Brevet FR2712703A1 — publié le 19950524

La présente invention concerne un dispositif optique d'aide à la conduite, pour un véhicule automobile notamment. Elle exploite une technologie dénommée "lidar# et se place avantageusement dans un feu de signalisation ou un projecteur d'éclairage de véhicule. Elle utilise aussi au moins une lampe à décharge, du genre remplie de Xénon ou d'un gaz du même genre, et, d'une manière générale, des technologies déjà éprouvées et relativement répandues dans le domaine de l'automobile, ce qui rend l'application de l'invention à ce domaine possible. L'embarquement à bord de véhicules automobiles de moyens autonomes d'aide & la navigation est à ce jour considéré comme un axe de développement important visant & réduire le nombre de victimes des accidents de la circulation. Les moyens liés à l'infrastructure routière seront aussi appelés à se développer mais ne sont pas abordés ici. Parmi ces moyens autonomes, on distingue les moyens actifs et les moyens passifs. Ces derniers font généralement appel à des moyens de détection optronique, éventuellement à imagerie et assez généralement utilisant des bandes placées dans l'infrarouge, proche (0, 8pm vitesse relative de l'obstacle par effet DOPPLER. Ces trois techniques présentent des inconvénients sur plusieurs critères qui sont déterminants: - performances, - encombrement, - coûts, intégration dans le véhicule, - synergie avec des organes pré- existants, etc. On retiendra ainsi pour les radars l'utilisation tout temps en particulier & travers le brouillard ou la pluie. Cependant, l'encombrement et la directivité de l'antenne des lidars présentent un grand intérêt dans une plus grande simplicité du traitement du signal. Les variations de vitesse du son, en fonction des conditions atmosphériques, ainsi que la plus grande sensibilité potentielle à la pollution phonique des capteurs à base d'ultrasons, les destinent à des solutions pour des classes à basse performance (sonars de reculs pour cars, camions, etc.). Parmi les candidats possibles entrant dans la réalisation de sources pour lidars, l'invention a cherché des solutions à état solide pour leur plus grande fiabilité, leur coût de production intrinsèquement plus faible allié à un coût de possession réduit. Si l'on s'intéresse à une solution lidar, comme dispositif anti- collision, on aura soin d'assurer la sécurité oculaire en sortie de pupille ou d'antenne de laser, pour des raisons évidentes, ce qui est une contrainte vis-à-vis du radar qui s'en affranchit totalement. Il faut savoir en effet que les dommages oculaires sont principalement de deux types, à savoir, cornéens ou rétiniens. Les longueurs d'ondes supérieures à 2gm sont en général fortement absorbées par l'eau ou bien les substances composants la cornée et sont donc à proscrire dans la mesure du possible. Inversement, celles inférieures à lpm environ traversent bien la cornée et se focalisent sur la rétine, rendant ainsi cette dernière vulnérable à une énergie ou une puissance crête trop importante. Il y a heureusement une plage assez restreinte o il est possible d'utiliser les lasers sans grand dommage pour l'oeil et elle est centrée autour de 1,54Mm. Pour illustrer ces considérations, les densités d'énergie maximales permises sont respectivement de MJ/cm2 et 1J/cm2 à 1,06pm et 1,54"m en entrée de pupille oculaire, ce qui représente une dynamique de 5 à 6 ordres de grandeur. Les solutions technologiques à l'état solide permettant d'émettre en sécurité oculaire sont à l'heure actuelle les suivantes: - les diodes laser & semi conducteur sur le système III-V InGaAsP/InP et employant des structures de confinement électronique à puits quantiques. Ces composants sont encore en cours de développement et on devrait s'attendre à voir leur rapport performances/coQt augmenter considérablement dans les mois ou les années & venir; - les lasers RAMAN; c'est le cas d'un laser YAG dopé au Néodyme pompant une cuve de méthane sous pression (30 - 50 bars) et permettant un transfert d'énergie sur le premier ordre Stokes (1,06pm -> 1,54pm). Si l'on sait faire des lasers YAG Nd à état solide, cette solution met néanmoins en jeu un gaz sous pression avec le danger d'explosion latent en cas d'accident. Cette solution est onéreuse et, de plus, limitée en cadence de répétition et en durée de vie; - les oscillateurs paramétriques optiques (OPO) sont certainement une voie ouvrant de très vastes horizons aux concepteurs et utilisateurs. Mettant en jeu des concepts avancés d'optique non linéaire, ils représentent technologiquement la solution la plus parfaite sur le plan des performances. Mais les matériaux qui sont susceptibles de rentrer dans leur composition sont encore mal maîtrisés, et ils coûteraient trop cher s'ils étaient produits en grande quantité; - les lasers à Erbium sont historiquement les premiers & être apparus, émettent & 1,54"m et on peut penser qu'ils sont à l'origne de bien des normes de sécurité oculaire, tant militaires que civiles. Leur rendement de pompage est maximal avec des lampes au Xénon et l'on essaie aussi aujourd'hui de les améliorer encore significativement avec des diodes de puissance à 980nm dont la structure tant d'indice optique que de confinement électronique fait appel à des matériaux contraints à puits quantiques. Aucune production de série pouvant conduire à des prix suffisamment bas n'existe à ce jour; aussi les lampes au xénon vont- elles encore être les moyens de pompage de l'ion Er3+ que l'on trouve dans des matrices de verres au phosphate résistant bien à la chaleur, éventuellement en présence d'autres ions tels que le chrome qui, par des processus de transfert d'énergie entre niveaux électroniques contribuent à un meilleur rendement de pompage. Les dimensions des lasers à ions terre rare tels le Néodyme ou l'Erbium peuvent être très variables, avec des cavités de l'ordre du mètre ou plus, tout comme du millimètre dans le cas des laser dits micro-chips. Ces derniers sont aujourd'hui activement développés au Etats- Unis pour leurs excellentes propriétés spectrales et modales qui rendent possible la détection hétérodyne, donc la mesure de la vitesse relative d'un obstacle par rapport & un véhicule. Du fait du développement actuel des lampes à décharge au xénon, l'application de l'invention au domaine de l'automobile est possible puisqu'elle les utilise pour pomper de petits lasers Erbium, éventuellement micro-chips. De ce fait, les caractéristiques et fonctions principales de l'invention sont: - assurer la protection du laser dans l'enceinte du projecteur dans lequel le générateur laser est disposé; - aucune ouverture dans la carrosserie, ni précaution supplémentaire d'ajustement n'est & envisager par le constructeur pour diriger l'énergie servant à la télémétrie, ce qui n'est pas le cas du radar de type hyperfréquences; - l'alimentation et le moyen de pompage du laser sont ou bien "gratuits" puisque déjà présents dans le projecteur, ou bien produits en quantités telles que leurs coûts sont rendus compatibles avec le marché de l'équipement automobile; puisqu'il y a deux phares dans une voiture, on peut éventuellement doubler ces lidars pour assurer plus de fiabilité ou bien augmenter les performances par multiplexage temporel des impulsions; - on peut aussi émettre à partir d'un phare et détecter dans l'autre en exploitant un schéma hétérodyne, ce qui permet d'éviter d'aveugler le détecteur lors du départ de l'impulsion. L'invention porte remède aux inconvénients de l'état de la technique précités et exploite les caractéristiques et fonctions avantageuses décrites ci- dessus. En effet la présente invention concerne un dispositif optique d'aide à la conduite pour véhicule automobile notamment. Ce dispositif comporte: - un générateur d'un faisceau laser dans une direction déterminée à une longueur d'onde et sous une puissance en sécurité oculaire; - au moins une lampe à décharge du genre comportant un gaz rare, comme du Xénon; - un échantillon d'un verre optique dopé à l'Erbium ou avec un dopant destiné à conférer à l'échantillon de verre optique des qualités d'émission lumineuse stimulée; - un système optique de concentration de flux lumineux généré par la lampe à décharge sur l'échantillon de verre optique; - un système optique de sortie du faisceau laser. Ce dispositif comporte aussi un récepteur d'un faisceau laser, récepteur pouvant être constitué par: - un photocomposant AsGa ou InP, ou - un générateur laser à verre dopé à l'Erbium, fonctionnant en récepteur, en détectant l'émission lumineuse induite par son éclairement laser. Le dispositif comporte aussi un dispositif de contrôle déterminant les caractéristiques du générateur et du récepteur. Il comporte aussi un dispositif de détection produisant des paramètres d'aide à la navigation, comme ceux basés sur la détection de la rétrodiffusion du milieu séparant un générateur laser d'un récepteur laser, de la réflectivité d'une cible disposée en face au moins du récepteur, le fonctionnement de ces mesures en mode DOPPLER, la mesure d'absorption en mode continu ou en mode impulsionnel. On peut ainsi produire des paramètres d'aide à la navigation comme: - l'état du brouillard, - la localisation de cibles comme les bords de la route ou des véhicules voisins, - la vitesse, l'accélération ou l'attitude soit du véhicule à bord duquel est embarqué le dispositif, soit de véhicules voisins, etc. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention seront mieux compris à l'aide de la description et des dessins annexés qui sont: - la figure i: un schéma d'un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention; - la figure 2: un schéma d'un mode de réalisation d'un générateur d'un faisceau laser; - la figure 3: un schéma d'un autre mode de réalisation d'un générateur d'un faisceau laser; - les figures 4 et 5: des schémas d'application du dispositif de l'invention au domaine de l'automobile; - la figure 6: un schéma d'un projecteur d'éclairage apte à recevoir un générateur laser selon l'invention. A la figure 1, on a représenté un schéma général d'un mode de réalisation de l'invention. Selon l'invention, une lampe à décharge i est placée devant un concentrateur de flux lumineux 2, le concentrateur de flux lumineux 2 a pour effet de concentrer au moins une partie du flux lumineux 3 sur un point focal 4 sur lequel est placé un échantillon d'un verre optique susceptible de produire une émission lumineuse stimulée connue sous le nom de laser. A cet effet, on choisit un verre optique dopé à l'Erbium ou de tout autre dopant destiné à conférer à l'échantillon de verre optique des qualités d'émission lumineuse stimulée. Classiquement pour réaliser le générateur de faisceau laser, selon l'invention, l'échantillon de verre optique doté de qualités d'émission lumineuse stimulée est principalement constitué par un barreau d'un verre à l'Erbium 5 placé entre un miroir semi réfléchissant 6, disposé du côté de sortie de l'émission stimulée, et d'un miroir réfléchissant 7 disposé sur la face opposée de façon à constituer un résonateur laser. Le faisceau de sortie du générateur de faisceau laser est préférentiellement transmis à travers un système optique de sortie 8 du faisceau laser. Le faisceau laser 9 présente un axe central 10 parfaitement déterminé en fonction de l'axe du résonateur laser 5-7 d'une part et de l'axe 11 principal du flux lumineux excitateur de pompage produit par la lampe à décharge 1 et le concentrateur 2. La lampe à décharge 1 est alimentée entre ses bornes 12 et 13 par un dispositif électronique convenable (non représenté), bien connu de l'homme de métier. La lampe & décharge est préférentiellement constituée par une lampe remplie de gaz xénon qui sert de moyens de pompage de l'ion Er3+ que l'on trouve dans des matrices de verre au phosphate, éventuellement en présence d'autres ions, tels que le chrome, pour améliorer le rendement de pompage. La lampe & décharge peut être une lampe destinée à l'éclairage de véhicule ou une lampe du même genre couramment dans le commerce, ce qui rend la présente invention réalisable sans investissement élevé. La lampe à décharge peut être une lampe spécialisée pour le pompage du laser ou être constituée par la lampe à décharge qui sert de source lumineuse pour un projecteur d'éclairage ou un feu de signalisation à l'intérieur duquel est disposé le générateur de faisceau laser. Dans ce dernier cas, le concentrateur 2 peut être constitué par une zone du réflecteur qui est déjà disposé dans le projecteur ou le feu. De ce fait, les moyens de l'invention n'entraînent qu'une faible augmentation des pièces déjà utilisées dans un phare d'éclairage ou un feu de signalisation. On a représenté, en particulier dans le cas o la lampe à décharge est partagée entre la fonction d'éclairage et celle de pompage, une optique 14 destinée à produire selon l'axe 15 un flux lumineux d'éclairage 16. Dans un mode de réalisation, le faisceau laser 9,10 traverse aussi l'optique 14. Selon l'invention, le dispositif optique comporte aussi un récepteur 17 d'un faisceau laser 18 qui présente des bornes qui sont fournies à l'entrée d'un circuit 18 de détection et d'adaptation du signal. La sortie 19 du circuit de détection et d'adaptation du signal est transmise à un dispositif de contrôle 20 qui est destiné à contrôler le fonctionnement du dispositif d'aide à la conduite de l'invention. En particulier, le dispositif de contrôle 20 comporte une sortie de commande 21 destinée à réguler le flux lumineux de pompage 3 en fonction notamment du mode de fonctionnement de la lampe à décharge 1, de l'état du concentrateur 2, préalablement détecté par un signal d'état 22 produit par un capteur (non représenté) et renvoyé à une entrée convenable du dispositif de contrôle 20. Le récepteur 17 du faisceau laser 18 est, dans un mode de réalisation préféré, constitué par un photocomposant apte à transformer les caractéristiques physiques du faisceau laser d'entrée 18 en un signal électrique représentatif desdites caractéristiques. Le dispositif de contrôle comporte aussi une sortie 23 de commande du système optique de sortie 8 du générateur de faisceau laser. En particulier, dans un mode préféré de réalisation, le système optique de sortie 8 est constitué par une cellule de Pockle, ou un dispositif modulateur du même genre pouvant notamment servir de valve optique commandée. Le dispositif de contrôle 20 comporte enfin une sortie 24 qui est transmise à l'entrée d'un dispositif de détection 25, notamment constitué par un circuit spécialisé (comme un processeur de signal commercialement connu sous le sigle DSP pour Digital Signal Processor), ou par un microcontrôleur programmable. Le dispositif de détection 25 produit en sortie 26 des signaux représentatifs de paramètres d'aide à la navigation, transmis à des circuits de sortie pouvant agir sur des organes de sécurité du véhicule comme un circuit de freinage prioritaire, un circuit de réglage du papillon d'admission du carburateur, un circuit de pilotage automatique, etc. ou pouvant agir sur des organes d'alarme comme des messageries vocales, des voyants lumineux, ou des messages apparaissant sur l'écran de l'ordinateur de bord embarqué dans le véhicule. A la figure 2, on a représenté un mode de réalisation d'un concentrateur adapté au générateur de faisceau laser selon l'invention. Un tel concentrateur 2 présente un axe focal 11 sur lequel se trouve un premier foyer 1 et un second foyer 4 au centre desquels sont respectivement placés la lampe & décharge et le barreau de verre 5. En choisissant un réflecteur elliptique, un rayon 30 émis par la lampe sur le point foyer 1 se réfléchit au point 31 du réflecteur en un rayon réfléchi 32 qui vient sur le foyer 4 sur le barreau de verre & l'Erbium 5. Le faisceau laser est produit dans la direction 10 à travers le miroir semi réfléchissant 6 (non représenté à la figure 2). A la figure 3, on a représenté un autre mode de réalisation d'un générateur de faisceau laser selon l'invention. A la figure, les mêmes éléments que ceux des figures précédentes portent les mêmes numéros de référence et ne seront pas plus décrits. Dans ce mode de réalisation, la lampe à décharge est placée au foyer 1 et le rayonnement de pompage traverse la surface semi absorbante d'un échantillon de verre à l'Erbium 36. On a supprimé les miroirs dont les axes normaux sont confondus avec l'axe 10 de la figure 2. La substance semi absorbante déposée sur la face d'entrée du barreau 36 permet de constituer un résonateur optique avec un miroir réfléchissant 38 incliné à 45 par rapport à l'axe 11. le miroir 38 sert aussi & produire un rayonnement de sortie en lumière stimulée 39 d'axe 40. Dans ce mode de réalisation, on peut aussi prévoir de monter le miroir réfléchissant 38 de façon oscillante sur un support 41 asservi par un système électromécanique 42 qui reçoit une information de commande 43 du dispositif de contrôle 20. Un tel système électromécanique peut utiliser un effet piezo-électrique pour réaliser un micro-balayage du faisceau 39. Le choix de la substance semi absorbante, de son épaisseur, etc permet de centrer la courbe d'émission sur une raie de résonance du résonateur de façon & améliorer la sélectivité du dispositif de l'invention. Dans un mode de réalisation de l'invention, le récepteur n'est pas constitué par un photocomposant mais par un générateur de faisceau laser, analogue à ceux des modes de réalisation des figures 1 et 2, mais fonctionnant en inverse. Dans ce mode de réalisation, le faisceau laser traverse le barreau de verre à l'Erbium pour produire une émission secondaire de flux lumineux, dont les caractéristiques sont une représentation des caractéristiques optiques du faisceau laser reçu. Dans ce cas, on utilise un capteur du flux lumineux d'émission secondaire pour détecter un signal représentatif des caractéristiques optiques du faisceau laser reçu. Aux figures 4 et 5 on a représenté deux fonctionnements du dispositif d'aide à la navigation quand il est installé dans les projecteurs d'éclairage d'un véhicule. Cependant l'invention n'est pas exclusive du cas o le faisceau laser est produit ou bien par une borne fixe disposée sur le bord de la route par exemple, ou bien par un générateur embarqué à bord d'un véhicule voisin. A la figure 4, on a représenté un véhicule 50 qui présente deux projecteurs d'éclairage 51 et 52 dotés chacun d'un générateur laser 53 et d'un détecteur laser 54. Devant le véhicule se trouve une zone de brouillard qui est rétrodiffusante pour la gamme de longueurs d'ondes produite par le générateur 53. Par démodulation synchrone dans le dispositif de détection 25 de la figure 1, on est capable & l'aide d'un circuit de détection de brouillard de générer un signal de détection de brouillard, notamment pour allumer un feu de brouillard. A la figure 5, on a représenté un mode de réalisation de l'invention utilisé en télémétrie. Le générateur laser embarqué & bord du véhicule 50 produit un faisceau incident 60 qui vient frapper une zone arrière 61 d'un véhicule 62. Le faisceau réfléchi 63 est détecté par le photocomposant de détection 54 et le circuit de détection 25 permet de déduire la distance inter-véhicule et éventuellement la vitesse relative, le changement de files de circulation, etc on peut déduire de ces paramètres des signaux d'alarme en cas de ralentissement brutal par exemple. Dans d'autres applications, le faisceau laser d'émission est dirigé sur la surface de la chaussée devant le véhicule de façon à détecter: - l'état de la chaussée, - la présence de verglas, - etc. Selon l'invention, le circuit de détection est programmé de façon à fonctionner en mode DOPPLER. Dans ce cas, on produit une récurrence de signaux lumineux laser et on observe le décalage fréquentiel de la récurrence des signaux lumineux laser reçus pour en déduire des informations de vitesse, puis par intégration de positions. Le dispositif de contrôle 20 permet de faire fonctionner le générateur laser en mode continu ou en mode impulsionnel: ou bien en contrôlant l'allumage de la lampe à décharge de pompage, ou l'état optique du concentrateur, - ou bien en contrôlant la caractéristique optique du système de sortie 8. A la figure 6, on a représenté deux vues respectivement de côté et de face d'un projecteur d'éclairage incorporant une lampe à décharge 1 et une optique de sortie 14. Une partie du flux lumineux est renvoyée vers le générateur laser 65 disposé & l'intérieur du projecteur. REVENDICATIONS 1- Dispositif optique d'aide à la conduite pour véhicule automobile notamment, caractérisé en ce qu'il comporte: - un générateur d'un faisceau laser dans une direction déterminée à une longueur d'onde et sous une puissance en sécurité oculaire; - au moins une lampe à décharge du genre comportant un gaz rare, comme du xénon; - un échantillon d'un verre optique dopé à l'Erbium ou avec un dopant destiné à conférer à l'échantillon de verre optique des qualités d'émission lumineuse stimulée; - un système optique de concentration de flux lumineux généré par la lampe à décharge sur l'échantillon de verre optique; - un système optique de sortie du faisceau laser; en ce qu'il comporte un récepteur d'un faisceau laser, récepteur pouvant être constitué par un photocomposant AsGa ou InP, ou par l'émission lumineuse induite par l'éclairement laser d'un générateur laser à verre dopé à l'Erbium fonctionnant en récepteur; en ce qu'il comporte un dispositif de contrôle déterminant les caractéristiques du générateur et du récepteur; en ce qu'il comporte un dispositif de détection produisant des paramètres d'aide à la navigation, comme la rétrodiffusion du milieu séparant un générateur laser d'un récepteur laser, la réflectivité d'une cible disposée en face au moins du récepteur, le fonctionnement de ces mesures en mode DOPPLER, la mesure d'absorption en mode continu ou en mode impulsionnel, de façon à détecter des paramètres d'aide & la navigation comme: - l'état du brouillard, - la localisation de cibles comme les bords de la route ou des véhicules voisins, - la vitesse, l'accélération ou l'attitude du véhicule à bord duquel est embarqué le dispositif, ou de véhicules voisins, etc.