Brevet FR2924801A1 — publié le 20090612

DISPOSITIF DE MESURE DE DISTANCE OPTOELECTRONIQUE La présente invention concerne un dispositif de mesure de distance optoélectronique, et plus particulièrement un dispositif de mesure de distance optoélectronique utilisant une photodiode à avalanche comme récepteur de mesure. Les dispositifs de mesure de distance optoélectroniques, tels que les télémètres laser à principe de phase, sont largement utilisés dans la construction, la décoration intérieure et d'autres domaines grâce à leur précision de mesure. Les principes généraux de mesure sont les suivants : un émetteur émet un faisceau de mesure modulé sur un objet qui doit être mesuré, puis le faisceau est réfléchi ou diffusé par l'objet qui doit être mesuré et le faisceau réfléchi est capté par un récepteur optoélectronique, donc la distance depuis l'objet qui doit être mesuré est obtenue sur la base du décalage de position de phase du faisceau de mesure modulé par rapport à l'émetteur. Généralement, une photodiode à avalanche est utilisée comme récepteur optoélectronique pour recevoir le faisceau de mesure modulé réfléchi par l'objet. La figure 1 illustre un schéma de circuit du dispositif de mesure de distance optoélectronique qui mesure la distance basée sur le principe de phase. Un signal mélangeur et un signal de fréquence initial avec la même fréquence et la même phase sont générés par un circuit à boucle de verrouillage de phase (PLL) Il'. Le signal de fréquence initial et un signal basse fréquence généré par un microprocesseur 12' sont transmis sur un modulateur en quadrature 13', et ensuite un signal de modulation de fréquence est produit dans le modulateur en quadrature 13' et émis à partir de celui-ci. Le signal de modulation de fréquence est ensuite amplifié par un amplificateur de puissance 14', et il est superposé sur l'émetteur laser 15' pour la modulation en fréquence du faisceau de mesure. L'émetteur 15' émet un faisceau de mesure modulé en fréquence sur un objet 16' qui doit être mesuré. La photodiode à avalanche 17', qui est utilisée simultanément comme un mélangeur direct, reçoit le faisceau de mesure modulé en fréquence réfléchi par l'objet 16' qui doit être mesuré. Le signal mélangeur est mélangé avec les signaux générés selon le faisceau de mesure modulé en fréquence reçu réfléchi par l'objet qui doit être mesuré dans la photodiode à avalanche 17' et entraîne l'émission de signaux, les signaux émis sont amplifiés par un amplificateur à transrésistance 18' -1 es par un filtre passe-bas 19', puis un signal de mesure basse fréquence est produit. Le signal de mesure basse fréquence contient une information de phase qui est utilisée pour calculer une distance jusqu'à l'objet qui doit être mesuré. Bien que la photodiode à avalanche offre l'avantage d'une amplification et d'une sensibilité élevées, il est nécessaire d'appliquer une tension de fonctionnement élevée dépendant de la température à la photodiode à avalanche. En général, une tension de polarisation variable, dépendante de la température est appliquée. Par conséquent, une capacité de la photodiode à avalanche varie avec la tension de polarisation qui change selon la température, et un déphasage restant est produit. Le déphasage est donc ajouté au signal de mesure basse fréquence susmentionné qui contient l'information de phase utilisée pour calculer la distance qui doit être mesurée, et donc une erreur de mesure est produite. Dans l'art antérieur, un trajet optique de référence interne avec une longueur prédéterminée est disposé dans le dispositif de mesure de distance de façon à éliminer le déphasage produit par la photodiode à avalanche. Un dispositif de commutation mécanique utilisé pour la commutation entre un trajet optique de mesure externe et le trajet optique de référence interne est agencé dans le trajet optique d'émission du faisceau de mesure. La photodiode à avalanche reçoit le signal de mesure modulé transitant par le trajet optique de mesure externe et le signal de référence modulé transitant par le trajet optique de référence interne successivement, et produit un signal de mesure basse fréquence et un signal de calibrage basse fréquence, respectivement. Le signal de mesure basse fréquence et le signal de calibrage basse fréquence contiennent tous les deux le déphasage produit par la photodiode à avalanche, puis le déphasage est contrebalancé en soustrayant la phase du signal de calibrage de la phase du signal de mesure, de telle sorte que l'erreur de mesure est éliminée. Le signal de mesure et le signal de calibrage atteignent la photodiode à avalanche successivement et alternativement par la commutation mécanique, qui peut survenir plusieurs fois pendant un procédé de mesure. Mais une commutation mécanique répétée pendant le procédé de mesure entraîne une charge ùuique élevée et une usure consàk table des parties mobiles. En outre, le dispositif de commutation mécanique et le trajet optique interne compliquent la structure du dispositif de mesure de distance, ce qui entraîne des coûts de fabrication élevés et un poids et un volume importants. Tout cela est désavantageux pour la miniaturisation du dispositif de mesure de distance. Autrement, deux récepteurs optoélectroniques sont utilisés dans certains télémètres pour recevoir le signal de mesure réfléchi et le signal de référence simultanément, mais le récepteur optoélectronique onéreux supplémentaire augmente les coûts de fabrication du télémètre de façon conséquente. Un objet de la présente invention concerne un dispositif de mesure de distance optoélectronique ayant une plus grande précision de mesure sans utiliser un trajet optique de référence interne. Pour atteindre cet objet, la présente invention fournit un dispositif de mesure de distance optoélectronique qui comprend un modulateur de fréquence qui génère un signal de modulation haute fréquence, un émetteur qui émet un faisceau de mesure modulé par le signal de modulation haute fréquence vers un objet qui doit être mesuré, une photodiode à avalanche qui reçoit un faisceau de mesure réfléchi par l'objet et génère un signal de mesure réfléchi haute fréquence correspondant, un dispositif de génération de signal qui génère un signal mélangeur haute fréquence, le dispositif de génération de signal est raccordé avec la photodiode à avalanche, le signal mélangeur haute fréquence est transmis à la photodiode à avalanche et mélangé avec le signal de mesure réfléchi haute fréquence dans la photodiode à avalanche pour conduire à un signal de mesure basse fréquence qui contient une information de phase utilisée pour calculer une distance qui doit être mesurée, et un dispositif de traitement de signal raccordé avec la photodiode à avalanche et utilisé pour déterminer la distance qui doit être mesurée, le modulateur de fréquence est raccordé derrière la photodiode à avalanche et est également raccordé à l'émetteur. Le signal mélangeur haute fréquence ci-dessus peut être transmis au modulateur de fréquence à travers la photodiode à avalanche, et être mélangé avec un signal mélangeur basse fréquence dans le modulateur de fréquence pour produire le signal de modulation haute fréquence qui est transmis à l'émetteur. Dans la présente invention, le faisceau de mesure émis par l'émetteur est modulé par le signal de modulation haute fréquence qui est produit par le signal mélangeur haute fréquence depuis la photodiode à avalanche, de telle sorte que le signal de mesure réfléchi haute fréquence produit par le faisceau de mesure réfléchi qui est reçu par la photodiode à avalanche contient déjà une information de déphasage générée à cause de la variété des températures et des tensions appliquées sur la photodiode à avalanche. Le signal de mesure réfléchi haute fréquence avec les informations de déphasage est mélangé avec le signal mélangeur haute fréquence qui contient le même déphasage dans la photodiode à avalanche, et conduit à un signal basse fréquence, alors que le déphasage est contrebalancé pendant le processus de mélange de fréquence, et la phase du signal basse fréquence ne contient pas le déphasage, de telle sorte que l'erreur de mesure due au déphasage de la photodiode à avalanche est éliminée. En comparaison avec l'art antérieur, l'erreur de mesure due au déphasage de la photodiode à avalanche est éliminée dans le dispositif de mesure de distance optoélectronique décrit dans la présente invention sans utiliser un trajet optique de référence interne supplémentaire et le dispositif de commutation mécanique, de telle sorte que la structure et le procédé de commande du dispositif de mesure de distance peuvent être simplifiés, et les coûts de fabrication peuvent également être réduits. La figure 1 illustre un schéma de circuit d'un dispositif de mesure de distance optoélectronique qui mesure une distance basée sur le principe de phase dans l'art antérieur. La figure 2 illustre un schéma de circuit d'un dispositif de mesure de distance optoélectronique d'un mode de réalisation préféré de la présente invention. En référence à la figure 2, un dispositif de mesure de distance optoélectronique d'un mode de réalisation préféré de la présente invention comprend principalement un circuit à boucle de verrouillage de phase (PLL) 11, un modulateur en quadrature 13 qui module un signal mélangeur haute fréquence en un signal de modulation haute fréquence qui est utilisé pour moduler un faisceau de mesure, un émetteur de signal optique 15, une photodiode à avalanche 17 et un microprocesseur MCU 12. Le modulateur en quadrature 13 est raccordé entre la photodiode à avalanche 17 et l'émetteur 15 par des lignes électriques. La photodiode à avalanche 17 est utilisée comme un récepteur de signal de mesure, et est utilisée simultanément comme un mélangeur direct. La photodiode à avalanche 17 est raccordée à une tension de polarisation variable HT sur une résistance en série 21. Le circuit à boucle de verrouillage de phase (PLL) 11 génère le signal mélangeur haute fréquence qui est transmis à la photodiode à avalanche 17 par une ligne électrique, le signal mélangeur haute fréquence contenant donc un composant de déphasage à cause de la variété des températures et des tensions de la photodiode à avalanche. Le signal mélangeur haute fréquence est transmis de la photodiode à avalanche 17 au modulateur en quadrature 13 à travers les lignes électriques. Entre-temps, un signal mélangeur basse fréquence est émis du MCU 12 au modulateur en quadrature 13. Le signal mélangeur haute fréquence de la photodiode à avalanche 17 et le signal mélangeur basse fréquence du MCU 12 sont synthétisés dans le modulateur en quadrature 13, et le signal de modulation haute fréquence pour moduler le faisceau de mesure est donc produit. Le composant de déphasage est également contenu dans le signal de modulation haute fréquence. Le signal de modulation haute fréquence est transmis à un amplificateur de puissance 14. Après avoir été amplifié, le signal de modulation haute fréquence est superposé sur l'émetteur 15 et est utilisé pour la modulation haute fréquence du faisceau de mesure émis par l'émetteur 15. Le faisceau de mesure modulé à haute fréquence est transmis à un objet 16 qui doit être mesuré. La photodiode à avalanche 17 reçoit un faisceau de mesure réfléchi depuis l'objet 16 et produit un signal de mesure réfléchi haute fréquence correspondant. Donc, le même composant de déphasage est également contenu dans le signal de mesure réfléchi haute fréquence de cette façon. Le signal de mesure réfléchi haute fréquence avec le composant de déphasage est mélangé avec le signal mélangeur haute fréquence qui contient le même composant de déphasage dans la photodiode à avalanche 17 qui est utilisée comme un mélangeur direct, et conduit à des signaux de sortie. Les signaux de sortie sont amplifiés par un amplificateur à transrésistance 18 et ensuite filtrés par un filtre passe-bas 19, produisant ainsi un signal de mesure basse fréquence. Le signal de mesure basse fréquence contient les informations de phase utilisées pour calculer la distance jusqu'à l'objet qui doit être mesuré. Le signal de mesure basse fréquence est émis vers le MCU 12 et traité dans celui-ci pour calculer une distance entre le dispositif de mesure de distance et l'objet qui doit être mesuré. Le composant de déphasage est contrebalancé pendant le procédé de mélange, d'amplification et de filtrage, de telle sorte que l'erreur de mesure de celui-ci soit éliminée. Le MCU 12 peut également être raccordé à un dispositif d'affichage et commander le dispositif d'affichage pour afficher les résultats de mesure et d'autres informations. L'émetteur 15 susmentionné est une diode laser qui est disponible dans le commerce. 6 Seules les parties de circuit du dispositif de mesure de distance optoélectronique de la présente invention sont décrits ci-dessus. Les parties optiques du dispositif de mesure de distance optoélectronique qui comprennent un trajet optique d'émission et un trajet optique de réception sont décrites dans l'art antérieur, et elles sont donc omises ici. Les modes de réalisation préférés décrits ci-dessus sont conçus pour illustrer le principe de la présente invention, et non pour limiter sa portée. Les hommes du métier comprendront facilement que de nombreuses modifications et variantes de ces modes de réalisation préférés apparaîtront et peuvent être réalisées. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de distance optoélectronique, comprenant : un modulateur de fréquence qui génère un signal de modulation haute fréquence, un émetteur (15) qui émet un faisceau de mesure vers un objet qui doit être mesuré, ledit faisceau de mesure est modulé par ledit signal de modulation haute fréquence, une photodiode à avalanche (17) qui reçoit un faisceau de mesure réfléchi depuis l'objet et génère un signal de mesure réfléchi haute fréquence correspondant, un dispositif de génération de signal qui génère un signal mélangeur haute fréquence, dans lequel le dispositif de génération de signal est raccordé avec ladite photodiode à avalanche (17), ledit signal mélangeur haute fréquence est transmis à ladite photodiode à avalanche (17) et mélangé avec ledit signal de mesure réfléchi haute fréquence dans la photodiode à avalanche (17) et conduit à un signal de mesure basse fréquence, ledit signal de mesure basse fréquence contient une information de phase utilisée pour calculer la distance qui doit être mesurée, et un dispositif de traitement de signal raccordé avec ladite photodiode à avalanche (17) 15 et utilisé pour déterminer la distance qui doit être mesurée, dans lequel ledit modulateur de fréquence est raccordé derrière ladite photodiode à avalanche (17) et est également raccordé avec ledit émetteur (15). 2. Dispositif de mesure de distance optoélectronique selon la revendication 1, dans 20 lequel ledit signal mélangeur haute fréquence est transmis audit modulateur de fréquence depuis ladite photodiode à avalanche (17), et est mélangé avec un signal mélangeur basse fréquence dans le modulateur de fréquence pour produire ledit signal de modulation haute fréquence, ledit signal de modulation haute fréquence est appliqué audit émetteur (15). 2 3. Dispositif de mesure de distance optoélectronique selon la revendication 2, dans lequel ledit signal mélangeur basse fréquence est généré par ledit dispositif de traitement de signal. 0 4. Dispositif de mesure de distance optoélectronique selon la revendication 1 ou dans lequel ledit modulateur de fréquence est un modulateur en quadrature (13). 5. Dispositif de mesure de distance optoélectronique selon la revendication 4, dans lequel ledit dispositif de génération de signal est un circuit à boucle de verrouillage de phase (11). 6. Dispositif de mesure de distance optoélectronique selon la revendication 4, dans lequel ledit émetteur (15) est une diode laser. 7. Dispositif de mesure de distance optoélectronique selon la revendication 4, d 10 lequel un amplificateur de puissance (14) est raccordé entre ledit modulateur en quadrature (13) et ledit émetteur (15).5