Brevet FR2878337A1 — publié le 20060526

DISPOSITIF DE MESURE DE DISTANCE A LASER La présente invention concerne un dispositif de mesure de dis-tance à laser, et en particulier un système optique dans un dispositif de mesure de distance à laser. On connaît un ancien dispositif de mesure de distance optique, représenté sur la figure 1, avec un seul objectif pour émettre un faisceau laser ainsi que pour recevoir un faisceau laser réfléchi provenant d'un objet mesuré. Le dispositif de mesure de distance optique 11 comprend un élément d'émission de lumière 110, un élément de réception de lumière 1 1 1, un réflecteur séparateur de lumière 112, un objectif 113 et un système de traitement de signal (non représenté sur la figure 1) . Le réflecteur 112 a deux surfaces réfléchissantes qui sont inclinées par rapport à l'axe optique de l'objectif 113. L'élément d'émission de lumière 110 est disposé d'un côté du réflecteur 112, de façon que la lumière modulée pro- venant de l'élément d'émission de lumière 110 soit réfléchie par une sur- face réfléchissante vers l'objectif 113, et à travers celui-ci, pour être réfractée en une lumière parallèle 114 dirigée vers un objet mesuré 115, qui est sous la forme d'un coin de cube. L'élément de réception de lumière 111 est disposé d'un autre côté du réflecteur 112. La lumière parallèle réfléchie 116 traverse l'objectif 113 et est projetée sur une autre surface réfléchissante pour être réfléchie vers la surface d'entrée de lumière de l'élément de réception de lumière 111. Le système de traitement de signal traite les signaux électriques conformément au faisceau réfléchi, pour dé-terminer la distance mesurée. Le dispositif de ce type est capable de dé- tecter une distance jusqu'à quelques centaines de mètres. Cependant, il est volumineux du fait que l'élément d'émission de lumière 110 et l'élément de réception de lumière 111 doivent être disposés sur des côtés op-posés de l'objectif 113, ce qui fait qu'il est malcommode pour l'utilisateur d'expédier, de stocker et de déplacer fréquemment le dispositif pendant l'utilisation pratique. Un dispositif de mesure de distance avec des objectifs d'émission et de réception séparés pour la mesure de distance en relation avec une surface naturelle rugueuse, est connu d'après le document EP701702B1, publié le 5 février 1997, sous le titre "DEVICE FOR DISTANCE MEASUREMENT". Comme représenté sur la figure 2, un faisceau de me-sure visible provenant d'un laser à semiconducteur 120 est projeté sur un objectif collimateur 121, pour être collimaté dans la direction de l'axe op- tique 1210 de l'objectif, sous la forme d'un faisceau de mesure parallèle 122 qui est ensuite projeté sur un objet mesuré 126 sous la forme d'une surface naturelle rugueuse, pour être dispersé dans toutes les directions, de façon qu'une partie du faisceau de mesure soit réfléchie vers un objectif de réception 124. L'axe optique 1210 de l'objectif collimateur 121 s'étend au moins virtuellement de façon parallèle à l'axe optique 1240 de l'objectif de réception 124. Pour une mesure de grande distance, l'objet 126 apparaît se trouver à l'infini pour l'optique de réception 124, ce qui fait que le faisceau réfléchi 123 apparaît être un faisceau parallèle aligné sur l'axe optique 1240. Ensuite, le faisceau réfléchi 123 converge au foyer de l'objectif de réception 124. La surface d'entrée de lumière du dispositif de réception de faisceau laser 125, disposée sur l'axe optique 1240 au foyer de l'objectif de réception 124, peut donc recevoir dans de bonnes conditions le point de convergence du faisceau réfléchi 123. Pour une mesure de courte distance, comme une distance ne dépassant pas 2 m, le point de convergence du faisceau réfléchi 123 est de plus en plus éloigné du foyer, longitudinalement et transversalement à l'axe optique 1240 de l'optique de réception 124. La surface d'entrée de lumière disposée au foyer ne reçoit alors plus de lumière. Dans un mode de réalisation, un mécanisme est incorporé pour permettre à la surface d'entrée de lumière du dispositif de réception de faisceau laser 125 de suivre le déplacement de la position du point de convergence du faisceau réfléchi 123, en particulier seulement transversalement par rapport à l'axe optique 1240 de l'optique de réception 124, comme représenté par des lignes en pointillés sur la figure 2. Dans un autre mode de réalisation, un miroir plan 128, comme représenté sur la figure 3, ou un prisme 129 comme représenté sur la figure 4, ou d'autres éléments optiques, sont incorporés pour dévier le point de convergence du faisceau réfléchi 123 de façon à le ramener sur l'axe optique 1240 de l'optique de réception 124. Cependant, lors-qu'un mécanisme pour déplacer la surface d'entrée de lumière ou un élé- ment optique pour dévier le point de convergence du faisceau réfléchi 123 est incorporé dans le boîtier d'un dispositif de mesure de distance, le système optique du dispositif devient complexe et coûteux. L'invention a donc été basée sur le but de donner une structure optique simple et une précision de mesure élevée à un dispositif de me-sure de distance à laser. Ce but est atteint par un dispositif de mesure de distance à laser conforme à la présente invention. Conformément à la présente invention, le dispositif de mesure de distance à laser comprend: un émetteur laser pour générer un faisceau laser; un objectif collimateur pour collimater le faisceau laser; un convertisseur optoélectronique avec une surface de réception de lumière pour recevoir des signaux de lumière et les convertir en signaux électriques correspondants; un objectif de réception pour recevoir un faisceau réfléchi provenant d'un objet mesuré, et former une image de ce faisceau sur la surface de réception de lumière du convertisseur optoélectronique; un système de commande et d'analyse connecté électriquement, séparé-ment, à l'émetteur laser et au convertisseur optoélectronique, pour fournir une série de signaux de haute fréquence pour moduler l'émetteur laser, et pour analyser les signaux électriques émis par le convertisseur optoélectronique afin d'évaluer la distance mesurée. L'objectif collimateur et rob- jectif de réception sont au moins virtuellement alignés sur un axe commun. L'émetteur laser se trouve sur l'axe commun au foyer de l'objectif collimateur. De plus, le convertisseur optoélectronique est agencé de façon que la surface de réception de lumière se trouve sur l'axe commun, au foyer de l'objectif de réception. Il est bien connu qu'une longueur connue est mesurée au moyen d'un chemin de référence interne, avant et après une mesure de longueur externe, pour compenser des effets de dérive dans les circuits électroniques et le convertisseur optoélectronique, pour améliorer la précision de mesure de distance. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans lesquels La figure 1 est un schéma d'un système optique d'un ancien dispositif de mesure de distance optique; Les figures 2 à 4 sont des schémas d'un système optique d'un dispositif de mesure de distance à laser décrit dans le document EP701702B1; La figure 5 est un schéma d'un premier mode de réalisation pré- féré du système optique d'un dispositif de mesure de distance à laser que procure la présente invention; La figure 6 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation préféré du système optique d'un dispositif de mesure de distance à laser que procure la présente invention; La figure 7 est un schéma d'un troisième mode de réalisation préféré du système optique d'un dispositif de mesure de distance à laser que procure la présente invention; La figure 8 est une coupe selon la ligne B-B sur la figure 7. Bien que cette invention soit susceptible d'être mise en oeuvre sous de nombreuses formes différentes, et sera décrite ici en détail, des modes de réalisation préférés de l'invention sont exposés dans l'optique selon laquelle l'exposé présent doit être considéré comme des illustrations des principes de l'invention, et ne vise pas à limiter les aspects les plus larges de l'invention aux modes de réalisation illustrés. Dans le premier mode de réalisation préféré de la présente invention, comme représenté sur la figure 5, le dispositif de mesure de dis-tance à laser comprend: un émetteur laser 20 pour générer un faisceau laser; un objectif collimateur 22 pour collimater le faisceau laser le long de l'axe optique 29 de l'optique de collimateur 22; un convertisseur optoélectronique 30 avec une surface de réception de lumière 300 pour recevoir des signaux de lumière et les convertir en signaux électriques correspondants; un objectif de réception 33 pour recevoir un faisceau réfléchi provenant d'un objet mesuré et former une image de ce faisceau sur la surface de réception de lumière 300 du convertisseur optoélectronique 30; un système de commande et d'analyse (non représenté) connecté électri- quement et séparément à l'émetteur laser 20 et au convertisseur optoélectronique 30 pour fournir une série de signaux de haute fréquence pour moduler l'émetteur laser 20, et analyser les signaux électriques émis par le convertisseur optoélectronique 30, pour évaluer la distance mesurée. Le système de commande et d'analyse comprend un circuit de modulation pour effectuer une modulation de haute fréquence de l'émetteur laser 20, sous l'effet de laquelle ce dernier génère un faisceau laser modulé en haute fréquence pour la mesure de distance, et comprend en outre un circuit de traitement de signal pour traiter les signaux électriques émis par le convertisseur optoélectronique 30, afin d'évaluer et de visua- liser la distance mesurée. Dans le dispositif de mesure de distance à laser de la présente invention, l'émetteur laser 20 est de préférence une diode laser à semi-conducteur capable de générer un faisceau laser visible. Le convertisseur optoélectronique 30 consiste de préférence en un seul élément de conversion optoélectronique, ou en un réseau de tels éléments, comme une ou plusieurs photodiodes PIN ou photodiodes à avalanche, dans lesquels la surface de réception de lumière du ou des éléments de conversion optoélectroniques remplit la fonction de la sur-face de réception de lumière 300 du convertisseur optoélectronique 30. L'homme de l'art notera que le convertisseur optoélectronique 30 peut en outre consister en un ou plusieurs éléments de conversion optoélectroniques avec un guide de lumière (non représenté), dont la surface de réception de lumière remplit la fonction de la surface de réception de lu- mière 300 du convertisseur optoélectronique 30. Dans le premier mode de réalisation préféré, l'émetteur laser 20 et l'objectif collimateur 22 sont tous deux montés dans un élément de fixation 24 qui est un élément en forme de tube avec une extrémité ouverte, une extrémité fermée et une partie filetée (non représentée) avec une longueur prédéterminée, sur sa surface intérieure. Cet émetteur laser 20 se trouve au centre de l'extrémité fermée de l'élément de fixation 24, et il est capable de générer un faisceau laser dirigé vers l'extérieur à travers l'extrémité ouverte de l'élément de fixation 24. L'objectif collimateur 22 est fixé dans un élément annulaire 25 qui a une partie filetée (non re- présentée) sur sa surface extérieure, pour s'accoupler à la partie filetée de l'élément de fixation 24. Pendant l'assemblage, la position de l'objectif collimateur 22 peut commodément être réglée en direction longitudinale le long de l'axe optique 29 de l'objectif collimateur 22, par rapport à l'émetteur laser 20, jusqu'à ce que l'émetteur laser 20 soit au moins virtuelle- ment au foyer de l'objectif collimateur 22. Un faisceau laser 21 avec une certaine divergence, émis par l'émetteur laser 20, est projeté à travers l'objectif collimateur 22 pour être ainsi collimaté en un faisceau laser parallèle 23 le long de l'axe optique 29 de l'objectif collimateur 22. L'objectif de réception 33 comprend une ouverture traversante 331 s'étendant longitudinalement le long de l'axe optique 39 de l'objectif de réception 33, pour retenir l'élément de fixation 24. Pendant l'assemblage, l'élément de fixation 24 est réglé dans l'ouverture 331 jusqu'à ce que l'axe optique 29 de l'objectif collimateur 22 coïncide au moins virtuellement avec l'axe optique 39 de l'objectif de réception 33, et il est ensuite fixé dans l'ouverture 331 au moyen d'un adhésif. Ce convertisseur optoélectronique 30 est agencé de façon que la surface de réception de lumière 300 se trouve sur l'axe optique 39, au foyer de l'objectif de réception 33. Pour la mesure de longue distance, le faisceau laser réfléchi 34 sous la forme d'un faisceau laser parallèle le long de l'axe optique 39 est transformé en un faisceau convergent 31 par l'objectif de réception 33, et il est focalisé sur la surface de réception de lumière 300 du convertisseur optoélectronique 30 qui est placée au foyer de l'objectif de réception 33. Pour la mesure de courte distance, le faisceau laser réfléchi 34' sous la forme d'un faisceau laser avec une divergence est transformé en un fais- ceau convergent 31' par l'objectif de réception 33, et il est focalisé sur un point A derrière le foyer de l'objectif de réception 33 sur l'axe optique 39. La surface de réception de lumière 300 est donc à l'intérieur de la plage d'irradiation du faisceau laser convergent 31', de façon qu'elle puisse encore recevoir une partie du faisceau laser convergent 31'. Dans la mesure de courte distance, le faisceau réfléchi convergent 31' est si intense que ladite partie du faisceau convergent 31' reçue par la surface de réception de lumière 300 est suffisamment intense pour que le convertisseur optoélectronique 30 détecte des signaux de lumière suffisants. Si le faisceau laser 21 émis par l'émetteur laser 20 est projeté directement sur l'objectif de réception 33, une partie de ce faisceau laser fraction du faisceau laser convienne au convertisseur optoélectronique 30. Un chemin de faisceau interne est ainsi formé. Le dispositif de mesure de distance à laser dans la présente invention comprend en outre un élément d'arrêt de faisceau 50 pouvant être commuté. Lorsque l'élément d'arrêt de faisceau 50 est à une position représentée en traits continus, le faisceau laser provenant de ladite autre extrémité 42 du guide de lumière 40, le long du chemin de faisceau in-terne, est projeté sur la surface de réception de lumière 300 du convertisseur optoélectronique 30; lorsque l'élément d'arrêt de faisceau 50 est à une autre position représentée avec des traits discontinus, le faisceau laser réfléchi convergent 31 ou 31' le long du chemin de faisceau externe est projeté sur la surface de réception de lumière 300 du convertisseur optoélectronique 30. Dans le deuxième mode de réalisation préféré de la présente invention, comme représenté sur la figure 6, le dispositif de mesure de distance à laser comprend un objectif de réception 33' qui est suffisamment épais pour que l'ouverture traversante 331' s'étendant le long de l'axe optique 39' soit suffisamment longue pour recevoir l'émetteur laser 20 et l'objectif collimateur 22, dans une condition dans laquelle l'axe optique 29 de l'objectif collimateur 22 coïncide au moins avec l'axe optique 39' de l'objectif de réception 33'. L'émetteur laser 20 se trouve au foyer de l'objectif collimateur 22. De plus, le convertisseur optoélectronique 30 est agencé de façon que la surface de réception de lumière 300 se trouve sur l'axe optique 39, au foyer de l'objectif de réception 33'. La surface intérieure de l'ouverture 331' est recouverte par un revêtement de matériau opaque, pour empêcher que le faisceau laser provenant de l'émetteur laser 20 ne soit projeté directement sur l'objectif de réception 33. L'homme de l'art peut comprendre qu'une ouverture avec une extrémité ouverte et une extrémité fermée peut être utilisée à la place de l'ouverture traversante 331 et 331' formée dans les modes de réalisation préférés, comme représenté sur la figure 5 et la figure 6. Dans certains autres modes de réalisation, l'élément de fixation 24 avec l'émetteur laser 20 et l'objectif collimateur 22 installés à l'intérieur peut en outre être fixé entre l'objectif de réception 33 et la surface de réception de lumière 300, de façon que le faisceau laser parallèle 23 traverse l'ouverture 331 sans qu'aucun faisceau laser provenant de l'émetteur laser 20 ne soit projeté directement sur l'objectif de réception 33. A cette occasion, plus l'écarte-ment entre l'élément de fixation 24 et l'objectif de réception 33 est petit, et plus le diamètre de l'élément de fixation 24 est petit, plus le convertis- seur optoélectronique 30 reçoit une fraction importante du faisceau laser réfléchi convergent 31 ou 31'. Dans le troisième mode de réalisation préféré de la présente invention, comme représenté sur la figure 7 et la figure 8, l'objectif de réception 33 ne comporte pas une ouverture, comme mentionné ci-dessus. L'élément de fixation 24 avec l'émetteur laser 20 et l'objectif collimateur 22 installés à l'intérieur, et la surface de réception de lumière 300 du convertisseur optoélectronique 30, sont disposés séparément sur des côtés opposés de l'objectif de réception 33. Le convertisseur optoélectronique 30 est agencé de façon que la surface de réception de lumière 300 se trouve sur l'axe optique 39, au foyer de l'objectif de réception 33. Ledit élément de fixation est agencé de façon que l'émetteur laser 20 se trouve sur l'axe optique 29, au foyer de l'objectif collimateur 22, entre l'objectif de réception 33 et l'objectif collimateur 22. L'objectif de réception 33 est monté dans une première monture 36. L'élément de fixation est monté dans une seconde monture 28 qui comprend une partie annulaire et plu-sieurs branches de support s'étendant radialement à partir de la partie annulaire. La seconde monture 28 est fixée dans la première monture 36. L'axe optique 39 de l'objectif de réception 33 coïncide au moins virtuelle-ment avec l'axe optique 29 de l'objectif collimateur 22. Dans le dispositif de mesure de distance à laser conforme à la présente invention, le diamètre de l'objectif collimateur est d'environ 4 mm à 5 mm, et le diamètre de l'objectif de réception est d'environ 30 mm. Par conséquent, l'aire de l'objectif collimateur est seulement une fraction d'un dixième de l'aire de l'objectif de réception, ce qui fait que le conver- tisseur optoélectronique peut encore recevoir suffisamment le faisceau laser réfléchi convergent, pour la mesure de distance. Les dimensions utilisées ici ont seulement un but illustratif et ne limitent en aucune manière les modes de réalisation. Le dispositif conforme à la présente invention peut être utilisé pour mesurer une courte distance aussi bien qu'une longue distance avec le plus petit nombre d'éléments fonctionnels. La taille du dispositif est donc réduite et le dispositif peut donc être configuré de façon à avoir un très faible encombrement, et en particulier sous la forme d'un dispositif de poche. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de distance à laser, comprenant: - un émetteur laser (20) pour générer un faisceau laser de mesure (21) modulé en haute fréquence; - un objectif collimateur (22) pour collimater le faisceau laser (21); - un convertisseur optoélectronique (30) avec une surface de réception de lumière (300) pour recevoir des signaux de lumière et les convertir en signaux électriques correspondants; - un objectif de réception (33) pour recevoir un faisceau réfléchi (34) pro-venant d'un objet à mesurer, et former une image de ce faisceau sur la surface de réception de lumière (300) du convertisseur optoélectronique (30); - un système de commande et d'analyse, connecté électriquement et séparément à l'émetteur laser (20) et au convertisseur optoélectronique (30) pour générer une série de signaux de haute fréquence pour moduler l'émetteur laser (20), et pour analyser les signaux électriques émis par le convertisseur optoélectronique (30), pour évaluer une distance à mesurer; et dans lequel l'objectif collimateur (22) et l'objectif de réception de lumière (33) sont alignés pratiquement sur un axe commun (29) . 2. Dispositif de mesure de distance à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'émetteur laser (20) est disposé sur l'axe commun (29) et est placé à un foyer de l'objectif collimateur (22). 3. Dispositif de mesure de distance à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur optoélectronique (30) est agencé de façon que la surface de réception de lumière (300) soit placée à un foyer de l'objectif de réception (33). 4. Dispositif de mesure de distance à laser selon l'une quel-conque des revendications 1-3, caractérisé en ce que l'objectif de réception (33) comprend une ouverture (331) s'étendant le long de l'axe corn- mun (29). 5. Dispositif de mesure de distance à laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'émetteur laser (20) et l'objectif collimateur (22) sont fixés dans l'ouverture (331), et en ce que la surface intérieure de l'ouverture est recouverte par une revêtement de matériau optique. 6. Dispositif de mesure de distance à laser selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'émetteur laser (20) et l'objectif collimateur (22) sont montés dans un élément de fixation (24) qui comprend une sur-face intérieure et une surface extérieure dont l'une au moins est recouverte par un revêtement en matériau opaque, ou bien l'élément de fixation (24) est constitué d'un matériau opaque. 7. Dispositif de mesure de distance à laser selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément de fixation (24) est fixé dans l'ouverture (331) de l'objectif de réception (333). 8. Dispositif de mesure de distance à laser selon la revendica-tion 6, caractérisé en ce que l'élément de fixation (24) est disposé entre la surface de réception de lumière (300) et l'objectif de réception (33), et le faisceau laser (21) provenant de l'émetteur laser (20) est projeté à travers l'objectif collimateur (22) et traverse ensuite l'ouverture (331) de l'objectif de réception (33). 9. Dispositif de mesure de distance à laser selon l'une quel-conque des revendications 1-3, caractérisé en ce que la surface de réception de lumière (300) du convertisseur optoélectronique (30), l'objectif de réception (33), l'émetteur laser (20) et l'objectif collimateur (22) sont dis-posés dans cet ordre.