Brevet FR2727524A1 — publié le 19960531

SYSTEME DE MESURE DE MOUVEMENT D'UN OBJET L'invention concerne un système de mesure de mouvement d'un objet et plus particulièrement un système permettant d'étudier soit le déplacement soit la rotation d'un objet ayant la caractéristique de diffuser la lumière. Un tel système a pour objet d'utiliser l'analyse de l'évolution du speckle rétrodiffusé par l'objet à mesurer. II permet d'améliorer de manière sensible la puissance du signal détecté et donc de réduire la puissance laser nécessaire ou d'augmenter la portée du système. Les applications de ce système sont la vélocimétrie laser1 le positionnement de mobile, la réalisation de pointeur. lI est bien connu que la lumière d'un laser, lorsqu'elle subit une réflexion diffuse par un objet diffusant est renvoyée suivant un diagramme de diffusion aléatoire (speckle) dont la variance est égale à l'intensité moyenne et dont le grain est dépendant de la taille de la tache éclairée. L'évolution de ce grain dépend du déplacement latéral de l'objet diffusant Un tel effet a été utilisé pour mesurer des micro-déplacements. Le grain du speckle est inversement proportionnel aux dimensions de la tache éclairée et pour détecter son évolution on doit, choisir entre focaliser finement le faisceau incident et réduire la taille des cellules de détection et donc la puissance détectée. Ce genre de système est donc réduit à des utilisations à très courte portee. La solution proposée permet d'augmenter la surface de capture des cellules de détection. Ceci est particulièrement important lorsque la puissance laser doit rester faible afin d'éviter l'éblouissement de l'utilisateur. L'invention concerne donc un système de mesure de mouvement d'un objet, caractérisé en ce qu'il comporte: - une source lumineuse émettant un faisceau de lumière cohérente; - un premier dispositif optique transmettant le faisceau de lumière vers un objet focalisé de telle manière que la surface d'onde d'éclairement de l'objet n'est pas centrée sur un point situé dans un plan appartenant aux dispositifs collecteurs - au moins deux dispositifs collecteurs et détecteurs de lumière situés dans un plan sensiblement parallèle au plan de déplacement de L'objet et localisés en des zones situées sur une ligne sensiblement parallèle à la trajectoire de l'objet. L'invention concerne également un système de mesure de rotation d'un objet, caractérisé en ce qu'il comporte: - une source lumineuse émettant un faisceau de lumière cohérente; - un premier dispositif optique transmettant le faisceau de lumière vers un objet, la surface d'onde d'éclairement de l'objet étant une sphère centrée sur un point contenu dans un plan appartenant aux collecteurs; - au moins deux dispositifs collecteurs et détecteurs de lumière situés dans un plan sensiblement parallèle au plan de déplacement de l'objet et localisés en des zones situées sur une ligne sensiblement parallèle à la trajectoire de l'objet. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un exemple général de réalisation du système de l'invention; - la figure 2, un exemple de réalisation du système de l'invention; - la figure 3a, un exemple de réalisation du réseau de la figure 1; - la figure 3b, un exemple de signaux détectés par les photodétecteurs de la figure 1; - les figures 4a et 4b, un système d'évaluation des décalages des signaux détectés par les photodétecteurs; - la figure 5, un système à quatre photodétecteurs selon l'invention; - la figure 6, une variante de réalisation dans laquelle le réseau est un réseau de lentilles. En se reportant à la figure 1, on va donc tout d'abord décrire un exemple de réalisation général du système selon l'invention. Ce système comporte une source S émettant un faisceau de lumière cohérente vers un objet C dont on veut étudier le mouvement. Ce système comporte également des récepteurs ou collecteurs de lumière tels que D1, D2, D3, D4 recevant la lumière réfléchie de manière diffuse par l'objet C et capable de détecter cette lumière. Ces récepteurs sont organisés en deux ensembles intercalés de récepteurs tels que les récepteurs de rangs impairs D1, D3 d'une part et les récepteurs pairs D2, D4 dautre parL Les signaux détectés par les deux ensembles de détecteurs sont additionnés par les additionneurs AI et A2, sont comparés et on mesure le temps séparant la détection de la même image de l'objet C par les deux ensembles de détecteurs.Ainsi, les détecteurs de numéros impairs sont reliés à un premier circuit daddition foumissant un premier signal de détection global. Les détecteurs de numéros pairs sont reliés à un deuxième circuit d'addition foumissant un deuxième signal de détection global. La comparaison s'effectue sur des signaux de détection. Le système de la figure 1 peut être appliqué soit à une mesure de rotation de l'objet C soit à une mesure de déplacement de l'objet C. Dans le cas d'une mesure de rotation, le faisceau lumineux transmis à la cible est un faisceau de rayons parallèles. La surface d'onde d'éclairement de l'objet est préférentiellement une sphère centrée sur un point situé dans le plan des collecteurs. Dans le cas d'une mesure de déplacement, ce déplacement se fait de préférence dans un parallèle au plan contenant les collecteurs Dl1 D2. Le faisceau lumineux est focalisé en un point situé soit légèrement devant l'objet C soit légèrement derrière. Plus précisément, la surface d'onde d'éclairement de l'objet n'est pas centrée sur un point situé dans le plan contenant les collecteurs de lumière. La figure 2 donne un exemple de réalisation général du dispositif suivant l'invention appliqué à une mesure de déplacement: la source laser est projetée par un objectif 0I de manière à former une tache de dimension focalisée au voisinage de l'objet C dont on veut déterminer le mouvement.L'ouverture du faisceau et le point de focalisation FI sont choisis de manière à minimiser la tache éclairée sur l'objet tout en assurant que la défocalisation a toujours lieu soit devant soit derrière l'objet; selon un mode de réalisation le faisceau transmis par l'objectif ol estcollimaté; I'élément récepteur est constitué d'une lentille 02 permettant de focaliser une surface importante de faisceau sur ces cellules de taille réduite ainsi que d'un réseau de diffraction R; la paire de détecteurs D1, D2 reçoit la lumière collectée par la lentille 02 et défléchie vers l'un ou l'autre détecteur par le réseau microformé R. Le système de la figure 2 comporte en outre un miroir semiréfléchissant situé sur la direction du faisceau de lumière réfléchi par la cible C et transmet cette lumière réfléchie aux photodétecteurs. Le point de focalisation FI est situé de préférence à une distance de l'objet C et donc du plan P dans lequel se déplace l'objet tel que -ea2 où A est la longueur d'onde de la source S, E est la distance du point F1 au plan P, a est l'ouverture de faisceau transmis vers l'objet C. A titre d'exemple, si l'objet est positionné à 10 cm près on assurera une focalisation à 15 à 20 cm devant l'objet et on choisira une ouverture de F/100. La tache de lumière sur l'objet C aura un diamètre de l'ordre de 300 IJ. Par ailleurs, pour l'effet de parallaxe les lentilles 01 et 02 seront placés le plus près possible l'une de l'autre. Le réseau R, comme cela est représenté en figure 3a comporte des stries composées chacune de faces contiguës sl et s2. Les faces telles que s1 défléchissent la lumière provenant de l'objet C vers le photodétecteur Dl et les faces telles que s2 défléchissent la lumière vers le photodétecteur D2. Chaque strie est séparée de la strie voisine par une bande t1 obturant la lumière (I'absorbant ou la réfléchissant) ou la défléchissant dans une direction telle que la lumière n'atteigne pas les photodétecteurs D1, D2. Selon l'exemple de réalisation de la figure 3a, les stries sont rectilignes et sensiblement perpendiculaires à la direction du mouvement de l'objet à détecter. De préférence également les stries sont parallèles au plan P. Le plan du réseau est donc parallèle au plan P. Chaque face s1, s2 a une largeur w de l'ordre du grain du speckle observé c'estbdire A dlt où A est la longueur d'onde du laser, d la distance à l'objet C, t le diamètre de la tache. L'éclairement vu par une face est vu peu après par rautre face de la même paire. Le retard entre les signaux reçus par chaque détecteurs D1 et D2 est significatif du déplacement de l'objet. La figure 3b illustre les signaux détectés par les photodétecteurs. L'intérêt d'un système utilisant le réseau R et une lentille de focalisation est améliorer la détectivité sans augmenter la taille des détecteurs: à titre d'exemple si l'objet est situé à 1m de l'ensemble source détecteurs pour une tache de 300 p, le grain de speckle a une dimension de l'ordre de 2 mm; la puissance reçue sur une surface de 4 mm' est de rordre du millionième de la puissance émise. Un ensemble détecteur de diamètre 30 mm permet de superposer une centaine de signaux aléatoires de même type ; la puissance utile du signal somme est donc 10 fois celle dont on disposerait en utilisant une seule paire de détecteur de dimension 2 mm.Sur des détecteurs de faible dimensions dont la charge équivalente aux bruits est de 10000 électrons et pour une évaluation de mouvements inférieurs à 3 m/s, la puissance nécessaire est de quelques dixièmes de milliwatts dans le cas d'une paire de photodiodes sans utilisation de réseau RE et de quelques centièmes de milliwatt dans le cas de l'utilisation du réseau RE. Cette réduction de puissance du faisceau permet de le rendre inoffensif pour l'oeil. Comme le montre la figure 4a, une manière d'évaluer le déplacement de l'objet est de prendre le sens du retard afin de déterminer le sens du déplacement; la valeur absolue du vecteur vitesse est déduite du nombre de passage par zéro de l'un ou l'autre des signaux détectés ; à l'occasion d'un passage par zéro de l'un des signaux, la polarité relative de l'autre signal et de la dérivé du premier est significative du sens du retard. Cet algorithme peut être réalisé de manière simple en utilisant un circuit compteur-décompteur tel que représenté en figure 4b qui reçoit sur ces entrées les signaux des détecteurs D1 et D2. L'entrée D2 détecte, par exemple, les passages par le niveau zéro des flancs descendants des signaux du détecteur D2. L'entrée D1 détecte en même temps si le signal u détecteur D1 est positif ou négatif ce qui donne l'indication du sens du mouvement de l'objet. Pour mesurer la vitesse absolue de l'objet il suffit de compter le nombre de détections sur l'entrée D2 par exemple, par unité de temps.Le signal de l'entrée D2 tient alors lieu de signal d'échantillonnage pour le circuit compteur-décompteur. Le signal de l'entrée D1 selon qu'il est positif ou négatif permet de faire avancer, ou de faire reculer le compteur- décompteur. La sortie de ce circuit donne une valeur relative du déplacement. Cette évaluation est peu dépendante de la distance de objet au point de focalisation: en effet la vitesse angulaire de défilement du speckle est égale à la vitesse de défilement de l'objet vu du point de focalisation mais le grain luimeme est inversement proportionnel à la taille du spot donc à la distance séparant l'objet du point de focalisation. La figure 5 montre une réalisation permettant une évaluation du mouvement dans deux directions. Le réseau R est constitué de prismes en pointes de diamant et les détecteurs sont au nombre de 4 de manière à ce que chaque paire de détecteurs hautbas (D1-D2 et Dot4), droite-gauche (D1-D3 et D2-D4) voit les mêmes signaux que précédemment. On peut remplacer le réseau de prismes par un réseau de lentilles (figure 6); le tirage et la surface des cellules définit alors l'ouverture utile des zones collectrices dans le plan de R. L'invention peut trouver différents types d'applications aussi diverses que le dosage de freinage des roues d'une voitwe, les tachymètres, de pointages informatiques (souris) etc. REVENDICATIONS 1. Système de mesure de mouvement d'un objet, caractérisé en ce qu'il comporte: - une source lumineuse (S) émettant un faisceau de lumière cohérente; - un premier dispositif optique (01) transmettant le faisceau de lumière vers un objet (C) focalisé de telle manière que la surface d'onde d'éclairement de l'objet n'est pas centrée sur un point situé dans un plan appartenant aux dispositifs collecteurs; - au moins deux dispositifs collecteurs et détecteurs de lumière (C1, C2) situés dans un plan sensiblement parallèle au plan de déplacement de l'objet et localisés en des zones situées sur une ligne sensiblement parallèle à la trajectoire de l'objet. 2. Système de mesure de rotation d'un objet, caractérisé en ce qu'il comporte: - une source lumineuse (S) émettant un faisceau de lumière cohérente; - un premier dispositif optique (01) transmettant le faisceau de lumière vers un objet (C), la surface d'onde d'éclairement de l'objet étant une sphère centrée sur un point contenu dans un plan appartenant aux collecteurs; - au moins deux dispositifs collecteurs et détecteurs de lumière (cri, C2) situés dans un plan sensiblement parallèle au plan de déplacement de l'objet et localisés en des zones situées sur une ligne sensiblement parallèle à la trajectoire de l'objet. 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une première série de collecteurs (s1) espacés selon un pas déterminé et une deuxième série de collecteurs (s2) intercalés entre les collecteurs et espacés selon le même pas. 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que les collecteurs (s1) sont des moyens de réfraction de la lumière, la première série de collecteurs transmettant la lumière vers un premier détecteur et la deuxième série de collecteurs transmettant la lumière vers un deuxième détecteur et cela à travers un deuxième dispositif optique focalisant la lumière sur les deux détecteurs. 5. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque collecteur comporte un détecteur de lumière. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque détecteur fournit un signal de détection et en ce que les détecteurs de numéros impairs (cri, C3, ...) sont reliés à un premier circuit d'addition fournissant un premier signal de détection global ; les détecteurs de numéros pairs (C2, C4, ...) sont reliés à un deuxième circuit d'addition fournissant un deuxième signal de détection global. 7. Système selon rune des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier dispositif optique transmet un faisceau de rayons parallèles à l'objet (C). 8. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le point de focalisation du premier dispositif optique (01) est situé à une distance du plan de déplacement de objet correspondant sensiblement au rapport de la longueur d'onde du faisceau de lumière cohérente par le carré de l'ouverture dudit faisceau (E = A/a2). 9. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de réfraction comporte des stries parallèles constituées channe par deux faces formant un dièdre, chaque strie étant séparée de la strie voisine par une bande ne transmettant pas la lumière aux photodétecteurs. 10. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que la largeur de chaque face est de l'ordre de grandeur du rapport Ad/t, X étant la longueur du faisceau de lumière émis par la source ; d étant la distance de l'objet (C) à la source; t étant le diamètre de la tache lumineuse. 11. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le faisceau de lumière cohérente est transmis à la cible selon une direction perpendiculaire au plan des dispositifs collecteurs et passant entre les deux dispositifs collecteurs. 12. Système selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un miroir semiféfléchissant situé sw ladite direction, réfiéchisant le faisceau émis par la source vers objet (C) et transmettant aux photodétecteurs la lumière réfléchie par l'objet (C). 13. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte quatre photodétecteurs disposés selon une matrice et que les moyens de réfraction comportent un réseau matriciel de prismes. 14. Système selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit électrique compteurldécompteur connecté aux photodétecteurs (Dl, D2), détectant les passages par un niveau déterminé d'un type de flanc (montant par exemple) d'un signal d'un photodétecteur (D2) et faisant évoluer de façon positive ou négative selon que le signal de l'autre photodétecteur (Dl) est positif ou négatif.