Brevet FR3107766A1 — publié le 20210903

Dispositif permettant de mesurer l’émission angulaire d’une source, sans mouvement mécanique, caractérisé en ce qu’il comprend, successivement selon son axe optique: un premier objectif, dit de Fourier (2), agencé pour former une surface de Fourier (3) dont chaque point correspond à une direction d’observation de l’objet ; un diffuseur (8) utilisé en transmission et disposé sur la surface de Fourier ; une densité optique (12) disposée en amont du diffuseur et agencée pour atténuer la lumière rétrodiffusée vers l’optique de Fourier2 et ladite source étendue ; un vidéo-photomètre (9) situé en aval du plan diffuseur (8) et agencé pour imager la surface du diffuseur. Figure pour l’abrégé: figure 7 Dispositif optique permettant de mesurer rapidement l’émission angulaire d’une source de lumière de surface finie La présente invention concerne un dispositif de mesure radiométrique permettant de mesurer rapidement l’émission angulaire d’une source de lumière de surface finie avec une résolution angulaire importante et une grande ouverture angulaire. Elle s’applique notamment aux sources de rayonnement lumineux de type diode laser ou électroluminescentes, et matrices de ces composants, qui peuvent être utilisées dans des applications comme les capteurs 3D pour les véhicules autonomes ou les smartphones. Etat de la technique antérieure La méthode la plus simple pour mesurer l’émission angulaire en champ lointain d’une source de lumière est de projeter la lumière émise sur un écran diffusant et d’utiliser un vidéo-photomètre pour mesurer la lumière diffusée par l’écran. Une calibration position/angle d’émission permet alors de déduire l’émission angulaire de la source. Cette technique est utilisée depuis longtemps, car elle est simple à mettre en œuvre. Cette configuration de mesure est notamment décrite dans US10215622B2. La figure1 de la présente demande montre une vue schématique de ce type de configuration. La source1 de diamètre d émet de la lumière dans un cône de demi-angle θ sur un écran diffusant8 situé à une distance D de la source. La lumière réémise dans toutes les directions est captée par un vidéo-photomètre9 qui donne une image du cône d’émission de la source. Après calibration du système et correction des distorsions géométriques, l’émission angulaire en champ lointain de la source 1 sur une ouverture angulaire2θ peut être déduite. Ce montage présente plusieurs inconvénients. La source et le vidéo-photomètre ne peuvent pas être orientés suivant un même axe pour des raisons d’obstruction ce qui induit des distorsions soit sur le cône d’émission, soit sur l’image obtenue. La diffusion sur l’écran induit une lumière parasite importante qui doit être absorbée ce qui est d’autant plus difficile que la taille du système est grande. Enfin si la taille d de la source est non négligeable par rapport à la taille de l’écran diffusant, la résolution angulaire maximum Δθ est limitée: La résolution angulaire maximum peut être améliorée en augmentant la distance D entre la source et l’écran diffusant, mais le diamètre minimal de l’écran diffusant W augmente pour maintenir une même ouverture angulaire θ: Comme le montre la figure2 qui donne la résolution angulaire maximale du système en fonction de la distance D pour quelques tailles de source, la distance nécessaire augmente rapidement avec la taille de source pour maintenir une résolution angulaire inférieure à 1 ou 2 degrés. La taille de l’écran diffusant devient alors rapidement prohibitive si des ouvertures angulaires grandes sont nécessaires rendant ingérables les problèmes de lumière parasite sur ces grands dispositifs. Des systèmes de mesure basés sur ce type de configuration sont toutefois commercialisés par diverses sociétés. Une variante simple du système qui remplace l’écran diffusant par un diffuseur en transmission8 est représentée sur la figure4 de la présente demande et commercialisé par la société Gamma Scientific sous le nom VCSEL Test Systems (pour Vertical Cavity Surface Emitting Laser Systems ). Le déport du vidéo-photomètre9 de l’autre côté du diffuseur permet de s’affranchir des problèmes de distorsion, car la source1 et celui-ci peuvent être alignés le long d’un même axe. Les contraintes de résolution angulaire et d’ouverture angulaire sont bien sûr les mêmes que précédemment. L’épaisseur du diffuseur doit être aussi la plus faible possible pour ne pas affecter la résolution angulaire du système ce qui devient d’autant plus difficile que la taille du système et donc du diffuseur augmente. Cette configuration est appelée configuration en transmission. Une autre variante de ce type de système dont le montage de principe est décrit dans WO00/37923 et plus récemment pour la caractérisation des sources de lumière dans CN202101836U a été commercialisé par la société Radiant Imaging en 2006 (voir Rykowski, D. Kreysar, S. Wadman, “The use of an imaging sphere for high throughput measurements of display performance – technical challenges and mathematical solutions”, SID Conference, 9.3, 2006). Ce montage utilise une demi-sphère diffusante en lieu et place de l’écran diffusant suivant la configuration du système schématisée sur la figure5. La source à mesurer 1 est positionnée au centre de la demi-sphère8. Le fond de sphère10 est constitué par un matériau le plus absorbant possible pour réduire les réflexions parasites. La lumière diffusée par la sphère est imagée par un vidéo-photomètre9 légèrement hors axe à l’aide d’un miroir convexe11. Le principal avantage de ce montage optique est qu’il autorise une ouverture angulaire importante et proche de 180 degrés, mais les problèmes de résolution angulaire liés aux contraintes géométriques sont exactement les mêmes que précédemment. D’autre part la lumière parasite diffusée plusieurs fois par la sphère nécessite des corrections complexes (voir V. Collomb-Patton, P. Boher, T. Leroux, « Comprehensive survey of viewing angle measurement devices: a theoretical study », SID Conference, San Antonio, 17.4 (2009) pour une comparaison avec d’autres techniques). Toutes les techniques discutées ci-dessus sont limitées en résolution. De plus, elles ne peuvent permettre la mesure d’une source telle qu’observée à une distance fixe selon les différents angles d’observation. Pour la mesure rapide de l’émission angulaire de sources avec une résolution angulaire élevée et une ouverture angulaire importante, la technique préférée consiste à utiliser une optique de Fourier associée à un capteur imageur. Cette technique a été brevetée par la demanderesse et est décrite dans le document FR2749388A. Le principe de ce système est représenté sur la figure6 du présent document. Le système comporte un objectif de Fourier2 permettant de collecter la lumière émise par une zone de l’objet1 et à refocaliser chaque direction d’observation sur un plan focal dit plan de Fourier3. Ce plan est réimagé sur un capteur à deux dimensions7 par l’intermédiaire de lentilles de champ4 et d’un objectif de transfert6. Un diaphragme5 situé entre les lentilles de champ4 et l’objectif de transfert6 et optiquement conjugué de la zone de mesure sur l’objet1 permet de définir la taille apparente de la zone mesurée indépendamment de la direction d’observation. La mesure effectuée par ce type de système optique permet d’évaluer l’émission en champ lointain de la source étudiée. Ce système optique est bien adapté à la mesure de sources lumineuses étendue de taille supérieure à la zone de mesure définie par le diaphragme 5. S’il permet des mesures à haute résolution, le système illustré sur la figure6 présente cependant un désavantage lors de mesure de sources de taille inférieure à celle de la zone de mesure. En effet si la source à mesurer ne reste pas parfaitement alignée avec l’axe optique du système, le rayon principal de chaque faisceau de lumière émis dans une direction particulière va être focalisé sur le premier plan de Fourier (3), et a fortiori sur le deuxième plan de Fourier (3bis) qui est l’image directe du premier, selon un angle qui va varier avec le décentrement de la source. L’angle moyen d’incidence sur le capteur à deux dimensions 7 va donc varier, et selon les caractéristiques du capteur et sa sensibilité à l’angle d’incidence, le résultat de la mesure peut être très significativement dépendant de la position de la source à l’intérieur de la zone de mesure définie par le diaphragme 5. De plus, ce dispositif nécessite 3 objectifs différents, 2, 4 et 6 et donc l’usage de nombreuses lentilles. Enfin, du fait de l’application de la loi de conservation de l’étendue géométrique applicable à un tel dispositif, plus la surface à observer est importante et/ou plus l’ouverture angulaire est importante, plus les contraintes d’ouverture seront importantes sur l’objectif 6, rendant le cout du système rapidement prohibitif. Un but de l’invention est notamment de remédier à tout ou partie des inconvénients précités. Selon un premier aspect de l’invention, il est proposé un dispositif permettant de mesurer l’émission angulaire d’une source lumineuse, de préférence sans mouvement mécanique. Le dispositif selon le premier aspect de l’invention comprend, successivement selon son axe optique: un premier objectif, dit de Fourier, agencé pour former une surface de Fourier dont chaque point correspond à une direction d’observation de l’objet, - un surface diffusante utilisée en transmission et disposée sur la surface de Fourier, - un vidéo-photomètre situé en aval de la surface diffusante et agencé pour imager la surface diffusante. Le dispositif peut comporter une densité optique disposée en amont de la surface diffusante et agencée pour atténuer la lumière rétrodiffusée vers l’optique de Fourier et la source étudiée, Le dispositif peut être calibré par un moyen de calibration de la correspondance entre la position sur le diffuseur et l’angle d’émission de la source étudiée pour déduire en temps réel l’émission angulaire de la source. Selon une première possibilité, chaque point de la surface de Fourier correspond à une direction angulaire d’émission unique de la source. Il est ainsi possible de mesurer l’émission lumineuse en champ lointain de la source. Selon une deuxième possibilité, dans lequel chaque point de la surface de Fourier correspond à l’ensemble des rayons de lumière émis par la source, observée à une distance fixe et selon une direction angulaire d’observation. Cela permet la mesure de la source vue à cette distance fixe et selon cette direction. Ainsi, il est proposé un dispositif permettant de mesurer l’émission angulaire d’une source vue à une distance déterminée, et ce sans mouvement mécanique afin de s’assurer, par exemple, de son innocuité pour l’œil humain. L’objectif de Fourier collecte la lumière émise par la source comme vue à une distance donnée et non pas à l’infini comme selon la première possibilité, avant de la refocaliser sur la surface de Fourier. Dans ce cas, chaque point de cette surface correspond à l’ensemble des faisceaux issus de la source et convergeant en un point situé selon une direction angulaire donnée et à une distance fixe de la source. De préférence, la distance fixe est de 10 cm. La distance de 10 cm est préconisée par certaines normes pour simuler la collection de lumière par l’œil humain. D’autres distances d’observation normalisées existent. Selon une possibilité, la distance fixe est déterminée par une telle autre distance d’observation normalisée. De préférence, l’axe optique du vidéo-photomètre est orienté parallèlement à la normale de la source étudiée. Selon un mode de réalisation, le couple densité - diffuseur peut être formé par une densité optique, par exemple plane, dépolie sur une face et traitée antireflet sur la seconde face. Selon un autre mode de réalisation, le couple densité - diffuseur peut être formé par une densité optique, par exemple plane, avec un film diffusant collé sur une des faces et un traitement antireflet sur l’autre face. Description des figures D’autres avantages et particularités de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, au regard de dessins annexés sur lesquels: [Fig.1] La figure 1 décrit un état de la technique antérieure dédié à la mesure angulaire en champ lointain d’une source de lumière, [Fig.2] [Fig.3] Les figures 2 et 3 donnent respectivement la résolution angulaire et la taille de l’écran diffusant du système de la figure1 en fonction de la distance source – écran diffusant pour quelques diamètres de sources et quelques ouvertures angulaires du système, [Fig.4] d La figure 4 écrit une version de la technique antérieure utilisant un diffuseur en transmission en lieu et place de l’écran diffusant de la figure1. Le système n’a plus de distorsion géométrique, car le vidéo-photomètre9 peut être aligné sur l’axe optique de la source, mais les contraintes de la figure2 sont toujours valables. [Fig.5] La figure 5 décrit une autre version de la technique antérieure qui utilise une demi-sphère diffusante en lieu et place de l’écran diffusant. La surface de la demi-sphère est imagée par un miroir convexe11 et un vidéo-photomètre9 légèrement hors axe. L’ouverture angulaire du système est toujours grande quelle que soit la taille de la sphère, mais la résolution angulaire est toujours soumise aux contraintes de la figure2. [Fig.6] La figure 6 décrit un état de la technique antérieure basé sur un dispositif à optique de Fourier. La lumière émise par la source1 est collectée par une optique de Fourier2 qui refocalise chaque direction provenant de l’objet1 sur un plan de Fourier primaire3. Ce plan de Fourier primaire est réimagé sur un plan de Fourier secondaire3bis par l’intermédiaire de lentilles de champ4 et à d’un objectif de transfert6. Le diaphragme5 optiquement conjugué de la zone de mesure sur l’objet1 permet de définir la taille apparente de la zone mesurée indépendamment de la direction d’observation. La détection est effectuée par une matrice de détecteurs7 situé sur le plan de Fourier secondaire3bis. [Fig.7] La figure 7 montre le principe de l’invention basée sur le montage de la figure4 incluant une optique de Fourier 2 qui focalise chaque direction d’émission sur un diffuseur8 représenté plan sur la figure, mais qui peut être une surface de révolution. Une densité optique12 peut être positionnée devant le diffuseur pour atténuer fortement la lumière parasite rétrodiffusée vers la source. La mesure angulaire est réalisée par un vidéo-photomètre9 de l’autre côté du plan du diffuseur. La figure8 montre une configuration particulière de l’invention incluant une optique de Fourier particulière 2 qui collecte la lumière provenant de la source en simulant la vision de la source à une distance R (typiquement 10cm). Chaque point de vue sur la sphère de rayon R 13 est refocalisée sur un même type de diffuseur/densité optique 8 12. Dans cette configuration particulière la source est vue à une distance finie R et pas à l’infini comme avec une optique de Fourier classique. Description de mode de réalisation Les modes de réalisation décrits ci-après n’étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l’invention ne comprenant qu’une sélection de caractéristiques décrites, par la suite isolées des autres caractéristiques décrites, si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l’invention par rapport à l’état de la technique antérieure. La présente invention est basée sur la configuration en transmission telle schématisée sur la figure4. Elle est schématisée sur la figure7 où sont ajoutés deux éléments supplémentaires: une optique de Fourier2 entre la source émissive1 et le diffuseur en transmission qui peut être soit plan soit suivant une surface de révolution choisie 3 et possiblement une densité optique12 située avant le diffuseur. Ces deux éléments supplémentaires apportent trois avantages décisifs pour la réalisation pratique du dispositif. L’optique de Fourier2 assure la collection de chaque faisceau de lumière provenant de toute la surface de l’objet émissif1 et sa focalisation sur la surface du diffuseur3. Dans ces conditions la résolution angulaire du système n’est plus définie par les conditions de taille du système, mais par les caractéristiques intrinsèques de l’optique de Fourier2. Elle peut donc être très bonne pour des sources de taille importante sans les contraintes géométriques sur la distance et la taille du diffuseur que nous avons explicité précédemment. Les contraintes liées à la réalisation de cette optique de Fourier sont aussi différentes de celles liées aux systèmes de Fourier classiques représentés sur la figure6. Dans ce dernier cas, la focalisation doit s’effectuer le plus parallèlement possible à l’axe optique du système pour tous les angles d’incidence, ce qui impose une optique complexe. Le lieu des points de focalisation n’est pas forcément un plan, mais une surface de révolution. Dans le cas de l’invention, le lieu des points de focalisation doit être sur la surface du diffuseur qui peut être soit un plan soit une surface de révolution quelconque, mais les angles d’incidence de chaque faisceau de lumière n’ont pas besoin d’être orientés le long de l’axe optique du système ce qui supprime une contrainte très forte sur la réalisation pratique de cette optique. Une déviation de quelques dizaines de degrés est admissible, car le diffuseur est capable de faire son office même pour des faisceaux de lumière hors axe. La levée de cette contrainte fait que l’optique de Fourier pourra être réalisée avec une taille limitée et un coût raisonnable même pour des tailles de source de quelques cm 2 . L’introduction d’une densité optique avant le plan du diffuseur permet par ailleurs de réduire fortement la lumière parasite rétrodiffusée dans l’optique de Fourier2 et sur la source1. En effet toute lumière rétrodiffusée traverse deux fois densité optique12 alors que la lumière utile détectée par le vidéo-photomètre9 ne la traverse qu’une fois. Pour la mesure de sources de lumière de forte puissance la mise en place d’une densité optique ne pose pas de problème particulier et est même nécessaire dans la plupart des cas pour éviter la saturation du vidéo-photomètre. Si on utilise une densité optique de 1,0 par exemple, la lumière parasite rétroréfléchie dans le système sera de l’ordre de 1% ce qui va générer une part réfléchie dans la voie de mesure inférieure à 0,005% (une optique non traitée à une réflexion de l’ordre de 5%) complétement négligeable par rapport à la lumière transmise utile pour la mesure qui est de l’ordre de 10%. Les performances du système et en particulier la résolution angulaire sont dépendant de la qualité du diffuseur qui doit être très homogène et d’épaisseur la plus faible possible. Une manière pratique de réaliser le couple densité/diffuseur est d’utiliser une plaque de verre noir d’épaisseur calibrée dépolie sur une face ou avec un film diffusant collé sur une des faces. Cette plaque doit être traitée antireflet sur l’autre face pour limiter la lumière rétroréfléchie. D’autre part, le diffuseur découple optiquement la partie collection constituée par l’optique de Fourier2 et la densité12, et la partie réception constituée par le vidéo-photomètre9. Il en résulte que le système devient très peu sensible à l’alignement de la source avec l’axe optique du système. L’angle d’incidence sur le capteur ne dépend que du système optique du vidéo-photomètre9 et est donc complètement indépendant de la position de la source grâce au découplage réalisé par le diffuseur. L’invention telle que décrite précédemment mesure l’émission angulaire d’une source en champ lointain. L’optique de Fourier 2 collecte l’ensemble des faisceaux de lumière émis dans une direction donnée et les refocalise au même point de la surface de Fourier où se situe le diffuseur. Les rayons de la source sont observés comme provenant de l’infini comme c’est généralement le cas pour ce type de caractérisation. Dans certaines applications particulières comme les sources laser, la caractérisation angulaire a aussi pour but de s’assurer que la source vérifie certaines normes de sécurité comme le standard IEC60825-1 (voir IEC, “IEC 60825-1 – Safety of laser products – Part 1: Equipment classification”, 1.2 édition (2008)). Dans ce cas, pour des longueurs d’ondes entre 400 et 1100nm, l’appareil de mesure doit simuler l’œil humain avec une distance d’observation conseillée de 10cm. L’optique de Fourier classique (2) peut alors être conçue pour observer une surface sphérique virtuelle placée à 10 cm de la source comme le schématise la figure 8. Les données angulaires collectées par le système sur une ouverture angulaire d’au moins 38.5° sont alors moyennées sur un 4° correspondant à l’ouverture angulaire de l’œil à 10cm pour un diamètre de pupille de 7mm. Les valeurs obtenues représentent le maximum de lumière collectable à chaque angle par l’œil humain et ne doivent pas dépasser une certaine radiance pour s’assurer l’innocuité de la source. Bien sûr, l’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l’invention. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l’invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres. Dispositif permettant de mesurer l’émission angulaire d’une source lumineuse de surface finie, caractérisé en ce qu’il comprend, successivement selon son axe optique: un premier objectif, dit de Fourier (2), agencé pour former une surface de Fourier (3) dont chaque point correspond à une direction d’observation de l’objet, une surface diffusante (8) utilisée en transmission et disposée sur la surface de Fourier, un vidéo-photomètre (9) situé en aval de la surface diffusante (8) et agencé pour imager la surface diffusante. Dispositif selon la revendication précédente, comportant une densité optique (12) disposée en amont de la surface diffusante et agencée pour atténuer la lumière rétrodiffusée vers l’optique de Fourier(2) et ladite source, Dispositif selon la revendication1 ou 2, dans lequel chaque point de la surface de Fourier (3) correspond à une direction angulaire d’émission de la source. Dispositif selon la revendication1 ou 2, dans lequel chaque point de la surface de Fourier (3) correspond à l’ensemble des rayons de lumière émis par la source, et convergeant en un point situé à une distance fixe de la source et selon une direction angulaire d’observation. Dispositif selon la revendication l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l’axe optique du vidéo-photomètre (9) est orienté parallèlement à la normale de la source étudiée. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le couple densité - diffuseur (8,12) est formé par une densité optique dépolie sur une face et traitée antireflet sur l’autre face. Dispositif l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le couple densité - diffuseur (8,12) est formé par une densité optique et un film diffusant collé sur une des faces et un traitement antireflet sur l’autre face.