Brevet FR2549951A1 — publié le 19850201

Dispositif optique pour déterminer la position d'un objet La présente invention concerne un dispositif optique pour déterminer la position d'un objet, ce dispositif étant d'un type comportant - un générateur d'un rayonnement optique, - un système optique d'émission placé à la sortie du générateur pour former, suivant une axe d'émission, un faisceau illuminant une portion de la surface de l'objet, - un système optique de réception disposé pour concentrer, suivant un axe de réception coupant l'axe d'émission, l'énergie optique renvoyée par l'objet, - un récepteur photoélectrique disposé sur l'axe de réception pour recevoir l'énergie optique concentrée, - des moyens pour faire tourner le faisceau autour d'un axe de rotation perpendiculaire au plan défini par les axes d'émission et de réception, de façon à déplacer leur point d'intersection - et un circuit de traitement relié à la sortie du récepteur et aux moyens pour faire tourner le faisceau. Dans un dispositif connu de ce type, les axes d'émission et de réception se coupent à proximité de l'objet. Lorsqu'on fait tourner le faisceau d'émission, le récepteur délivre un signal électrique qui passe par une valeur maximale à l'instant où le point d'intersection des axes est situé sur la surface de l'objet. Le circuit de traitement détermine l'instant où le signal est maximum et calcule la distance de l'objet à partir de la loi de rotation du faisceau. Le dispositif décrit ci-dessus présente des inconvénients. En effet, il est difficile de l'adapter à la détermination de la distance d'une pluralité de points de l'objet, c'est-à-dire à la reconnaissance de la forme de l'objet. D'autre part, il utilise généralement des moteurs électriques pour entrainer en rotation des miroirs afin de faire tourner le faisceau d'émission, ce qui complique le dispositif et entraine une durée de mesure trop longue pour certaines applications. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients, et de réaliser un dispositif de ce type ne comportant aucune pièce mobile et capable de reconnaitre la forme d'un objet en un temps extrêmement court, avec une bonne précision. La présente invention a pour objet un dispositif pour déterminer la position d'un objet, du type spécifié plus haut, caractérisé en ce que - le générateur est un émetteur laser à fréquence de rayonnement commandable, - le système optique d'émission comporte un guide d'onde optique principal dont une extrémité est couplée à la sortie de l'émetteur laser et n guides d'onde optique auxiliaires branchés successivement en dérivation sur le guide d'onde principal, les extrémités libres des n guides d'onde auxiliaires aboutissant respectivement à n points équidistants et alignés sur un segment pour former une antenne optique, la longueur des guides d'onde auxiliaires et la disposition des branchements en dérivation des guides d'onde auxiliaires sur le guide d'onde principal étant déterminés pour que le rayonnement laser sortant de chacun desdits n points présente un retard de phase par rapport au rayonnement entrant dans le guide d'onde principal, les retards de phase augmentant d'une extrémité à l'autre de l'antenne, celle-ci étant disposée perpendiculairement audit axe de rotation de façon que les faces extrêmes des extrémités libres des guides d'onde auxiliaires soient orientées vers ledit objet, cette antenne émettant un faisceau plat disposé suivant un plan mobile contenant l'axe de rotation, cet axe coupant perpendiculairement le segment en son milieu, le faisceau plat illuminant la surface de l'objet suivant une courbe de cette surface, - les moyens pour faire tourner le faisceau sont des moyens pour faire varier la fréquence du rayonnement de l'émetteur laser suivant une loi prédéterminée, le plan mobile tournant autour de l'axe de rotation de manière que ladite courbe balaie la surface de l'objet, - le récepteur est un réseau plan de photodétecteurs, - et le circuit de traitement est capable de délivrer, au cours de la rotation du faisceau, des informations sur la position de ladite courbe, cette position étant définie par l'intersection avec le plan mobile, du cône ayant pour sommet le centre optique du système optique de réception et s'appuyant sur l'image de ladite courbe, formée par le système optique de réception, sur le réseau de photodétecteurs. Des formes particulières de l'objet de la présente'invention sont décrites ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue partielle dans l'espace, illustrant le fonctionnement du dispositif représenté sur la figure 1, - la figure 3 est une vue d'un réseau de fibres optiques permettant de réaliser une antenne optique faisant partie du dispositif illustré par la figure 1 - et les figures 4A et 4B sont des diagrammes illustrant le fonctionnement du dispositif illustré par la figure 1. Sur la figure 1, est représenté un émetteur laser 1 à fréquence de rayonnement commandable, du type de celui décrit dans l'article xHigh speed direct single-frequency modulation with large tuning rate and frequency excursion in cleaved-coupled-cavity semiconduotor lasers (W.T. Tsang et al), extrait de la revue des Etats Unis d'Amérique 'IApplied Physics Letters" volume 42, nO 8, 15 avril 1983, pages 650 à 652. L'émetteur laser 1 est un composant semi-conducteur à contrôle électronique de fréquence ; il comprend deux diodes couplées 2 et 3 jouant respectivement les rôles de laser proprement dit et de modulateur. Un circuit d'alimentation 4 comprend deux parties 5 et 6 reliées respecti- vement aux diodes 2 et 3. A la sortie de la diode laser 2, est branchée une antenne optique 7 suivant un axe 8. A proximité de l'émetteur 1 et de l'antenne 7, sont placés un système optique convergent achromatique 9 et un réseau plan de photodétecteurs 10 centrés sur un axe 11 parallèle à l'axe 8. La sortie électrique du réseau 10 et le circuit 6 sont reliés à un circuit de traitement 12. La figure 3 représente un réseau de fibres optiques à l'aide duquel on réalise l'antenne 7. Ce réseau est fixé sur une feuille souple 13 en matière plastique ayant la forme d'un rectangle. Le réseau comprend une fibre optique principale 14 disposée suivant une diagonale de la feuille 13 et six fibres optiques auxiliaires 15 à 20 branchées en dérivation sur la fibre 14 ; les fibres auxiliaires sont disposées parallèlement aux grands côtés du rectangle et leurs extrémités libres sont équidistantes et alignées suivant n points 21 à 26 situés sur un petit côté 27 du rectangle. On enroule la feuille 13 sur elle même autour d'un axe parallèle aux petits côtés du rectangle, de manière à former une antenne cylindrique de faible diamètre.On commence l'enroulement de la feuille 13 par le côté 28 opposé au.côté 27 du rectangle, de manière que les points 21 à 26 soient situés à l'extérieur de la feuille enroulée. On couple ensuite la face d'entrée 29 de la fibre optique 14 à la sortie du laser 2 et on oriente l'antenne de manière que les faces de sortie des fibres auxiliaires situées aux points 21 à 26 soient dirigées vers l'objet à reconnaitre. Le dispositif représenté sur la figure 1 fonctionne de la manière suivante. La partie 5 du circuit d'alimentation 4 fournit à la diode 2 un courant constant, tandis que la partie 6 du circuit 4 fournit à la diode 3 (qui joue le rôle de modulateur) une suite relaxée de rampes de courant linéaires croissantes. La figure 9A représente la variation, en fonction du temps t, de l'intensité électrique I fournie par le circuit 6 à la diode 3, cette intensité I variant entre les valeurs extrêmes I1 et I2 dans chaque rampe. On sait que, dans ces conditions, la longueur d'onde L du rayonnement émis par l'émetteur laser 1 varie, proportionnellement à l'intensité I, entre des limites L1 et L2, comme indiqué sur le diagramme de la figure 4B, dans lequel le temps est porté en abscisse à la même échelle que celle de la figure 4A. La structure de l'antenne 7 (vois figure 3) permet de créer un retard de phase entre le rayonnement sortant de chacun des points 21 à 26 et celui qui entre en 29 dans la fibre optique principale. Ces retards croissent du point 21 au point 26. Donc, à chaque instant, l'antenne 7 qui reçoit le rayonnement de l'émetteur laser t, émet un faisceau plat 30 (voir figure 3) situé dans un plan P pivotant autour d'un axe 31 représenté de bout sur la figure 1. L'axe 31 est compris dans le plan P et coupe perpendiculairement l'axe 8 au milieu de la longueur de l'antenne 8. Le pivotement du plan P autour de l'axe 31 est provoqué par la variation de longueur d'onde du rayonne ment émis par l'émetteur laser 1. Lorsque la longueur d'onde varie entre les limites L1 et L2, le plan P pivote entre deux positions extrêmes P1 et P2 indiquées sur la figure 1. Le faisceau plat 30 coupe la surface d'un objet 32 à reconnaitre suivant une ligne 33 qui se déplace sur l'objet au cours de la rotation du plan P. L'axe 11 du système optique 9 coupe les plans P1 et P2 de façon que le champ angulaire 34 du système optique de réception présente avec le champ angulaire A (figure 1) balayé par le plan P un volume commun 35 dans lequel se trouve l'objet. Le système optique 9 forme sur le réseau 10 de photodétecteurs une image 36 de la courbe 33 (figure 3). On connait la loi de variation de la longueur dlonde du rayonnement laser en fonction du temps (figure 4B). Il est donc possible de déterminer à chaque instant la position de la ligne 33 de l'objet 32 par rapport au dispositif. En effet, cette position est définie par l'intersection du plan P (dont la position est déterminée par la loi de variation de la longueur d'onde) avec le cône 38 de sommet 37 s'appuyant sur la courbe 36, le point 37 étant le centre du système optique de réception 9. Le circuit de traitement 12 délivre, au cours de la rotation du plan P, des informations sur la position de la courbe 33, ce qui permet de reconnaitre la forme de l'objet 32 à chaque rotation du plan P de P1 à P2. Afin d'avoir un faisceau plat d'émission assez large pour couper toute la surface de l'objet, le diamètre d'enroulement de l'antenne optique doit être aussi faible que possible. De plus, pour avoir un faisceau d'émission aussi plat que possible, la hauteur de l'antenne optique doit être grande par rapport à la longueur d'onde L du laser. L'angle A que font entre eux les plans limites P1 et P2 est proportionnel au déphasage maximal entre l'entrée et la sortie du rayonnement laser dans l'antenne. Or ce déphasage est également proportionnel à la longueur maximale du chemin optique parcouru dans les fibres optiques par le rayonnement laser. Pour que l'angle A soit suffisamment grand, il convient donc d'utiliser, pour réaliser l'antenne, une feuille souple dont la longueur est grande par rapport à la largeur (qui correspond à la hauteur de l'antenne). A titre indicatif, le laser 1, d'une puissance de un mw, émet à une longueur d'onde de un micron, que l'on peut faire varier dans une plage de 0,015 micron. L'antenne optique associée à ce laser peut avoir une hauteur de un centimètre et un diamètre de quelques millimètres. cette antenne optique peut être réalisée à l'aide d'une feuille souple de matière plastique en forme de rectangle dont la longueur est de un mètre et la largeur de un centimètre. Dans ces conditions l'angle A peut être de l'ordre de 60 degrés. Le système optique de réception peut avoir un diamètre utile de dix centimètres et le réseau de photodétecteurs peut comporter 100 rangées de cent photodétecteurs. Un tel dispositif permet de reconnaitre la forme d'un objet de dimension principale dix centimètres, placé à un mètre du dispositif, avec une précision de l'ordre du millimètre. Le dispositif selon la présente invention peut être appliqué dans le domaine de la robotique. Il permet par exemple de reconnaitre la forme d'un objet à saisir par un robot. Il peut être utilisé aussi dans un dispositif automatique d'usinage, pour comparer la forme d'un objet à usiner avec celle qu'on se propose d'obtenir. REVENDICATIONS 1/ Dispositif optique pour déterminer la position d'un objet, comportant - un générateur d'un rayonnement optique, - un système optique d'émission placé à la sortie du générateur pour former, suivant une axe d'émission, un faisceau illuminant une portion de la surface de l'objet, - un système optique de réception disposé pour concentrer, suivant un axe de réception coupant l'axe d'émission, l'énergie optique renvoyée par l'objet, - un récepteur photoélectrique disposé sur l'axe de réception pour recevoir l'énergie optique concentrée, - des moyens pour faire tourner le faisceau autour d'un axe de rotation perpendiculaire au plan défini par les axes d'émission et de réception, de façon à déplacer leur point d'intersection - et un circuit de traitement relié à la sortie du récepteur et aux moyens pour faire tourner le faisceau, caractérisé en ce que - le générateur est un émetteur laser (1) à fréquence de rayonnement commandable, - le système optique d'émission comporte un guide d'onde optique principal (14) dont une extrémité (29) est couplée à la sortie de l'émetteur laser (1) et n guides d'onde optique auxiliaires (15 à 20) branchés successivement en dérivation sur le guide d'onde principal, les extrémités libres des n guides d'onde auxiliaires aboutissant respectivement à n points (21 à 26) équidistants et alignés sur un segment (27) pour former une antenne optique (7), la longueur des guides d'onde auxiliaires et la disposition des branchements en dérivation des guides d'onde auxiliaires sur le guide d'onde principal étant déterminés pour que le rayonnement laser sortant de chacun desdits n points présente un retard de phase par rapport au rayonnement entrant dans le guide d'onde principal, les retards de phase augmentant d'une extrémité à l'autre de l'antenne, celle-ci étant disposée perpendiculairement audit axe de rotation de façon que les faces extrêmes des extrémités libres des guides d'onde auxiliaires soient orientées vers ledit objet (32), cette antenne émettant un faisceau plat (30) disposé suivant un plan mobile (P) conte nant l'axe de rotation (31), cet axe coupant perpendiculairement le segment (27) en son milieu, le faisceau plat illuminant la surface de l'objet (32) suivant une courbe (33) de cette surface, - les moyens pour faire tourner le faisceau sont des moyens (5, 6) pour faire varier la fréquence du rayonnement de l'émetteur laser (1) suivant une loi prédéterminée, le plan mobile (P) tournant autour de l'axe de rotation (31) de manière que ladite courbe (33) balaie la surface de l'objet (32), - le récepteur est un réseau plan (10) de photodétecteurs, - et le circuit de traitement (12) est capable de délivrer, au cours de la rotation du faisceau (30), des informations sur la position de ladite courbe (33), cette position étant définie par l'intersection avec le plan mobile (P), du cône (38) ayant pour sommet le centre optique (37) du système optique de réception (9) et s'appuyant sur l'image (36) de ladite courbe (33), formée par le système optique de réception (9), sur le réseau de photodétecteurs (10). 2/ Dispositif selon la-revendication 1, caractérisé en ce que lesdits guides d'onde principal (14) et auxiliaires (15 à 20) soit des fibres optiques fixées sur une feuille souple (13) enroulée sur elle même autour d'un axe parallèle audit segment (27). 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la feuille souple (13) a la forme d'un rectangle, la fibre optique principale (14) étant fixée suivant une diagonale du rectangle, les fibres optiques auxiliaires (15 à 20) étant fixées parallèlement à la longueur du rectangle. 4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur laser (1) est un laser à semi-conducteur et à contrôle électronique de fréquence.