Brevet FR3144728A1 — publié le 20240705

Système optique pour véhicule comportant des moyens d’émission d’un signal lumineux codé à très haute fréquence La présente invention concerne un système optique pour un véhicule, comportant une pluralité de sources de lumière (d) aptes à émettre un signal lumineux codé à haute fréquence vers l’extérieur du véhicule et un dispositif électronique de contrôle des sources de lumière (d), le système optique étant caractérisé en ce que la pluralité de sources de lumière (d) comporte des diodes électroluminescentes de taille inférieure à 300 micromètres. (Figure 2) Système optique pour véhicule comportant des moyens d’émission d’un signal lumineux codé à très haute fréquence La présente invention se rapporte aux domaines de l’automobile et de l’opto-électronique. Elle concerne plus précisément un système optique pour un véhicule. Dans les véhicules récents, on utilise couramment des ensembles de diodes électroluminescentes pour réaliser les dispositifs d’éclairage externes tels que les phares ou les feux de signalisation. Ces ensembles de diodes fournissent une intensité lumineuse suffisante pour assurer les fonctions d’éclairage réglementaires et assurent un rapport puissance sur consommation avantageux. Ces ensembles de diodes permettent de plus de réaliser des signatures lumineuses propres à chaque marque de véhicule et sont pressentis comme futurs moyens de communication des véhicules entre eux ou avec les infrastructures routières, en utilisant une technologie de communication optique telle que VLC (pour l’anglais « Visible Light Communication ») par exemple. En effet la bande passante d’une diode électroluminescente est d’environ 5MHz (MégaHertz) et est donc suffisante pour permettre une communication lumineuse entre véhicules ou entre un véhicule et une infrastructure routière. Cependant, cette bande passante n’est pas adaptée à des applications de type détection d’obstacles. Une telle application est néanmoins réalisée optiquement dans certains véhicules en utilisant une technologie LiDAR (pour l’anglais « Light Detection And Ranging ») à base de capteurs laser infrarouge permettant une analyse du signal réfléchi. Les systèmes LiDAR embarqués sur les véhicules sont néanmoins très coûteux notamment parce qu'ils emploient des sources laser infrarouge dédiées à la fonction de détection qui sont chères et demandes d'être intégrées au véhicule. La présente invention vise à remédier au moins en partie aux inconvénients de la technique antérieure en fournissant un système optique pour véhicule à base de diodes électroluminescentes, permettant de détecter des obstacles, et un véhicule associé. A cette fin, l’invention propose un système optique pour un véhicule, comportant une pluralité de sources de lumière incohérente aptes à émettre un signal lumineux codé à haute fréquence vers l’extérieur du véhicule et un dispositif électronique de contrôle des sources de lumière, le système optique étant caractérisé en ce que la pluralité de sources de lumière comporte des diodes électroluminescentes de taille inférieure à 300 micromètres. Par des diodes électroluminescentes (ou LEDs), on entend des sources de lumière électroluminescentes émettant de la lumière incohérente, telle que connues comme étant bien adaptées à l'emploi pour des dispositifs lumineux de signalisation ou d'éclairage de véhicule automobile, par opposition aux sources laser (y compris de type diodes laser). En effet, les sources laser émettent une lumière temporellement et spatialement cohérente, et ont pour inconvénient de poser des risques pour la sécurité oculaire, La taille de l'élément électroluminescent d’une diode électroluminescente est ici comprise comme la dimension maximale de l'élément électroluminescent de cette diode. Les éléments électroluminescents des diodes électroluminescents classiques d’éclairage dans un véhicule se présentent sous forme de plaques carrées en général de l'ordre du millimètre de côté. Par exemple, une diode électroluminescente classique ayant un élément électroluminescent rectangulaire d’un millimètre de côté dans la longueur et de 0,6mm dans la largeur, sa taille est d’un millimètre. Bien sûr, pour conserver la même puissance d’éclairage, le système optique selon l’invention comportera plus de diodes que dans l’art antérieur, ce qui va à contre-courant d’une volonté de simplification de tels systèmes optiques de véhicules. En diminuant la taille des diodes électroluminescentes par rapport aux diodes utilisées habituellement pour former les dispositifs d’éclairage du véhicule, on diminue la composante capacitive intrinsèque à la diode, cette composante étant proportionnelle au volume et donc à la surface de la diode. La fréquence de coupure d’une diode étant inversement proportionnelle à cette composante, les diodes utilisées dans l’invention ont une fréquence de coupure qui est au moins dix fois la fréquence de coupure des diodes utilisées classiquement dans les véhicules, cette dernière fréquence de coupure étant de 5MHz. De ce fait les signaux émis par ces diodes plus petites présentent moins de distorsion, et permettent d’envisager d’autres applications que l’éclairage et la communication inter-véhicules ou véhicule-infrastructure, ces autres applications pouvant comprendre une application de détection d’obstacle. L’invention permet donc, en remplaçant les diodes d’éclairage d’un véhicule par des diodes plus petites mais plus nombreuses pour conserver une même puissance d’éclairage, d’émettre un signal codé à plus de 5MHz, en utilisant des composants photoniques tels que des diodes électroluminescentes dont la bande passante est élargie par rapport à l’art antérieur. Par ailleurs, ces diodes plus petites étant traversées par un plus petit courant, l’invention permet de diminuer les pertes par effet Joule et d’utiliser des pistes de cuivre plus petites donc moins coûteuses. Selon une caractéristique avantageuse du système optique selon l’invention, la pluralité de sources de lumière comporte des diodes électroluminescentes de taille inférieure à 50 micromètres. Cela permet d’augmenter encore la fréquence de coupure des diodes, jusqu’à environ 2GHz. De préférence dans l’invention, l’ensemble des sources de lumière de la pluralité de sources de lumière est composé de diodes électroluminescentes de taille inférieure à 300 micromètres. Par exemple l’ensemble des sources de lumière de la pluralité de sources de lumière est composé d’un mélange de diodes électroluminescentes de taille inférieure à 300 micromètres et de diodes électroluminescentes de taille inférieure à 50 micromètres. De préférence encore, la pluralité de sources de lumière est apte à réaliser une fonction réglementaire d’éclairage ou de signalisation. Les sources de lumière sont par exemple des diodes électroluminescentes bleues adaptées pour émettre de la lumière blanche. Ainsi les sources de lumière sont aptes à réaliser une fonction d’éclairage telle qu’un feu de route ou de croisement. Les diodes électroluminescentes bleues adaptées pour émettre de la lumière blanche sont par exemple des diodes électroluminescentes à base de nitrure de Galium-Indium (InGaN) sur chacune desquelles est déposée une couche de luminophore jaune, par exemple comportant du phosphore. En variante les sources de lumière sont des diodes électroluminescentes n’émettant que de la lumière bleue, ou un autre type de lumière permettant à un récepteur photonique de discriminer le signal émis par les sources de lumière dans la lumière ambiante. Selon une caractéristique avantageuse du système optique selon l’invention, au moins deux des diodes électroluminescentes sont montées en série. En montant au moins en partie les diodes du système optique en série, moins de courant part à la masse et on augmente donc l’efficacité énergétique du système. Cet agencement ne permet pas d’activer individuellement les diodes mises en série mais économise, par rapport à un système où les diodes sont individuellement activables, des transistors et de la matière. Les diodes électroluminescentes de la pluralité de sources de lumière sont par exemple montées en série par groupes activables individuellement par le dispositif électronique de contrôle. Des miroirs optiques permettent par exemple de diriger optiquement les signaux lumineux émis par chaque groupe afin d’envoyer des signaux lumineux différents vers différents objets. Dans un mode de réalisation de l’invention néanmoins, les directions d’émission des sources de lumière de la pluralité de sources de lumière sont fixes, le système optique comportant une pluralité de récepteurs photoniques aptes à recevoir un signal lumineux codé à haute fréquence dérivant d’un signal lumineux émis par au moins un des sources de lumière et arrivant depuis l’extérieur du véhicule, le système optique comportant des moyens de décodage d’un signal lumineux reçu par la pluralité de récepteurs photoniques et des moyens de détection d’obstacle utilisant les moyens de décodage du signal lumineux reçu. Le signal lumineux dérivant du signal lumineux émis est par exemple le résultat d’une réflexion du signal lumineux émis sur un obstacle. Avantageusement, le système optique selon l’invention comporte des moyens de codage d’un signal lumineux à haute fréquence destiné à être transmis par la pluralité de sources de lumière, à une fréquence comprise entre 5 et 200Mhz. De préférence la fréquence du signal lumineux transmis est comprise entre 30 et 150MHz. Dans un mode de réalisation de l’invention, les moyens de décodage comportent des moyens de seuillage d’une lumière reçue par un des récepteurs photoniques, fournissant un signal lumineux seuillé, et des moyens de corrélation du signal lumineux seuillé avec un signal lumineux envoyé par au moins un des sources de lumière, les moyens de corrélation fournissant un décalage temporel entre le signal lumineux seuillé et le signal lumineux envoyé, et dans lequel les moyens de détection d’obstacle comportent des moyens de conversion du décalage temporel issu des moyens de corrélation en une distance par rapport à un obstacle. Les moyens de seuillage permettent notamment d’éliminer les composantes lumineuses dues à la lumière du soleil. L’invention concerne aussi un véhicule comportant un système optique selon l’invention. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels : représente schématiquement un modèle électrique d’une diode d’un millimètre de diamètre de l’art antérieur, représente schématiquement une association en série de trois diodes plus petites que celle de la , chacune étant représentée électriquement de façon analogue à la représentation de la , cette association en série faisant partie d’un système optique selon l’invention, dans un mode de réalisation de l’invention, et illustre un système optique selon l’invention, dans ce mode de réalisation de l’invention, utilisé pour détecter un obstacle. La représente une diode électroluminescente D d’un millimètre carré de surface émettrice, polarisée positivement par une tension continue de polarisation Vd et traversée par un courant I. La diode D est représentée par : - un émetteur photonique idéal, - une résistance R1 en série de cet émetteur idéal, modélisant la résistance due aux matériaux et aux contacts entre matériaux dans la diode, - une résistance R2 dite de « shunt », en parallèle de l’émetteur idéal et modélisant un courant de fuite au niveau de la jonction de la diode, - une capacité de diffusion C2 en parallèle de l’émetteur idéal, et - une capacité de charge d’espace C1 dont la valeur est proportionnelle à la surface d’émission de la diode D. La représente une alimentation en série de trois diodes d plus petites, par exemple de surface émettrice carrée de 300 micromètres de côté, polarisées chacune avec la tension continue Vd. De manière analogue à la représentation de la diode D, chaque diode d est représentée par : - un émetteur photonique idéal, - une résistance r1 en série de cet émetteur idéal, modélisant la résistance due aux matériaux et aux contacts entre matériaux dans la diode d, - une résistance r2 de « shunt », en parallèle de l’émetteur idéal et modélisant un courant de fuite au niveau de la jonction de la diode, - une capacité de diffusion c2 en parallèle de l’émetteur idéal, et - une capacité de charge d’espace c1 dont la valeur est proportionnelle à la surface d’émission de la diode d. La capacité de charge d’espace c1 étant proportionnelle à la surface émettrice de la diode d, elle vaut environ un dixième de la capacité de charge d’espace C1 de la diode D. De ce fait la fréquence de coupure d’émission d’une diode d est au moins dix fois la fréquence de coupure d’émission de la diode D, c’est-à-dire que la fréquence de coupure d’émission d’une diode d est d’au moins 50MHz. De plus les diodes d étant montées en série, la capacité équivalente de l’ensemble des trois diodes d en série est un tiers de celle d’une des diodes d. Le courant nécessaire pour polariser les trois diodes d en série peut donc être environ le tiers du courant nécessaire pour polariser une seule diode d raccordée à son alimentation. Les diodes d sont donc chacune traversées par un courant i égal à environ un tiers du courant I de la . La puissance électrique totale reçue par les trois diodes d est donc environ 3Vd*I/3 soit la même que la puissance électrique reçue par la diode D de la . La puissance lumineuse émise dans par les trois diodes d est donc sensiblement la même que celle émise par la diode D, en utilisant un courant moindre. Selon un premier mode de réalisation d’invention illustré , un véhicule selon l’invention comporte un système optique 1 selon l’invention, exerçant à la fois des fonctions d’éclairage et de détection d’obstacle. Le système optique 1 comporte des moyens d’émission d’un signal lumineux 5 codé à haute fréquence, ces moyens d’émission comportant une source 2 de signaux électriques en créneaux de tension, une pluralité 4 de diodes électroluminescentes d et un dispositif électronique de contrôle 3 de ces diodes électroluminescentes. Pour envoyer le signal lumineux 5, la source 2 fournit un signal créneau dont la largeur des créneaux est d’environ 10ns (nanosecondes), la fréquence du signal étant de 50MHz. Les diodes électroluminescentes d sont des diodes électroluminescentes bleues adaptées pour émettre de la lumière blanche, et sont de taille inférieure à 300 micromètres. Cette taille de diode correspond à un type de diode communément appelé « mini-LED ». Les diodes électroluminescentes d comportent par exemple une couche de nitrure de Galium-Indium (InGaN) sur laquelle est déposée une couche de phosphore. Ainsi elles sont adaptées pour produire un faisceau d’éclairage de type feu de route ou feu de croisement. Les diodes électroluminescentes d sont par exemple comprises dans une matrice monolithique de substrat. En variante les diodes électroluminescentes d sont de taille inférieure à 50 micromètres (correspondant à un type de diodes communément appelé « micro-LED »), ce qui permet d’avoir une fréquence de coupure d’émission à 2GHz environ. Dans encore une autre variante les moyens d’émission comprennent un mélange de diodes de taille 1 millimètre, de mini-LEDs montées en série et de micro-LEDs montées en série. Les diodes électroluminescentes d sont alimentées en série, par groupes d’au moins deux diodes montées en série, de manière similaire à l’association de diodes illustrée . De préférence chaque groupe de diodes montées en série comprend 3 à 6 diodes. La pluralité 4 de diodes électroluminescentes peut comprendre des blocs de diodes montées en série, agencés en parallèle d’autres blocs identiques, de sorte que le dispositif électronique de contrôle 3 puisse activer ces blocs individuellement. De préférence également la direction d’émission des diodes électroluminescentes d est identique pour chacun de ces blocs au moins, c’est-à-dire que le système optique 1 ne comporte de pas de miroirs ou autres dispositifs optiques destinés à modifier la direction de chacun de ces blocs. Autrement dit, les blocs sont montés fixes par rapport au châssis du véhicule. En effet les diodes d de la pluralité 4 envoient le même signal codé pour des fins de détection d’obstacle, et ne ciblent donc pas un objet communiquant en particulier. Le dispositif électronique de contrôle 3 des diodes d comporte des moyens d’activation des blocs de diodes d montées en série, ces moyens pouvant être des transistors. Il comporte également de préférence un étage amplificateur connecté en entrée à la source 2 de signal et en sortie à un dispositif dit « bias tee » permettant l’injection d’une tension continue au signal amplifié par l’étage amplificateur, ce signal étant une tension créneaux, avant l’application de la somme de cette tension continue et de cette tension créneaux aux bornes de chaque groupe de diodes d montées en série. L’application de la tension continue permet de polariser les diodes d et de permettre par celles-ci l’émission d’un signal lumineux. Les moyens d’émission du système optique 1 permettent d’envoyer le signal lumineux 5 à une fréquence de 50MHz et à une puissance telle que sa réflexion sur un obstacle 6 donne lieu à un signal lumineux réfléchi 7 de puissance lumineuse suffisante pour être capté par des récepteurs photoniques, par exemple des photodiodes 11 et 12 d’une pluralité 10 de photodiodes de moyens de réception du système optique 1. Ces moyens de réception comportent aussi un filtre 8 à lumière bleue permettant de filtrer la lumière du signal lumineux réfléchi 7 de sorte à ne laisser passer que la composante bleue de cette lumière, et une lentille 9 focalisant cette composante vers les photodiodes 11, 12. La lumière bleue émise par les diodes d est en effet d’intensité lumineuse plus importante que l’intensité de la lumière du soleil et son analyse permet donc de plus facilement distinguer le signal lumineux réfléchi 7 de la pollution lumineuse extérieure dans le processus de décodage de ce signal lumineux réfléchi 7. Le signal électrique fourni par les photodiodes 11, 12, du fait de la réception par celles-ci de la composante bleue du signal lumineux réfléchi, est transmis en entrée d’un dispositif électronique de contrôle 13 de la pluralité 10 de photodiodes, ce dispositif électronique de contrôle 13 étant lui-même connecté en sortie à des moyens de décodage 14 du système optique 1. Le dispositif électronique de contrôle 13, faisant partie des moyens de réception du système optique 1, comporte notamment un étage amplificateur connecté en entrée à la sortie de la pluralité 10 de photodiodes et en sortie aux moyens de décodage 14. Le signal lumineux 5 envoyé par les diodes d encode une séquence spécifique de créneaux de largeur l de 10ns (nanosecondes), cette séquence se répétant cycliquement. La séquence de créneaux est définie de sorte à évaluer facilement un décalage temporel entre son émission et sa réception comme expliqué ci-après. Elle présente par exemple trois créneaux qui se suivent, puis après 60ns, un seul créneau, puis après 40 ns, deux créneaux qui se suivent, etc Le signal lumineux 5 émis bute sur l’obstacle 6 et donne lieu au signal lumineux 7 réfléchi. Les photodiodes 11 et 12 captent les composantes bleues du signal lumineux 7 réfléchi et de la lumière ambiante, par exemple la lumière du soleil, et fournissent un signal électrique au dispositif électronique de contrôle 13 qui l’amplifie et le fournit aux moyens de décodage 14. Les moyens de décodage 14 comportent un comptage Nb des photons reçus en fonction du temps t par chacune des photodiodes 11, 12, et des moyens de seuillage 142 de l’intensité du signal lumineux reçu par les photodiodes 11, 12 par rapport à l’intensité lumineuse de la lumière du soleil. Ce seuillage correspond à un écrêtage du signal de comptage Nb en fonction du temps t, au-delà d’un nombre de photons correspondant à l’intensité lumineuse de la composante bleue de la lumière du soleil. En effet la composante bleue émise pas les diodes d étant d’intensité plus importante que la composante bleue de la lumière du soleil, un tel seuillage permet de supprimer dans le signal électrique reçu la composante due à la lumière du soleil. Les moyens de décodage 14 comportent aussi des moyens de corrélation 144 du signal lumineux seuillé avec le signal lumineux 5 envoyé par les diodes d. Bien sûr on appelle ici signal lumineux seuillé en réalité un signal électrique ou numérique correspondant au seuillage du signal lumineux reçu 7. Les moyens de corrélation 144 déterminent un décalage temporel τ entre le signal lumineux seuillé et le signal lumineux 5 envoyé, et transmettent ce décalage temporel τ à des moyens de détection d’obstacle 40 du système optique 1. Les moyens de détection d’obstacle 40 convertissent ce décalage temporel τ en une distance par rapport à un obstacle 6, et permettent donc de détecter cet obstacle. La position de l’obstacle est déterminée par cette distance et par une direction du signal lumineux 7 réfléchi, déterminée par exemple grâce au positionnement des photodiodes 11, 12 dans la pluralité 10 des photodiodes, qui contient par exemple différents blocs de photodiodes orientés différemment. 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. Système optique (1) pour un véhicule, comportant une pluralité (4) de sources de lumière (d) aptes à émettre un signal lumineux (5) codé à haute fréquence vers l’extérieur du véhicule et un dispositif électronique de contrôle (3) des sources de lumière (d), le système optique (1) étant caractérisé en ce que la pluralité (4) de sources de lumière (d) comporte des diodes électroluminescentes comportant chacune un élément électroluminescent de taille inférieure à 300 micromètres. Système optique (1) selon la revendication 1, dans lequel la pluralité (4) de sources de lumière (d) comporte des diodes électroluminescentes comportant chacune un élément électroluminescent de taille inférieure à 50 micromètres. Système optique (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’ensemble des sources de lumière (d) de la pluralité (4) de sources de lumière (d) est composé de diodes électroluminescentes comportant chacune un unique élément électroluminescent de taille inférieure à 300 micromètres. Système optique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel les sources de lumière (d) sont des diodes électroluminescentes bleues adaptées pour émettre de la lumière blanche. Système optique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la pluralité (4) de sources de lumière (d) est apte à réaliser une fonction réglementaire d’éclairage ou de signalisation. Système optique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel au moins deux des diodes électroluminescentes sont montées en série. Système optique (1) selon la revendication 6, dans lequel les diodes électroluminescentes de la pluralité (4) de sources de lumière (d) sont montées en série par groupes activables individuellement par le dispositif électronique de contrôle (3). Système optique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les directions d’émission des sources de lumière (d) de la pluralité (4) de sources de lumière (d) sont fixes, le système optique (1) comportant une pluralité (10) de récepteurs photoniques (11, 12) aptes à recevoir un signal lumineux codé à haute fréquence dérivant d’un signal lumineux (5) émis par au moins un des sources de lumière (d) et arrivant depuis l’extérieur du véhicule, le système optique (1) comportant des moyens de décodage (14) d’un signal lumineux reçu (7) par la pluralité (10) de récepteurs photoniques (11, 12) et des moyens de détection d’obstacle (40) utilisant les moyens de décodage (14) du signal lumineux reçu (7). Système optique (1) selon la revendication 8, comportant des moyens de codage d’un signal lumineux à haute fréquence destiné à être transmis par la pluralité (4) de sources de lumière (d), à une fréquence comprise entre 5 et 200Mhz. Système optique (1) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel les moyens de décodage (14) comportent des moyens de seuillage (142) d’une lumière reçue par un des récepteurs photoniques (11, 12), fournissant un signal lumineux seuillé, et des moyens de corrélation (144) du signal lumineux seuillé avec un signal lumineux (5) envoyé par au moins un des sources de lumière (d), les moyens de corrélation (144) fournissant un décalage temporel (τ) entre le signal lumineux seuillé et le signal lumineux (5) envoyé, et dans lequel les moyens de détection d’obstacle (40) comportent des moyens de conversion du décalage temporel (τ) issu des moyens de corrélation (144) en une distance par rapport à un obstacle (6). Véhicule comportant un système optique (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.