Brevet FR2975225A1 — publié le 20121116

DETECTEUR D'UNE SEQUENCE D'IMPULSIONS LUMINEUSES Domaine technique de l'invention L'invention est relative à la détection d'impulsions lumineuses, et plus particulièrement à la détection d'une séquence d'impulsions laser. État de la technique Un détecteur d'impulsion laser est destiné à capter une impulsion laser de courte durée et de faible énergie dans un environnement lumineux. A titre d'illustration, l'impulsion est émise par une source laser pointée vers une cible. Le détecteur perçoit l'impulsion laser réfléchie par la cible, ce qui permet de l'identifier. Le détecteur fournit ensuite la localisation de la cible à un système de guidage, qui dirige un objet en déplacement vers la cible. La demande de brevet EP1361613 décrit un détecteur d'impulsion laser dans un environnement d'éclairement variable. L'impulsion laser, d'une durée de 20 ns, est répétée à fréquence de 10 Hz. Un tel détecteur est constitué d'une matrice de cellules de photodétection. La figure 1 représente l'une de ces cellules de photodétection. La cellule comprend une photodiode 2 qui transforme l'énergie lumineuse en un courant électrique I. Elle comprend en outre un amplificateur 4 ayant une entrée connectée à la cathode de la photodiode 2. La sortie de l'amplificateur 4 est rebouclée sur l'entrée par l'intermédiaire d'une boucle de rétroaction 6. La boucle 6, de type suiveur, est constituée de deux transistors NMOS identiques 8a, 8b montés en série entre une tension d'alimentation VDD et la cathode de la photodiode. Les transistors 8a et 8b sont alimentés par le courant I de la photodiode qui dépend de l'éclairement reçu. La sortie de l'amplificateur est connectée sur la grille du transistor 8a. L'amplificateur convertit le courant I tiré par la photodiode en une tension de sortie Vs. La cellule permet ainsi d'isoler et d'amplifier la partie du courant électrique I relative à une impulsion lumineuse par rapport au fond lumineux ambiant. Un tel détecteur souffre cependant d'un inconvénient majeur. II peut être facilement brouillé de manière qu'il ne reconnaisse plus la cible ou se trompe de cible. Par exemple, un générateur d'impulsions, placé à distance de la cible et fonctionnant à la même fréquence que la source laser, sera également détecté. II est ainsi possible de détourner l'objet en déplacement vers un leurre. Résumé de l'invention On constate qu'il existe un besoin de prévoir un pixel de détection d'impulsions lumineuses moins sensible aux leurres. On tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un photodétecteur, une capacité d'intégration du courant issu du photodétecteur, un comparateur connecté à une borne de la capacité d'intégration et configuré pour détecter une impulsion lumineuse lorsque le potentiel de la borne atteint une valeur seuil, un interrupteur muni d'une électrode de commande reliée à une sortie du comparateur et connecté pour réinitialiser la capacité d'intégration. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs et illustrés à l'aide des dessins annexés, dans lesquels : la figure 1, précédemment décrite, représente une cellule de photodétection d'un détecteur d'impulsion laser selon l'art antérieur ; la figure 2 représente schématiquement un mode de réalisation d'un pixel de détection d'une séquence d'impulsions lumineuses selon l'invention ; les figures 3 à 5 sont des chronogrammes illustrant un fonctionnement global du pixel de détection selon la figure 2 ; et la figure 6 représente une colonne de pixels d'un mode de réalisation de détecteur d'impulsions lumineuses selon l'invention. Description d'un mode de réalisation préféré de l'invention Plutôt que d'utiliser une impulsion lumineuse qui se répète à fréquence fixe pour identifier une cible, on prévoit une séquence codée d'impulsions lumineuses. Une séquence d'impulsions lumineuses correspond à une succession d'impulsions de même amplitude et de même durée. La durée entre deux impulsions successives de la séquence peut être variable. La séquence est ensuite répétée à intervalles réguliers. Le code est défini en choisissant le nombre d'impulsions dans la séquence et/ou en choisissant chaque période de temps séparant deux impulsions successives de la séquence. Ainsi, la signature appliquée sur la cible est difficilement reproductible. La figure 2 représente un mode de réalisation de pixel Px permettant de détecter une séquence d'impulsions lumineuses. Le pixel Px comprend un photodétecteur 2, de préférence une photodiode de type avalanche, relié à une capacité d'intégration CINT. Une borne de la photodiode 2, par exemple la cathode, est connectée à une première borne A de la capacité CINT. L'autre borne de la photodiode 2 (l'anode) est reliée à un potentiel de substrat Vsus. La capacité CINT peut être la capacité intrinsèque de la photodiode 2 ou bien un composant séparé. La seconde borne de la capacité CINT est, de préférence, 20 connectée à la masse. La borne A de la capacité d'intégration CINT est connectée à une première entrée d'un comparateur de tensions 10, par exemple l'entrée négative. Une seconde entrée du comparateur 10, ici l'entrée positive, reçoit une tension de référence ou tension seuil, notée VREF sur la figure 2. 25 La sortie Vs du comparateur 10 est reliée à l'électrode de commande d'un interrupteur 12, par exemple un transistor de type NMOS. L'interrupteur 12 est connecté entre une tension d'alimentation VANL et la borne A de la capacité d'intégration CINT. Le fonctionnement du pixel de détection Px est le suivant. 30 Initialement, la capacité CINT est chargée. La tension aux bornes de la capacité CINT, c'est-à-dire le potentiel au noeud A, est égale à la tension d'alimentation VANL. La tension de sortie Vs du comparateur 10 est nulle (ou négative), ce qui implique que l'interrupteur 12 est à l'état bloqué. Lorsque la photodiode 2 reçoit une impulsion lumineuse, par exemple de type laser, les électrons photogénérés sont intégrés dans la capacité CINT. Alors, le potentiel au noeud A, noté VA, diminue. Tant que le potentiel VA est supérieur à la tension de référence VREF, la tension de sortie Vs est dans un état bas, par exemple à 0 V (GND). Lorsque le potentiel VA devient inférieur à la tension VREF, la tension Vs passe à un état haut, par exemple à la tension d'alimentation VDD du comparateur 10 (VDD > 0 V). 1 o Le passage du signal Vs de l'état bas à l'état haut signale qu'une impulsion lumineuse est captée par la photodiode 2. La sortie du comparateur 10, à la tension d'alimentation positive VDD, commande alors la fermeture de l'interrupteur 12 (état passant), ce qui a pour effet de réinitialiser la capacité CINT à la tension VANL. 15 Le potentiel VA remonte et devient à nouveau supérieur à la tension seuil VREF, ce qui provoque la transition de la sortie Vs de l'état haut (VDD) à l'état bas (GND). Le pixel revient dans son état initial, ce qui lui permet de détecter l'impulsion suivante de la séquence. Ainsi, par rapport au circuit de la figure 1, on ne vise pas à amplifier le signal 20 utile mais à le comparer à une valeur seuil qui définit une impulsion. Contrairement aux transistors 8a et 8b, le transistor 12 fonctionne en tant qu'interrupteur et permet de réinitialiser la capacité d'intégration. Aussitôt qu'une impulsion est détectée, le comparateur 10 commande la réinitialisation de la capacité CINT et peut détecter une nouvelle impulsion laser. Le pixel Px 25 permet ainsi de détecter plusieurs impulsions successives agencées sous la forme d'une séquence. Contrairement au circuit de l'art antérieur, le pixel Px est capable de détecter plusieurs fronts montants successifs dans un laps de temps très court, qui dépend principalement du dimensionnement du comparateur 10. En effet, dans 30 la demande de brevet EP1361613, la chaîne d'amplification et de traitement de l'impulsion laser est trop lourde pour permettre un fonctionnement à fréquences élevées. En outre, cette chaîne de traitement dispose d'un filtre qui limite la bande passante. Les figures 3 à 5 sont des exemples de signaux du pixel de détection Px. La figure 3 représente une séquence Laser constituée d'une impulsion PLI, à un instant suivie d'un groupe PLS de trois impulsions PL2-PL4, respectivement aux instants t2, t3 et t4. Le groupe PLS est espacé de l'impulsion PLI d'une période de temps TI. Une période de temps T2 sépare chaque impulsion du groupe PLS, c'est-à-dire chaque front montant du signal Laser. De préférence, la durée d'une impulsion est supérieure à la constante de temps imposée par la capacité CINT et l'écart minimum entre deux impulsions successives de la séquence (T2 dans l'exemple de la figure 3) est supérieur à deux fois la durée d'une impulsion. Les figures 4 et 5 représentent respectivement le potentiel VA et la tension de sortie Vs du comparateur 10 lors de la détection d'une telle séquence. La figure 4 montre une première décharge de la capacité CINT, à l'instant ti, en synchronisme avec l'impulsion laser PLI. A l'instant ti', le potentiel VA atteint et dépasse la valeur seuil VREF. La tension Vs devient alors égale à la tension VDD (Fig.5). L'interrupteur 12 devient passant et la capacité se recharge progressivement à la tension VANL. Dès lors, la tension Vs retombe à 0 V car le potentiel VA devient supérieur à la valeur seuil VREF (Fig.4). Sur la figure 5, on constate qu'à l'instant fi', la sortie Vs du comparateur 10 passe à la tension VDD et retombe immédiatement après à une tension nulle. La sortie VS décrit ainsi une impulsion PLI' de courte durée et en décalage temporel par rapport à l'impulsion laser PLI. Ce décalage, noté tINT sur la figure 4, correspond au temps que met la capacité CINT pour se décharger jusqu'à la tension de seuil VREF (tINT = tl). II est, de préférence, égal à la durée des impulsions laser. La durée de l'impulsion PLI', en sortie de pixel, est inférieure à la durée de l'impulsion Laser PLI. Elle est définie par le dimensionnement des éléments du pixel. Elle dépend notamment de la plus grande constante de temps (RC) parmi celle formée entre le comparateur 10 et la capacité CINT et celle formée entre le transistor 12 et la capacité CINT. De la même manière, les impulsions laser PL2-PL4 génèrent trois cycles consécutifs de décharge/charge de la capacité CINT (Fig.4), et donc trois autres impulsions PL2'-PL4' en sortie du comparateur 10 (Fig.5). Chacune des impulsions PL2'-PL4' est décalée d'un temps d'intégration tINT par rapport à l'impulsion laser associée. La sortie Vs du comparateur 10 reproduit ainsi la séquence laser mais avec des impulsions PL1'-PL4' de durée plus courte. Le nombre d'impulsions en sortie du pixel Px est égal au nombre d'impulsions dans la séquence laser. De plus, l'espacement entre deux impulsions PL1'-PL4' successives (c'est-à-dire la durée entre deux fronts montants successifs du signal Vs) correspond à l'espacement entre les deux impulsions successives associées de la séquence laser (T1 ou T2). Le code de la séquence laser est donc bien conservé lors de la détection. La figure 6 représente un mode de réalisation de détecteur de séquence laser. Le détecteur comprend une pluralité de pixels de détection Px organisés en rangées et en colonnes, sous la forme d'une matrice. Sur la figure 5, seulement deux pixels Px d'une colonne sont représentés. Le pixel de rangée n est noté Px(n) et le pixel de rangée n+1 est noté Px(n+1). Chaque pixel Px est en outre muni d'un étage inverseur 14 en sortie du comparateur 10. Cet étage est destiné à mettre en forme le signal Vs avant qu'il soit traité, en dehors du pixel. L'inverseur 14 est, par exemple, formé de deux transistors connectés en série, l'un de type PMOS et l'autre de type NMOS. Pour chaque colonne de la matrice de pixels, le détecteur comprend, de préférence, un bus de lecture 16 reliant les sorties de tous les pixels de la colonne. Le bus 16 est relié à une première entrée d'un comparateur de séquence 18. Une mémoire 20, dans laquelle est enregistrée une séquence de référence SEQ, est connectée à une seconde entrée du comparateur 18. Le comparateur 18 est, de préférence, de type statique, afin de démarrer la détection dès la présence d'une impulsion. Le détecteur comprend, de préférence, autant de comparateurs 18 et de mémoires 20 qu'il y a de colonnes dans la matrice. Alternativement, la mémoire 20 peut être commune à toutes les colonnes de la matrice de pixels. Le bus 16 permet d'acheminer la séquence d'impulsions PL1'-PL4' d'un pixel Px de la colonne vers le comparateur 18. On effectue ensuite la comparaison de la séquence PL1'-PL4' avec la séquence de référence SEQ. Le comparateur 18 indique si la séquence laser captée par le pixel correspond à la séquence de référence, en soustrayant les signaux reçus PLI'-PL4' et SEQ. Si tel est le cas, la sortie du comparateur 18 est nulle. Cela traduit que la cible a été correctement identifiée. La séquence d'impulsions PLI'-PL4' et la séquence de référence SEQ sont, si nécessaire, synchronisées afin d'effectuer leur comparaison. La synchronisation peut être réalisée par le biais d'une impulsion dédiée qui précède la séquence. Cette impulsion définit un repère temporel à partir duquel on effectue la soustraction. A titre d'exemple, l'impulsion PLI représentée à la figure 3 peut être le signal de synchronisation d'une séquence formée par le groupe PLS avec la séquence de référence correspondante. Lorsque l'impulsion de synchronisation PLI est détectée, on peut s'attendre à capter la séquence PLS après une période temps Ti prédéterminée. Un circuit de synchronisation commande alors la mémoire 20 pour que la séquence de référence soit envoyée vers le comparateur 18 après une durée Ti à partir du front montant de l'impulsion PL1'. La localisation de la cible, c'est-à-dire la localisation du pixel Px ayant capté la séquence d'impulsions laser, peut être fournie à un système de guidage comme il est connu de le faire dans les détecteurs d'impulsion laser. Le détecteur d'impulsions laser peut d'ailleurs être associé à un détecteur d'imagerie infrarouge classique. Par exemple, le détecteur infrarouge fonctionne dans une première bande spectrale infrarouge (MWIR) et le détecteur d'impulsions laser fonctionne dans une seconde bande spectrale (SWIR), disjointe de la première bande. Les deux détecteurs travaillent alors conjointement pour localiser la cible, ce qui permet de guider l'objet en déplacement précisément. De nombreuses variantes et modifications du pixel de détection d'impulsions lumineuses apparaîtront à l'homme du métier. En particulier, d'autres implémentations de comparateurs, d'interrupteur et d'inverseur que celles qui sont décrites ici peuvent être employées. On pourra notamment modifier les tensions d'alimentation du pixel, inverser les entrées positive et négative des comparateurs et changer le type du transistor 12. REVENDICATIONS1. Pixel de détection (P9 d'impulsions lumineuses (PL1-PL4) comprenant un photodétecteur (2), caractérisé en ce qu'il comporte : une capacité d'intégration (CINT) du courant issu du photodétecteur, un comparateur (10) connecté à une borne (A) de la capacité d'intégration (CINT) et configuré pour détecter une impulsion lumineuse lorsque le potentiel de la borne atteint une valeur seuil (VREF), un interrupteur (12) muni d'une électrode de commande reliée à une sortie du comparateur (10) et connecté pour réinitialiser la capacité d'intégration. 2. Pixel selon la revendication 1, dans lequel le photodétecteur (2) est une photodiode à avalanche. 3. Pixel selon la revendication 1, comprenant un étage inverseur à la sortie du comparateur (10). 4. Détecteur d'impulsions lumineuses, caractérisé en ce qu'il comporte une matrice de pixels de détection (Px) selon la revendication 1, organisés en rangées et colonnes. 5. Détecteur selon la revendication 4, comprenant, pour chaque colonne de pixels (Px), un bus de lecture (16) commun aux pixels de la colonne. 6. Détecteur selon la revendication 5, comprenant, pour chaque colonne de pixels (Px), un étage de comparaison (18) d'une séquence d'impulsions lumineuses (PL1'-PL4') acheminée par le bus de colonne (16) avec une séquence de référence (SEQ). 7. Détecteur selon la revendication 6, comprenant une mémoire (20) dans laquelle est enregistrée la séquence de référence (SEQ). 8