qui est approximativement dix fois supérieure à celle du condensateur C6. Par consé- quent, le condensateur C6 ne peut se charger qu'à environ % de la tension d'alimentation présente sur le condensa- teur Cl, c'est-à-dire à environ 540 V, ce qui est supérieur à la tension de claquage de la photodiode 10, mais lorsque la photodiode atteint le niveau de claquage, la tension sur le condensateur C6 est limitée et est maintenue au niveau de claquage. Pendant cette opération, le circuit ICi, qui est un multivibrateur monostable de type D, a un signal de sor- tie égal à zéro et il maintient le transistor TRi dans son état bloqué. Le circuit ICi est déclenché par le signal de validation présent sur la sortie 15 (figure 12) et il pro- duit une impulsion de validation de 100 ps pour provoquer la conduction du transistor TRi. La résistance Ri est desti- née à limiter le courant et le condensateur C3 est un con- densateur d'accélération. Lorsque le transistor TRI devient conducteur, les points A et B sont rapidement amenés à 0 V, mais la diode D2 les empêche de passer à un potentiel néga- tif lorsque le condensateur C5 tente de se charger jusqu'au niveau de tension conservé par le condensateur C6, avec une constante de temps T2 = C5 x R4. Cependant, C6 est en série avec C5 en ce qui concerne le courant de charge et du fait que C6/C5, 10/1, la tension qui est finalement emmagasinée aux bornes de C5 est limitée à 90% de la tension de claquage, ce qui correspond à la tension de fonctionnement sélection- née pour la photodiode. A la fin de l'impulsion de valida- tion produite par IC1, le transistor TRi se bloque, ce qui fait que la tension d'alimentation du condensateur Cl est à nouveau appliquée au point A, donnant ainsi un niveau accru de tension d'alimentation qui se réduit progressive- ment jusqu'à zéro, au fur et à mesure que la charge emmaga- sinée dans le condensateur Ci se dissipe par la photodiode. Le signal de sortie vidéo de la photodiode 10 est prélevé sur l'anode par le condensateur C7 (10 pF) qui, en combinaison avec les diodes D4, D5 polarisées en inverse, empêche que des impulsions transitoires de forte amplitude, d'une polarité ou de l'autre, soient appliquées à l'amplifi- cateur et compteur 12 (figure 2). La diode Dl évite que le condensateur Cl se décharge en sens inverse par la sortie 14. On voit maintenant que dans le circuit de la figure 3 le condensateur C6 mesure le niveau de tension de claquage de la photodiode à la température à laquelle le dispositif fonctionne, quelle que soit cette température, et le circuit IC1 et le transistor TR1 fonctionnent conjointement de façon à commander la tension de polarisation afin qu'elle soit égale à zéro au moment du déclenchement du laser, ce qui assure la protection contre la rétrodiffusion par les éléments optiques, après quoi ils fonctionnent d'une manière similaire aux principes de la technique de gain programmé dans le temps, de façon à faire fonctionner la photodiode avec une sensibilité réduite lorsqu'on prévoit la présence d'une rétrodiffusion atmosphérique, et ils maintiennent ensuite la tension de polarisation au niveau de tension de fonctionnement pendant une durée suffisante pour contr8ler les impulsions de retour provenant d'objectifs éloi- gnés, avant de retourner à l'état inactif. Le résultat final est que la photodiode fonctionne avec une caractéristique gain-temps presque linéaire qui atteint le gain maximal (120) en un intervalle de temps de 3, 5 T2, tandis que le gain du système récepteur est réduit de plus de 40 dB au début de la période de mesure de distance. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Télémètre à laser dans lequel le récepteur com- prend une photodiode à avalanche dont la tension de polari- sation est fournie par un circuit commandé au cours du temps par l'émetteur laser de façon à établir une tension de pola- risation pratiquement nulle lorsque l'émetteur est déclenché et à augmenter ensuite la tension de polarisation pendant un intervalle de temps prédéterminé pour établir une tension de polarisation finale, caractérisé en ce que la tension de polarisation finale est pratiquement égale à une valeur inférieure d'un pourcentage fixé à la tension de claquage de la photodiode (10) qui existe immédiatement avant le déclenchement de l'émetteur laser (19), et ce circuit (11, 24) ccmporte des moyens (C6) pour déterminer la tension de claquage à la température de fonctionnement existant immé- diatement avant le déclenchement de l'émetteur laser (19). 2. Télémètre à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit (11, 24) comprend une pre- mière source de tension (Cl) ayant un niveau notablement supérieur à la tension de claquage, ce niveau pouvant être appliqué à la photodiode (10) immédiatement avant le déclenchement de l'émetteur laser (19) pour déterminer la tension de claquage qui existe au moment considéré. 3. Télémètre à laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de détermination (C6) sont conçus de façon à constituer une seconde source de tension pour la photodiode (10) pendant la-variation commandée dans le temps de la tension de polarisation. 4. Télémètre à laser selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de détermination (C6) com- prennent un premier condensateur (C6) qui est connecté en parallèle avec la photodiode (10) lorsque la première source de tension (Cl) est appliquée à la photodiode, pour détermi- ner la tension de claquage; et le circuit (11, 24) comprend un dispositif de commutation (TR1) qui est commandé dans le temps par l'émetteur laser (19) et qui, lorsqu'il est action- né, fait en sorte que le premier condensateur (C6) constitue une seconde source de tension, et ce dispositif de commuta- tion (TRI) connecte un second condensateur (C5) en parallèle sur la photodiode (10), grâce à quoi les valeurs de capacité relatives des premier et second condensateurs (C6, C5) déterminent ledit pourcentage.