Brevet FR2785051A1 — publié le 20000428

SYSTEME DE DETECTION D'HUMIDITE ET SON APPLICATION A UN PARE-BRISE DE VEHICULE L'invention concerne un système de détection d'humidité et son application à un pare-brise automobile pour détecter les gouttes de pluie sur le pare-brise ou de façon générale sa perte de transparence et cela en vue de déclencher les balais d'essuie-glace. Les systèmes automobiles ont pour objet d'alléger autant que possible la tâche du conducteur pour lui permettre de se consacrer entièrement à la conduite du véhicule. On constate que la conduite par temps de pluie est plus fatiguante. L'objet de l'invention concerne un système permettant de déclencher automatiquement les essuie-glace du pare-brise en cas de détection de gouttes d'eau de façon à libérer le conducteur de cette commande. Bien entendu, l'invention est applicable à tout type de véhicule : automobile, aérien ou naval. L'invention concerne donc un système de détection d'humidité sur la surface d'une pièce, caractérisé en ce qu'il comporte : -une source lumineuse émettant un faisceau ; -un réseau de diffraction recevant le faisceau source, et fournissant au moins un faisceau diffracté et un faisceau transmis sans diffraction ; -un système optique focalisant ou collimatant l'un au moins des faisceaux fournis par le réseau de diffraction en une zone déterminée de la surface ; -un photodétecteur capable de recevoir de la lumière de la zone de la surface à travers le système optique et le réseau de diffraction. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre fournie à titre d'exemple en se reportant aux figures annexées qui représentent : -les figures 1a à 1c, un exemple de réalisation du système de détection selon l'invention ; -les figures 2a à 2c, un exemple de réalisation d'une source lumineuse et d'un photodétecteur associé ; -la figure 3, un exemple de réalisation du laser et du photodétecteur dans lequel le laser est à émission par la surface ; -les figures 4a à 4c, des exemples de réalisation de montage du système de détection selon l'invention ; -les figures 5a et 5b, une application à un système de détection de la pluie sur un pare-brise de véhicule ; -la figure 6, une variante de l'invention dans laquelle le photodétecteur a une forme linéique ; -la figure 7, un circuit de commande du système de l'invention. Le système de la figure 1a comporte une source lumineuse 2 émettant un faisceau lumineux F1. Un réseau de diffraction 3 reçoit le faisceau F1 et fournit au moins un faisceau diffracté et un faisceau non diffracté. Un système optique 4 focalise au moins l'un de ces faisceaux en une zone 11 d'une surface 10 à observer. Cette surface 10 est par exemple la surface extérieure du pare-brise 1 d'un véhicule. En se reportant aux figures 1b et 1c, on va maintenant décrire le fonctionnement de ce système. La figure 1 b illustre le fonctionnement du système lorsque la zone est parfaitement lisse et ne comporte pas de goutte d'eau notamment. Le faisceau F1 émis par la source 2 est diffracté par le réseau 3 et donne lieu au faisceau diffracté F'2 et au faisceau non diffracté F2. Ces faisceaux sont focalisés par la lentille 4. Le diaphragme 6 ou filtre spatial permet la transmission du faisceau F3 provenant du faisceau non diffracté F2. Le faisceau F3 atteint la zone 11 de la surface 10 selon une direction différente de la normale au plan de la zone. Cette zone 10 étant supposée parfaitement lisse et exempt d'humidité et de poussières, le faisceau F3 se réfléchit selon la direction du faisceau F4. La figure 1 c représente le fonctionnement du système dans le cas où la zone 10 comporte une goutte d'eau 14. Le faisceau F3 transmis par le système est diffusé par la goutte d'eau 14. De la lumière est alors rétrodiffusée par le système (faisceau F5). Le faisceau F5 traverse le diaphragme 6 et est transmis au réseau 3 par la lentille 4. Le réseau 3 diffracte ce faisceau F5 selon le faisceau F6 vers le photodétecteur 5. Le système de l'invention permet ainsi de détecter la présence d'une goutte d'eau sur la zone 11 de la surface 10. A titre d'exemple, si le réseau 3 est conçu pour diffracter 80 % d'un faisceau incident et d'en transmettre 20 % sans diffraction, le faisceau F3 représente 20 % de l'énergie émise par la source. Le faisceau F6 représente également 80 % de t'énergie rétrodiffusée par la zone 10. Par contre, le faisceau F'6 non diffracté par le réseau 3 et qui est renvoyé vers la source 2, ne représente que 20 % de l'énergie du faisceau F5 rétrodiffusé. Le faisceau F'6 ne peut donc pas perturber le fonctionnement de la source lumineuse. En se reportant aux figures 2a à 2c, on va maintenant décrire un exemple d'une diode laser et d'un photodétecteur réalisés sur un mme substrat. Dans cet exemple, la diode laser et le photodétecteur sont à émission et réception par la tranche du dispositif. La figure 2a représente un exemple de réalisation d'un dispositif émetteur-récepteur selon l'invention. Ce dispositif comporte un empilement de couches EM de matériaux semiconducteurs formant un laser à semiconducteurs. Par exemple, il comporte sur un substrat en GaAs, une couche de confinement en GaAIAs dopée n, une couche active en GaAIAs dopée n, une autre couche de confinement en GaAIAs dopée p et une couche de contact en GaAs dopée p. De part et d'autre, des électrodes E1 et E2 permettent d'injecter un courant d'excitation dans l'empilement. L'électrode E1 a la forme d'un ruban. Sous ce ruban, des moyens de guidage permettent de guider la lumière parallèlement à ce ruban. Ces moyens de guidage peuvent prendre la forme d'une implantation de protons dans au moins la couche de confinement supérieure de part et d'autre de la zone guidée. Selon une autre technique, la couche active peut tre gravée par microlithographie. Les faces du dispositif perpendiculaire à la direction du guide sont clivées. Le laser émet de la lumière selon la zone Z1. Selon l'invention, on prévoit une électrode D1 disposée à côté de l'électrode E1. Sous l'électrode D1, des moyens de guidage permettent de guider la lumière arrivant sur la zone Z2, dans l'empilement des couches L. Cet empilement est à mme de fonctionner en détecteur optique et on détecte un courant entre les électrodes D1 et E2. Des moyens de découplage, tels qu'une zone d'isolation IS, permettent de découpler électriquement et optiquement le laser du détecteur. De préférence, la zone de contact de l'électrode D1 est plus grande que cette de l'électrode E1. De plus, l'électrode D1 n'a pas forcément la forme d'un ruban. Selon la figure 2a, l'électrode E2 est commune à la partie laser et à la partie détection, mais il pourrait y avoir deux électrodes séparées. Enfin, l'électrode E2 est représentée sur la face opposée du substrat portant l'empilement EM. Cependant, on pourrait la prévoir sur la face portant l'empilement. II faudrait alors deux électrodes : une électrode associée à l'empilement du laser et une électrode associée à l'empilement du détecteur. La figure 2b représente un exemple d'application du dispositif de la figure 2a au système de détection des figures 1a à 1c. Le dispositif émetteur-récepteur tel que décrit en relation avec la figure 2a est représenté schématiquement à gauche de la figure 2b. Le laser 2 émet un faisceau qui est transmis par le réseau de diffraction 3 au système optique de focalisation 4 qui focalise la lumière sur la surface 10. Celle-ci réfléchit la lumière vers l'optique de focalisation et le réseau 3. Celui-ci présente la particularité de diffracter la lumière de façon à ne présenter que des ordres de diffraction situés que d'un côté de l'axe optique du système, c'est-à-dire à ne donner lieu qu'à des ordres de diffraction tous du mme signe (positifs par exemple). La diffraction d'ordre +1 (par exemple) est ainsi focalisée sur le détecteur DET. A titre d'exemple le réseau de diffraction peut tre réalisé comme représenté en figure 2c. II présente alors une série de reliefs linéaires dont la section présente trois paliers. Le déphasage entre le palier inférieur p1 (creux des reliefs) et le palier supérieur p3 (crte des reliefs) est sensiblement égale à 7r radiants pour la lumière à traiter. Pour un réseau en transmission gravé à la surface d'un milieu d'indice 1,5 ceci correspond à une profondeur de gravure égale à la longueur d'onde. Le palier intermédiaire p2 est à mi-distance entre les paliers p1 et p3. Selon l'exemple de la figure 2c, les dimensions des paliers p1 et p3 sont égaies au quart du pas du réseau et le palier p2 est égal à la moitié du pas du réseau. Le pas du réseau est sensiblement compris entre 5 et 200 um (aux alentours de quelques dizaines de micromètres). La figure 2c présente un type de profil de réseau intéressant en ce qu'il peut tre réalisé par superposition de deux masques binaires. II est bien évident qu'un tel réseau peut tre également réalisé à l'aide des techniques de l'holographie par interférence de faisceaux lumineux. La duplication de ces réseaux se fera de préférence par moulage. Des structures diffractantes en volume (réseau de Bragg) permettent aussi d'obtenir l'élimination de l'ordre-1. En se reportant à la figure 3, on va décrire un exemple de réalisation dans lequel le laser est du type à émission par la surface (en terminologie anglo-saxonne : VCSEL-Vertical Cavity Surface Emitting Laser). L'ensemble laser 2 et photodétecteur 5 est réalisé dans un empilement de couches de matériaux semiconducteurs comprenant principalement sur un substrat S : -un premier miroir de Bragg B1 réalisé dans une alternance de couches différentes (par exemple AlAs/AIGaAs) ; -une couche active A (par exemple en GaAs) ; -un deuxième miroir de Bragg B2 similaire au premier miroir de Bragg. Le substrat S est supposé en matériau conducteur. A la partie supérieure du deuxième miroir de Bragg B2 sont réalisées : -une électrode E1 qui permet de définir la zone émissive Z1 du laser 2 ; -une électrode E2 qui permet de définir la zone émissive Z1 du laser 2 ; -une électrode E2 qui permet de définir la zone détectrice Z2 du photodétecteur 5. A l'emplacement de la zone détectrice Z2, le deuxième miroir de Bragg B2 est gravé de façon à permettre la transmission d'une onde lumineuse incidente à la couche active A. Les deux zones Z1, Z2 sont isolées électriquement et optiquement par une zone d'isolation IS réalisée dans l'empilement de couches. Cette zone d'isolation est faite par exemple par gravure. Dans une telle structure, le photodétecteur présente une sélectivité en longueur d'onde et notamment à la longueur d'onde d'émission du laser. Cela est un avantage en raison de l'insensibilité du système aux autres longueurs d'ondes. La figure 4a représente un système dans lequel l'ensemble 20 source 2/photodétecteur 5 est monté sur une embase 21. L'embase 21 est fixée à une extrémité d'un tube 23. Dans le tube sont positionnés le réseau de diffraction 3 et la lentille 4. L'autre extrémité du tube est fermée par le diaphragme 6. La figure 4b représente une variante de réalisation dans laquelle le réseau de diffraction 3 et la lentille 4 sont réalisés en un seul composant 22. De plus, le tube 23 est prévu plus long que celui de la figure 3a pour éviter le diaphragme. A titre d'exemple, 1'embase 21 peut avoir 5 mm de diamètre. Dans le cas de la figure 4a le tube a pour longueur 1 cm et dans le cas de la figure 3b, il a 3 à 6 cm de longueur. II est à noter que le composant 22 et le tube 23 peuvent tre réalisés par surmoulage sur l'embase 21 comme cela est représenté en figure 4c. L'ensemble se présente sous forme d'un boîtier dont la surface de sortie est réalisée par le composant lentille/réseau de diffraction 22 du dispositif. De plus, pour simplifier les explications, dans ce qui précède, nous avons considéré que le photodétecteur reçoit qu'un seul faisceau diffracté. Cependant, l'invention prévoit que le réseau de diffraction réalise des diffractions multiples et transmet plusieurs faisceaux F5.1 à F5.3 l la surface 10 du pare-brise de manière à analyser plus d'un point sur le parebrise. Dans ces conditions, en retour, le réseau de diffraction transmet plusieurs faisceaux diffractés F6. 1 à F6. n. Pour détecter l'un de ces réseaux diffractés, le photodétecteur a une forme linéaire (voir figure 6) ou est constitué de plusieurs photodétecteurs alignés. La figure 7 représente un schéma électrique dans lequel le laser 2 est modulé ou commandé en impulsions par un générateur G. Dans ce circuit, les signaux de détection det fournis par le photodétecteur 5 sont pris en compte uniquement lorsqu'ils résultent de l'émission de signaux de la source laser 2. Pour cela un circuit AND met en coïncidence les signaux de commande de la source 2 et les signaux de détection fournis par le photodétecteur. Ce système permet de s'affranchir de toutes autres réceptions lumineuses ne résultant pas de l'émission de la source 2. Les figures 5a et 5b représentent un exemple de montage d'un système ainsi décrit dans le tableau de bord 30 d'un véhicule. Dans une partie du tableau de bord située à proximité du pare-brise 31 (par exemple à 10 cm) est prévue une ouverture 32. A l'intérieur du tableau de bord, sous cette ouverture est fixé un système tel que celui des figures 3a ou 3b de telle façon que le faisceau lumineux F3 émis par le système traverse l'ouverture 32 et atteigne une zone 11 du pare-brise 31. Le système est monté sur un dispositif articulé 34 pour permettre le réglage du faisceau. L'ouverture 32 est obturée par une vitre 33 protégeant le système de la poussière. Cette vitre permet la transmission des longueurs d'onde émises par la source lumineuse 2. Elle est de préférence traitée anti-réfléchissant notamment sur la face située du côté du pare-brise. Enfin, cette vitre peut etre l'optique elle-mme du système précédemment décrit. REVENDICATIONS 1. Système de détection d'humidité sur la surface (10) d'une pièce (1), caractérisé en ce qu'il comporte : -une source lumineuse (2) émettant un faisceau source (F1) ; -un réseau de diffraction (3) recevant le faisceau source (F1), et fournissant au moins un faisceau diffracté (F'2) et un faisceau transmis (F2) sans diffraction ; -un système optique (4) focalisant ou collimatant l'un au moins des faisceaux fournis par le réseau de diffraction en une zone (11) déterminée de la surface (10) ; -un photodétecteur (5) capable de recevoir de la lumière de la zone (11) de la surface (10) à travers le système optique et le réseau de diffraction. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces d'émission et de réception de la source lumineuse (2) et du photodétecteur (5) sont sensiblement dans le mme plan. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le photodétecteur est à proximité de la source lumineuse. 4. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le photodétecteur et la source lumineuse sont intégrés sur le mme substrat. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ensemble source lumineuse (2) et photodétecteur (5) comprend un empilement (EM) de couches de matériaux semiconducteurs comportant de part et d'autre de l'empilement une première et une deuxième électrodes (E1, E2) d'injection de courant permettant de faire fonctionner l'empilement de couches en mode laser et émettant un faisceau lumineux par une tranche de l'empilement, une des électrodes (E1) ayant la forme d'un ruban, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une première électrode de détection (D1) disposée au bord de ladite tranche, permettant de faire fonctionner l'empilement en mode photodétecteur en coopération avec une deuxième électrode de détection disposée de l'autre côté de l'empilement (EM), ainsi que des moyens de guidage latéral de la lumière dans les zones situées sous l'électrode de détection (D1) et sous l'électrode en forme de ruban (E1) ainsi que des moyens de découplage optique et d'isolation électrique (IS) des zones de l'empilement (EM) situées sous les-deux électrodes. 6. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source lumineuse (2) est un laser à semiconducteur à émission par la surface comprenant une couche active (A) enserrée entre deux miroirs de Bragg (B1, B2) et que le photodétecteur est réalisé dans les mmes couches de matériaux semiconducteurs que le laser, les couches du miroir de Bragg (B2) comprises dans la zone de détection (Z2) du photodétecteur étant partiellement enlevée, et une zone de découplage électrique et optique étant prévue entre le laser (2) et le photodétecteur (5). 7. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réseau de diffraction et le système optique sont réalisés en un mme composant. 8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un système de diaphragme (6) situé entre le système optique (4) et la surface (10) et permettant de ne transmettre à la surface qu'un seul des faisceaux fourni par le réseau de diffraction. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le système de diaphragme comporte un tube (23) d'axe parallèle à la direction du faisceau à transmettre et de diamètre légèrement supérieur au diamètre de ce faisceau. 10. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que le système de diaphragme comporte une plaque comportant une ouverture centrée sur l'axe du faisceau à transmettre et de diamètre légèrement supérieur au diamètre de ce faisceau. 11. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau transmis par le système optique à ladite zone (11) a une incidence différente de la normale par rapport au plan de ladite zone (11). 12. Système de détection d'eau sur un pare-brise de véhicule appliquant le système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite surface (10) est la face extérieure du pare-brise et que le système comprenant la source lumineuse (2), le réseau de diffraction (3), le système optique (4) et le photodétecteur (5) est placé à l'intérieur du véhicule de façon que le système optique (4) focalise ou collimate l'un des faisceaux fournis par le réseau de diffraction en une zone (11) du pare-brise. 13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est orienté de façon que la zone de détection (11) est située dans une zone de balayage des essuie-glaces. 14. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est orienté de façon que la direction dudit faisceau est telle que sa réflexion sur le pare-brise en l'absence d'eau donne lieu à un faisceau réfléchi qui ne soit pas dirigé vers un occupant de l'automobile. 15. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est localisé sur la partie supérieure du tableau de bord. 16. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il est situé à l'intérieur du tableau de bord et en ce que la partie supérieure du tableau de bord comporte une ouverture (32) permettant le passage du faisceau fourni par le système optique et de la lumière réfléchie par la zone de détection (11). 17. Système selon la revendication 16, caractérisé en ce que l'ouverture (8) est fermée par une plaque transparente (33) à la longueur d'onde émise par la source lumineuse. 18. Système selon la revendication 17, caractérisé en ce que la face extérieure (35) de la plaque transparente affleure la surface du tableau de bord. 19. Système selon la revendication 17, caractérisé en ce que la plaque transparente comporte un traitement antireflet sur sa face extérieure (35) ou sur ses deux faces. 20. Système selon la revendication 17, caractérisé en ce que la plaque transparente (33) comporte le système optique (4). 21. Système selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte une zone quasiment non réflectrice située sur la direction du faisceau réfléchi. 22. Système selon la revendication 14, caractérisé en ce que la zone non réflectrice est située sur le tableau de bord. 23. Système selon l'une des revendications 16 ou 22, caractérisé en ce que la zone non réflectrice est située dans ladite ouverture (8). 24. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le photodétecteur (5) a une forme linéaire. 25. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source (2) est modulée à l'émission par un dispositif de commande (G) et en ce que les signaux de détection émis par le photodétecteur (5) sont mis en coïncidence avec des signaux émis par le dispositif de commande.