Brevet FR2883644A1 — publié le 20060929

TELEMETRE La présente invention est relative à un télémètre et, plus particulièrement, à un télémètre optique qui émet un faisceau de mesure et qui mesure une distance en recevant le faisceau de mesure réfléchi par un objet à mesurer et en comparant le faisceau de mesure émis et un faisceau de mesure réfléchi pour obtenir une différence entre eux. Les télémètres sont bien connus dans de nombreux domaines, notamment ro les relevés géodésiques, les relevés pour le bâtiment, les relevés en trois dimensions pour la décoration intérieure, etc. Les télémètres, en particulier les dispositifs de mesure optique de distances actuellement sur le marché sont très appréciés de nombreux utilisateurs en raison de la grande précision des mesures, de la rapidité de fonctionnement et de la grande amplitude de mesure. Un principe fondamental de mesure de distance utilisé dans les dispositifs connus repose sur le principe de mesure de phase ou le principe de temps de vol. La distance la plus longue pouvant être mesurée par ce type de télémètre optique peut atteindre plusieurs dizaines de mètres lorsque l'objet à mesurer a des surfaces naturelles rugueuses, et peut également atteindre plusieurs centaines de mètres si une surface réfléchissante est fixée à l'objet à mesurer. Comme représenté sur la figure 1, un télémètre optique classique dans la technique antérieure comprend une source de lumière 11, une lentille objectif collimatrice 12, une lentille objectif réceptrice 14, un récepteur opto-électronique 15, un circuit de modulation 17 servant à moduler la source de lumière afin que cette dernière puisse émettre un faisceau de mesure modulé, une unité de commande et de calcul 18, une unité d'affichage 19 servant à afficher un résultat de mesure de distance. Un axe optique de la lentille objectif collimatrice 12 est parallèle à un axe optique de la lentille objectif réceptrice 14. Le récepteur optoélectronique 15 est pourvu d'une surface photoréceptrice 16 située au foyer A de la lentille objectif réceptrice 14. De plus, pour compenser une erreur résultant d'effets de dérive dans le circuit électronique et dans le récepteur opto-électronique, et pour comparer les phases avant et après la mesure externe de distance, on sait que le télémètre comprend en outre un trajet optique de référence qui donne une distance de référence d'une longueur prédéterminée à mesurer par le télémètre de manière à améliorer la précision de la mesure. Le faisceau de mesure réfléchi par un objet éloigné apparaît sous la forme d'un faisceau parallèle, aussi la localisation de l'image du faisceau de mesure réfléchi amené à passer par la lentille objectif réceptrice 14 se situe au foyer A, c'est-à-dire sur la surface photoréceptrice du récepteur opto-électronique 15 (comme représenté en traits pleins sur la figure 1). Le faisceau de mesure réfléchi par un objet plus proche à mesurer est évidemment incliné par rapport à l'axe optique de la lentille objectif réceptrice 14, aussi la localisation de l'image se situe-t-elle en arrière du foyer A et s'écarte-t-elle de l'axe optique de la lentille objectif réceptrice (comme représenté en traits discontinus sur la figure 1), ce qui a pour effet que la mesure de la distance ne peut pas se poursuivre puisque la surface photoréceptrice 16 ne réussit pas à recevoir le faisceau de mesure réfléchi. Un grand nombre de techniques actuelles sont employées pour résoudre les problèmes apparaissant lors des mesures de courtes distances. Par exemple, à l'aide d'un miroir réfléchissant 21 représenté sur la figure 2 et d'un prisme 22 représenté sur la figure 3, le problème ci-dessus peut être largement atténué. Cependant, le faisceau de mesure réfléchi ne peut pas être dévié vers la surface photoréceptrice 16 à l'aide du miroir réfléchissant 21 ou du prisme 22 simplement si la distance à mesurer est très courte, par exemple de plusieurs centimètres, et le faisceau de mesure réfléchi s'incline fortement en raison des aptitudes limitées de déviation du miroir réfléchissant 21 et du prisme 22. Cela constitue évidemment un inconvénient pour des utilisateurs qui ont besoin de mesurer la distance de plusieurs centimètres d'utiliser d'autres télémètres. Assurément, le faisceau de mesure réfléchi peut être dévié vers la surface photoréceptrice 16 en plaçant une série de miroirs réfléchissants ou de prismes à certains endroits appropriés ou en déplaçant l'angle de réflexion du miroir réfléchissant d'après la détection et l'analyse de l'inclinaison du faisceau de mesure réfléchi. Cependant, il est évident que cela accentue la complication du dispositif et les difficultés de sa fabrication, aussi le coût du télémètre augmente- t-il également. Des récepteurs multi opto-électroniques utilisés dans certains télémètres pour agrandir la superficie de la surface photoréceptrice donnent également un bon résultat. Cependant, il faut souligner que le coût du télémètre optique augmente fortement lorsque le nombre de récepteurs optoélectroniques augmente, puisque le récepteur opto-électronique est l'élément le plus cher dans le télémètre. Il existe quelques autres télémètres pouvant mesurer une courte distance suffisante, par exemple une distance entre l'objet à mesurer et l'extrémité avant du boîtier, par le biais d'une augmentation de la longueur du boîtier des dispositifs afin d'accroître la distance entre la lentille objectif réceptrice et l'extrémité avant du boîtier. Cependant, de ce fait, les dimensions du boîtier du télémètre s'en trouvent accrues, ce qui n'est pas bon pour la miniaturisation du télémètre. La présente invention vise à réaliser un télémètre dont la distance minimale mesurable puisse être encore raccourcie, le dispositif étant encore apte à mesurer de longues distances, grâce à une structure simple et stable, sans accroître le coût ni les dimensions du dispositif. Pour atteindre l'objectif ci-dessus, la présente invention propose un télémètre servant à mesurer une distance par rapport à un objet à mesurer, comprenant: une source de lumière servant à émettre un faisceau visible de mesure vers ledit objet à mesurer; une lentille objectif collimatrice servant à collimater le faisceau de mesure émis par ladite source de lumière; une lentille objectif réceptrice servant à recevoir et à produire une image d'un faisceau de mesure réfléchi en arrière par ledit objet à mesurer; un récepteur opto-électronique servant à recevoir l'image dudit faisceau de mesure réfléchi et à convertir des signaux optiques présents dans celui-ci en signaux électriques correspondants, ledit récepteur opto-électronique comprenant une surface photoréceptrice, ladite surface photoréceptrice se situant au foyer de ladite lentille objectif réceptrice; un circuit de modulation pour moduler en fréquence ladite source de lumière 25 pour l'amener à émettre un faisceau de mesure modulé ; une unité de commande et de calcul couplée électriquement audit récepteur opto-électronique et audit circuit de modulation; une unité d'affichage couplée à ladite unité de commande et de calcul pour afficher des résultats de mesures de distances; et une ou un groupe de lentilles auxiliaires servant à diffuser les faisceaux. La lentille ou le groupe de lentilles peut convertir le faisceau de mesure réfléchi en mesures de petites distances, lequel faisceau est incliné par rapport à un axe optique de ladite lentille objectif réceptrice, en faisceau divergent présentant un certain angle de divergence, ledit faisceau divergent couvrant la surface photoréceptrice dudit récepteur opto-électronique. Le faisceau de mesure réfléchi qui est incliné par rapport à l'axe optique de ladite lentille objectif réceptrice peut se propager dans la direction d'origine sur une première direction et diverger sur une deuxième direction perpendiculaire à ladite première direction après avoir traversé les lentilles auxiliaires. La lentille auxiliaire et ladite lentille objectif réceptrice peuvent être séparées l'une de l'autre. En variante, la lentille auxiliaire peut être formée sur ladite lentille objectif réceptrice, c'est-à-dire que ladite lentille auxiliaire et ladite lentille objectif réceptrice peuvent être combinées sous la forme d'une lentille composée. La lentille auxiliaire peut être un élément optique à surface cylindrique. En particulier, l'élément optique à surface cylindrique peut être une lentille à surface cylindrique à un seul foyer, une lentille composée constituée de nombreuses surfaces cylindriques à focales différentes ou un groupe de lentilles à surface cylindrique. L'invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'une structure interne d'un télémètre optique classique selon la technique antérieure; la figure 2 est une représentation schématique d'un trajet optique de réception dans la technique antérieure, comprenant un miroir réfléchissant afin de dévier à nouveau un faisceau de mesure réfléchi; la figure 3 est une représentation schématique d'un trajet optique de réception selon la technique antérieure, qui comprend un prisme pour dévier à nouveau le faisceau de mesure réfléchi; la figure 4 représente une vue en perspective d'une lentille à surface cylindrique typique selon la présente invention; la figure 5 est une vue de face de la lentille représentée sur la figure 4; la figure 6 est une vue de dessus de la lentille représentée sur la figure 4; la figure 7 et la figure 8 représentent deux autres lentilles à surface cylindrique préférée; la figure 9 est une forme préférée de réalisation d'une structure interne du télémètre selon la présente invention. Les figures 4 à 6 représentent un type de lentille de forme cylindrique à surface cylindrique typique. Après avoir traversé la lentille 31 à surface cylindrique, le faisceau se propage encore dans sa direction d'origine sur un axe longitudinal 32 de la lentille (voir figure 5) et, en même temps, le faisceau est concentré une première fois, puis est amené à diverger dans une direction perpendiculaire à l'axe longitudinal (voir figure 6). En fonction de besoins concrets, l'angle de divergence du faisceau peut être conçu à n'importe quelle valeur d'angle entre 30 degrés et 120 degrés, en utilisant des lentilles à surface cylindrique ayant respectivement des indices de réfraction différents. Selon une autre possibilité, la lentille à surface 1 o cylindrique peut encore avoir d'autres structures, notamment une lentille partiellement cylindrique représentée sur la figure 7, une lentille concave à surface cylindrique représentée sur la figure 8, et d'autres lentilles à structure similaire. Outre une lentille unique à surface cylindrique, il peut également s'agir d'une lentille composée constituée d'un grand nombre de surfaces cylindriques à différents foyers, ou encore constituée par un groupe de lentilles individuelles à surface cylindrique. Un spécialiste ordinaire de la technique comprendra facilement que toutes ces variantes de lentilles à surface cylindrique peuvent servir à convertir le faisceau en un faisceau divergent avec un certain angle de divergence. La figure 9 représente une forme préférée de réalisation de la structure interne du télémètre selon l'invention. Le télémètre de la forme de réalisation préférée comprend une source de lumière 41 servant à émettre un faisceau de mesure vers un objet 45 à mesurer, un circuit 50 servant à moduler la fréquence de la source de lumière 41 pour l'amener à émettre un faisceau de mesure modulé, une lentille objectif collimatrice 43 servant à collimater le faisceau de mesure émis par la source de lumière 41 dans la direction de l'axe optique 44, une lentille objectif réceptrice 46 servant à recevoir et créer une image d'un faisceau de mesure réfléchi par l'objet à mesurer, un récepteur opto-électronique 48 servant à recevoir l'image des faisceaux de mesure et à convertir les signaux optiques de celle-ci en signaux électriques correspondants, une lentille 53 à surface cylindrique installée près de la lentille objectif réceptrice 46, une unité de commande et de calcul 51 couplée au récepteur opto-électronique 48 et au circuit de modulation, une unité d'affichage 52 couplée à l'unité de commande et de calcul 51 pour afficher des résultats de mesures de distances. La surface photoréceptrice 49 du récepteur opto-électronique 48 se trouve au foyer B de la lentille objectif réceptrice 46. La source de lumière 41 peut être n'importe quel type de source de lumière visible ou invisible convenant pour des mesures optiques de distances. Si on utilise une source de lumière invisible, une autre source de lumière visible peut être fixée au dispositif pour projeter un repère lumineux sur l'objet mesuré. Le télémètre selon la présente invention peut également comporter un trajet optique de référence afin d'améliorer la précision de la mesure de distance. Le récepteur opto-électronique 48 reçoit le faisceau de mesure réfléchi par l'objet mesuré 45 et délivre des signaux électriques correspondants contenant des informations de phase du faisceau de mesure réfléchi lorsque le télémètre mesure la distance d'après le principe de mesure de phase. L'unité de commande et de calcul 51 reçoit et traite les signaux électriques émis par le récepteur opto-électronique 48 pour obtenir un déphasage du faisceau de mesure entre un moment précédant l'émission du faisceau de mesure et un moment succédant à la réception du faisceau de mesure réfléchi de manière à calculer la distance entre le télémètre et l'objet 45 à mesurer. Ensuite, la distance mesurée est affichée par l'unité d'affichage 52. L'unité de commande et de calcul 51 commande en outre le circuit de modulation 50 afin de moduler la source de lumière 41. Si le télémètre mesure une distance d'après le principe du temps de vol, l'unité de commande et de calcul 51 peut également mesurer un temps de vol du faisceau de mesure sur le trajet de mesure afin d'obtenir la distance à mesurer. Pour des mesures de grandes distances, le faisceau de mesure réfléchi passe à travers la lentille objectif réceptrice 46 et une image de celuici est produite au foyer B, c'est-à-dire sur la surface photoréceptrice 49 du récepteur opto-électronique 48. Pour des mesures de distances courtes, le faisceau de mesure réfléchi est évidemment incliné par rapport à l'axe optique 47 de la lentille objectif réceptrice 46, et ainsi une image du faisceau de mesure réfléchi qui est reçue par la lentille objectif réceptrice 46 est produite au point B' en s'écartant de la surface photoréceptrice 49. La lentille 53 à surface cylindrique a la même possibilité de déviation de lumière dans toutes les directions dans un plan perpendiculaire à son axe longitudinal 32, de façon que le faisceau de mesure réfléchi qui traverse la lentille 53 à surface cylindrique peut toujours être une lumière en éventail présentant un certain grand angle, qui couvre suffisamment la surface photoréceptrice 49 du récepteur optoélectronique, quel que soit le degré de divergence du faisceau de mesure réfléchi. L'intensité du faisceau de mesure réfléchi d'une mesure de courte distance est extrêmement forte, aussi le récepteur opto-électronique 48 peut-il être actionné pour délivrer suffisamment de signaux électriques pour le calcul même si la surface photoréceptrice 49 ne reçoit qu'une petite partie du faisceau de mesure réfléchi passant par la lentille 53 à surface cylindrique. La lentille à surface cylindrique convertit le faisceau de mesure réfléchi en faisceau en éventail présentant un certain angle de divergence, ce qui a pour effet que la surface photoréceptrice 49 du récepteur opto-électronique 48 peut elle aussi recevoir suffisamment de lumière du faisceau de mesure réfléchi pour poursuivre la mesure de distance même si la distance de la lentille objectif réceptrice 46 à l'objet mesuré 45 est extrêmement courte (par exemple de quelques centimètres). Dans la présente forme de réalisation préférée, la lentille à surface cylindrique et la lentille objectif réceptrice sont deux éléments optiques séparés l'un de l'autre. Les spécialistes de la technique comprendront aisément que la même fonction peut également être exécutée par l'intermédiaire d'une lentille composée spéciale constituée d'une lentille objectif réceptrice dont une partie a une surface cylindrique. Dans la présente forme de réalisation préférée, la surface photoréceptrice 49 du récepteur opto-électronique 48 est la surface photosensible du récepteur optoélectronique lui-même. Les spécialistes de la technique comprendront qu'une fibre optique peut également être couplée à la surface photoréceptrice du récepteur optoélectronique et qu'une extrémité de la fibre optique distante de la surface photosensible peut servir de surface photoréceptrice du récepteur opto-électronique. De même, certains autres éléments employés comme surface photoréceptrice conviennent également. A l'aide du télémètre selon la présente invention, un utilisateur peut mesurer une distance, même limitée à 1 centimètre depuis l'objet mesuré afin que la mesure de toute distance entre zéro et le champ de mesure le plus grand puisse être réalisée pour autant que la distance entre l'extrémité avant du télémètre et la lentille objectif réceptrice 46 soit égale ou supérieure à 1 centimètre. La lentille à surface cylindrique est si bon marché qu'elle n'a aucune incidence sur le coût global du dispositif. La structure interne du télémètre selon la présente invention est simple et compacte, si bien que le dispositif se prête à une miniaturisation, et en particulier à être réalisée comme type de télémètre portatif. Revendications 1. Télémètre servant à mesurer une distance par rapport à un objet (45) à mesurer, comprenant: une source de lumière (41) servant à émettre un faisceau visible de mesure vers ledit objet (45) à mesurer; une lentille objectif collimatrice (43) servant à collimater le faisceau de mesure émis par ladite source de lumière (41) ; une lentille objectif réceptrice (46) servant à recevoir et à produire une to image d'un faisceau de mesure réfléchi en arrière par ledit objet (45) à mesurer; un récepteur opto-électronique (48) servant à recevoir l'image dudit faisceau de mesure réfléchi et à convertir des signaux optiques présents dans celui- ci en signaux électriques correspondants, ledit récepteur opto- électronique (48) comprenant une surface photoréceptrice (49), ladite surface photoréceptrice (49) se situant au foyer de ladite lentille objectif réceptrice (46) ; un circuit de modulation (50) pour moduler en fréquence ladite source de lumière (41) pour l'amener à émettre un faisceau de mesure modulé ; une unité de commande et de calcul (51) couplée électriquement audit récepteur opto-électronique (48) et audit circuit de modulation (50) ; et une unité d'affichage (52) couplée à ladite unité de commande et de calcul (51) pour afficher des résultats de mesures de distances; caractérisé en ce que ledit télémètre comprend en outre une ou un groupe de lentilles auxiliaires (53) pour convertir le faisceau de mesure réfléchi en mesures de petites distances, lequel faisceau est incliné par rapport à un axe optique de ladite lentille objectif réceptrice (46), en faisceau divergent présentant un certain angle de divergence, ledit faisceau divergent couvrant la surface photoréceptrice (49) dudit récepteur optoélectronique (48). 2. Télémètre selon la revendication 1, dans lequel ledit faisceau de mesure réfléchi qui est incliné par rapport à l'axe optique de ladite lentille objectif réceptrice (46) se propage dans la direction d'origine sur une première direction et diverge sur une deuxième direction perpendiculaire à ladite première direction après avoir traversé les lentilles auxiliaires (53). 3. Télémètre selon la revendication 1, dans lequel ladite lentille auxiliaire (53) et ladite lentille objectif réceptrice (46) sont séparées l'une de l'autre. 4. Télémètre selon la revendication 1, dans lequel ladite lentille auxiliaire (53) est formée sur ladite lentille objectif réceptrice (46), c'est-à-dire que ladite lentille auxiliaire (53) et ladite lentille objectif réceptrice (46) sont combinées sous la forme d'une lentille composée. 5. Télémètre selon l'une quelconque des revendications ci-dessus, dans lequel ladite lentille auxiliaire (53) est un élément optique à surface cylindrique. 6. Télémètre selon la revendication 5, dans lequel ledit élément optique à surface cylindrique est une lentille à surface cylindrique à un seul foyer. 7. Télémètre selon la revendication 5, dans lequel ledit élément optique à surface cylindrique est une lentille composée constituée de nombreuses surfaces cylindriques à focales différentes. 8. Télémètre selon la revendication 5, dans lequel ledit élément optique à surface cylindrique est constitué par un groupe de lentilles (53) à surface cylindrique.