Brevet FR2571148A1 — publié le 19860404

Détecteur de faisceau lumineux à photodiode à circuit de réglaqe du point de fonctionnement L'invention concerne les détecteurs de faisceau lumineux modulé à une fréquence qui constitue le para- mètre significatif à mesurer, du type utilisant comme capteur photoélectrique une photodiode à avalanche re- cevant le faisceau lumineux. L'invention trouve une application particulièrement importante dans les dispo- sitifs détecteurs incorporés à des appareils utilisant deux faisceaux de lumière cohérente provenant d'une même source, dont l'un est soumis au phénomène physique à étudier, qui affecte la fréquence, les deux faisceaux de lumière étant ensuite mélangés sur le capteur constitué par la photodiode. L'intensité du faisceau modifié par le phénomène physique est en général faible devant celle de l'autre faisceau, dit "oscillateur local". L'intensi- té de cet autre faisceau a souvent le même ordre de grandeur que l'intensité de la source de lumière. La photodiode fournit un signal électrique ayant une compo- sante à la fréquence de battement des deux faisceaux. L'utilisation d'une photodiode à avalanche comme capteur soulève des problèmes. En particulier le point de fonctionnement nominal de la photodiode dépend non seulement de la tension électrique de polarisation, dont on est maitre, mais aussi de l'intensité de lumière re- çue, c'est-à-dire dans la pratique essentiellement de l'intensité du faisceau oscillateur local et de la tem- pérature. La courbe représentant la caractéristique de fonctionnement de la photodiode dépend elle-même de ce point de fonctionnement et de ses paramètres. Or, le fonctionnement de la photodiode est optimal, notamment en ce qui concerne le rapport signal à bruit, lorsque la tension de polarisation est réglée à une valeur juste inférieure à celle qui provoque l'effet d'avalanche, c'est-à-dire est réglée à un point de la caractéristique situé juste avant le coude de celle-ci. Etant donné 7 1 1 48 qu'il faut éviter de dépasser ce coude de la caractéris- tique lors du fonctionnement en dépit des variations inévitables, on a jusqu'ici adopté un compromis consis- tant à régler la tension de polarisation à une valeur telle que l'on reste toujours en déçà de la zone d'ava- lanche. Cette solution ne permet pas d'exploiter com- plètement les possibilités de la photodiode à avalanche, puisque la tension de polarisation sera telle que le point de fonctionnement nominal est nettement en dessous de la zone d'avalanche. L'invention vise à fournir un détecteur de fais- ceau lumineux du type ci-dessus défini répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pra- tique, notamment en ce qu'il n'est plus soumis à la né- cessité du compromis-mentionné ci-dessus. Pour cela, l'invention utilise le fait que bien souvent le paramètre caractéristique à mesurer n'est pas l'énergie lumineuse reçue par la photodiode mais la fré- quence de modulation du faisceau et qu'en conséquence l'absence d'une loi de proportionnalité entre énergie lumineuse reçue et intensité du signal fourni par le capteur est sans inconvénient. Elle propose en consé- quence un détecteur du type ci-dessus défini comprenant un circuit de mesure du courant moyen traversant la pho- todiode à avalanche et des moyens commandés par ledit - circuit et appliquant à la diode une tension de polari- sation telle que ledit courant moyen soit sensiblement égal à une valeur de consigne ajustable. Cette valeur de consigne pourra être déterminée expérimentalement du fait que l'effet d'avalanche se traduit par l'apparition d'un courant inverse dans la photodiode, courant présentant une montée rapide. On peut ainsi obtenir un rapport signal à bruit qui est pratiquement le meilleur possible. Un limiteur est avantageusement prévu sur les moyens commandés par le circuit de mesure de façon à éviter de donner à la tension de polarisation une valeur incompatible avec la tenue de longue durée de la photo- diode à avalanche. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'execu- tion donnés à titre d'exemples non limitatifs. La des- cription se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel: - la Figure 1 est un schéma synoptique du dispo- sitif; - la Figure 2 est un schéma électrique d'une boucle de réglage particulière pour un tel dispositif. Le dispositif montré schématiquement sur la Figure 1 constitue un détecteur de faisceau lumineux hétérodyné. Ce détecteur comporte un capteur photoélec- trique constitué par une photodiode à avalanche 10 qui reçoit le faisceau. Ce dernier est constitué par la su- perposition de deux composantes provenant l'une et 1-'autre d'une source de lumière cohérente 12, qui sera généralement un laser. La première composante, que l'on- peut considérer comme un oscillateur local, transporte la presque totalité de l'énergie reçue par la photodiode 10. Sur la Figure 1, cette composante 14 est envoyée sur la photodiode 10 à partir du laser 12 par une lame semi- réfléchissante 16 et des miroirs 18 et 20. L'énergie ap- portée à la photodiode 10 par cette composante dépend évidemment de l'intensité du faisceau fourni par le laser 12 et de.l'absorption subie sur le trajet. La seconde composante 22 est soumise, en 24, à l'action d'un phénomène physique qui affecte la fré-- quence de la composante. Cette dernière transporte une énergie faible, souvent inférieure de plusieurs ordres de grandeur à l'énergie de l'oscillateur local. Les deux composantes sont mélangées sur la surface sensible de la photodiode 10 qui fournit en réponse, sur une sortie 26, un signal faisant apparaître une fréquence égale à la fréquence de battement des deux composantes 14 et 22. Le détecteur comporte un circuit de réglage du point de fonctionnement de la photodiode 10. Ce circuit est constitué par une boucle agissant sur la tension de polarisation V appliquée à la photodiode 10. La boucle de réglage peut être regardée comme comportant un cir- cuit de mesure du courant moyen traversant la photodiode et des moyens de réglage de la tension de polarisation V. Le circuit 28 de mesure du courant moyen com- porte un filtre passe-bas ayant une fréquence de coupure de quelques Hz, et un intégrateur. Le courant de sortie du circuit 28 est appliqué, dans le mode de réalisation représenté, à un limiteur 30 de protection, qui. transmet le courant qu'il reçoit du circuit 28 dans la mesure o il ne dépasse pas une valeur déterminée, pouvant être ajustable, correspondant à la tension de polarisation maximale acceptable pour la photodiode 10. Le courant de sortie du limiteur 30, constituant signal de commande, est appliqué à un dispositif 32 de réglage de la tension de polarisation. Ce dispositif comprend un comparateur auquel sont appliqués le signal de commande provenant du limiteur 30 et un signal de référence ajustable V choi- r si en fonction de la valeur de consigne du courant moyen traversant la photodiode 10. Les circuits 28, 30 et 32 peuvent être consti- tués en composants classiques. La Figure 2 montre une réalisation de la boucle de réglage utilisable avec une photodiode à avalanche sur silicium, à large bande pas- sante, comportant un préampliFicateur incorporé fournis- sant une tension de sortie proportionnelle au courant dans la photodiode. Les composants de la boucle de la Figure 2 ont une disposition différente de celle de la Figure 1 mais procurent un résultat éqivalent. Ceux de 7 1 1 4 8 ces composants qui correspondent à ceux de la Figure 1 portent le même numéro de référence. La tension de sortie de la diode 10 est prélevée à travers un condensateur 34 pour être exploitée en tant que signal de mesure. Cette tension est directement ap- pliquée à l'une des entrées d'un amplificateur différen- tiel d'asservissement 36 monté en intégrateur. L'autre entrée de l'amplificateur 36 reçoit la tension de réfé- rence Vr représentant la valeur de consigne du courant moyen traversant la diode, ajustable à l'aide d'un po- tentiomètre 38. Les moyens-de réglage de la tension de polarisa- tion V comprennent un convertisseur continu/continu haute tension 32 et un transistor 40 de commande de la tension d'alimentation du convertisseur 32. Le signal de sortie de l'amplificateur différentiel 36 est appliqué à la base du transistor 40 par l'intermédiaire d'une diode 42. Une diode zener 30 constitue un limiteur d'entrée destiné à éviter que la tension d'entrée du convertis- seur 32 ne dépasse une valeur pour laquelle la tension de sortie serait excessive pour la photodiode 10. Une seconde diode zener 44, placée à la sortie du convertis- seur 32, assure une sécurité supplémentaire. Pour maintenir la photodiode 10 en état de fonc- tionnement, il est nécessaire que sa tension de polari- sation ait une valeur minimum. L'amplificateur 36 ris- que, en cas d'accroissement intense du flux lumineux reçu par la photodiode, d'abaisser la tension au-dessous de ce minimum. Pour permettre le fonctionnement dans ce cas, la boucle comporte un élément permettant de main- tenir la tension de polarisation au-dessus du minimum. Dans le cas montré en Figure 2, cet élément est consti- tué par un potentiomètre 46 relié à la base du transis- tor 40. A titre d'exemple, on peut indiquer qu'une bou- cle de régulation du type montré en Figure 2 a été appliquée à une photodiode C 30950 de la société RCA, comportant un préamplificateur incorporé et fournissant une tension proportionnelle au courant diode. Le conver- tisseur continu/continu était de type PF 1041 P de RCA, assurant la proportionalité entre tensions d'entrée et de sortie. Les diodes zener 30 et 44limitaient respec- tivement les tensions appliquées à 4 Volts et 480 Volts. REVENDICATIONS 1. Détecteur de faisceau lumineux modulé à une fréquence qui constitue le paramètre significatif à me- surer, utilisant comme capteur photoélectrique une pho- todiode à avalanche (10) recevant le faisceau lumineux, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit (28) de mesure du courant moyen traversant la photodiode à ava- lanche et des moyens (32) commandés par ledit circuit (28) et appliquant à la photodiode une tension de pola- risation telle que ledit courant moyen soit sensiblement égal à une valeur de consigne ajustable. 2. Détecteur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens commandés par ledit circuit comportent également-au moins un limiteur (30,44) prévu pour éviter de donner à la tension de polarisation (V) une valeur incompatible avec la teneur à long terme de la photodiode. 3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2. ca- ractérisé en ce que le circuit (28) de mesure du courant moyen comprend un filtre passe-bas ayant une fréquence de coupure de quelques Hertz. 4. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le circuit (28) de mesure de cou- rant moyen comprend un amplificateur différentiel inté- grateur recevant le signal de sortie de la photodiode et une tension de référence représentant la valeur de con- signe et les moyens commandés (32) comportent un conver- tisseur continu-/continu dont la tension d'entrée est fournie par un circuit à transistor commandé par l'am- plificateur différentiel. 5. Détecteur selon la revendication 4, caracté- risé en ce que le convertisseur est muni de moyens de réglage (46) lui imposant une tension de sortie mini- male. 6. Détecteur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que le faisceau 2 5 7 1 1 4 8 lumineux provient de la juxtaposition de deux compo- santes provenant d'une même source (12) de lumière cohé-- rente, dont l'une est soumise à un phénomène physique à étudier qui affecte la fréquence et présente une inten- sité beaucoup plus faible que celle de '1 autre compo- sante.