Brevet FR3153716A1 — publié le 20250404

Système et procédé de détection d’une tache lumineuse Procédé de détection d’une tache lumineuse (T) formée par une impulsion laser délivrée par une source laser (10) sur une surface cible (S), la surface cible étant située dans un environnement délivrant un flux lumineux sensiblement statique, ce procédé comportant : - l’observation de la surface par au moins un capteur (30) à pixels opérant en mode photovoltaïque, - la synchronisation de la fin de l’exposition, à un retard près, avec l’impulsion laser, conduisant à une réponse du capteur sensiblement linéaire à l’impulsion et logarithmique vis-à-vis du flux lumineux sensiblement statique. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Système et procédé de détection d’une tache lumineuse La présente invention concerne la détection d’une tache lumineuse au sein d’un environnement générant un flux lumineux statique relativement grand devant celui dû à ladite tache. De nombreuses applications nécessitent de pouvoir visualiser à l’aide d’un capteur optique une tache lumineuse produite par une impulsion laser impactant une surface. Les capteurs optiques CMOS du type CTIA (Capacitive Trans-Inductance Amplifier) notamment comportent une photodiode polarisée en inverse et utilisée en mode photoconducteur. La société déposante a développé des capteurs optiques dont les pixels comportent une photodiode polarisée en direct et utilisée en mode photovoltaïque. Des exemples de tels capteurs sont décrits dans les demandes WO2002059974A1, WO2009027449A1 et WO2010103464A1. L’avantage de ces capteurs est de pouvoir présenter de manière intrinsèque une réponse logarithmique et de ne pas saturer devant un fort flux lumineux statique provenant de la scène observée. Dans le noir ou dans un environnement sombre il est facile de visualiser la tache produite par une impulsion laser de courte durée sur une scène ; toutefois, dans un environnement lumineux relativement important, par exemple de jour, c’est l’inverse. En effet, le flux photonique correspondant au retour laser sur l’image est relativement faible par rapport à celui provenant de l’ensemble de la scène. De ce fait, la plupart des solutions visant à la détection d’une tache laser intègrent une fonction de détection de l’impulsion laser au sein des pixels, mais cela présente notamment l’inconvénient de produire un résultat binaire et de ne pas procurer une image fidèle de la tache lumineuse dans son environnement. Il existe par conséquent un besoin pour bénéficier d’une solution technique permettant de visualiser de manière plus fidèle et directe d’une tache lumineuse correspondant à une impulsion laser au sein d’une scène, même lorsque le flux lumineux statique provenant de la scène est relativement important, comme en plein jour. L’invention répond à ce besoin en proposant un procédé de détection d’une tache lumineuse formée par une impulsion laser sur une surface cible, délivrée par une source laser, la surface cible étant située dans un environnement délivrant un flux lumineux sensiblement statique, ce procédé comportant - l’observation de la surface par au moins un capteur à pixels opérant en mode photovoltaïque, - la synchronisation de la fin de l’exposition, à un retard près, avec l’impulsion laser. Cette synchronisation peut conduire à une réponse du capteur sensiblement linéaire à l’impulsion et logarithmique vis-à-vis du flux lumineux sensiblement statique. Grâce à l’invention, le rapport signal/bruit de la tache laser par rapport au fond lumineux est amélioré, ce qui permet une meilleure visualisation de la tache y compris dans un environnement lumineux. Par « sensiblement statique » il faut comprendre que l’intensité lumineuse ne varie pas ou varie peu (par exemple moins de +/- 10%) sur une durée t exp qui est grande comparativement à la durée d de l’impulsion laser, avec typiquement t exp /d>10, mieux 10 2 , encore mieux 10 3 . Le flux lumineux sensiblement statique correspondant par exemple à l’éclairement de la surface cible par la lumière du jour ou une quelconque source continue. Par « réponse sensiblement linéaire » il faut comprendre une réponse en signal proportionnelle au flux d’entrée avec un écart maximum à la linéarité inférieur à 20%. Par « à un retard près » il faut comprendre que la fin de l’exposition est décalée temporellement de la fin de l’impulsion d’une grandeur prédéfinie, de préférence inférieure ou égale à 1ms, idéalement 100µs. La fin de l’exposition correspond au début du processus de lecture des pixels pour la production d’une image. Dans un exemple de mise en œuvre de l’invention, le procédé comporte la détection de l’impulsion à l’aide d’un photodétecteur recevant la lumière du laser. Un exemple de réalisation d’un tel photodétecteur est une mono-diode filtrée sur la longueur d’onde du laser. Il n’est ainsi pas nécessaire d’établir une transmission d’information entre la source laser et le circuit. Ce photodétecteur peut partager ou non des composants optiques avec le capteur, par exemple des lentilles ou groupes de lentilles permettant de focaliser l’image de la scène sur le capteur. La focalisation nette sur le photodétecteur n’est pas nécessaire, il suffit que le champ observé soit sensiblement le même. Dans une variante de mise en œuvre du procédé, celui-ci comporte la transmission par le laser d’un signal de synchronisation au capteur. Ce signal est par exemple transmis au capteur par la source laser, ou par un synchroniseur maître commun, par exemple par une liaison filaire ou non filaire. Cela peut permettre de s’affranchir du photodétecteur précité. Ce signal peut marquer le début de l’impulsion ou sa fin ; dans le cas où il marque le début de l’impulsion, la connaissance de la durée de l’impulsion permet de déterminer le moment où la fin de l’exposition doit avoir lieu pour arriver après la fin de l’impulsion. La durée de l’impulsion laser est par exemple inférieure ou égale à 100ns, mieux comprise entre 10 et 30ns. La fin de l’exposition peut avoir lieu avec un retard inférieur ou égal à 2 millisecondes après la fin de l’impulsion, mieux à 1 microseconde. Ce retard peut être uniquement induit par le temps de réaction de l’électronique de lecture. La durée d’exposition en l’absence d’impulsion laser peut être comprise entre 1 et 30ms. Cette durée peut être choisie en fonction par exemple de l’ouverture de l’optique, ou si la scène observée est fortement réfléchissante. Un des avantages de l’invention est que la durée influe relativement peu sur la performance. De préférence, les impulsions sont répétées, notamment à une fréquence supérieure ou égale à 10 Hz et de préférence inférieure ou égale à 20 Hz. On peut alors effectuer l’acquisition des images avec le capteur à une fréquence suffisante pour faire l’acquisition d’au moins une image entre deux impulsions laser, par exemple à une fréquence supérieure ou égale à 50 Hz. Cette image sans la tache peut être soustraite de celle avec la tache de manière à générer une image de la tache seule, ou tout simplement pour voir clignoter la tâche afin de mieux l’observer. Le procédé peut trouver diverses applications, parmi lesquelles, de façon non exhaustive, on peut citer l’alignement entre un émetteur et un récepteur en champ libre, l’alignement d’un émetteur avec une cible quelconque, l’analyse de la distribution d’énergie ou d’un front d’onde d’un rayonnement laser, ou le positionnement d’un rayon laser sur une surface sur laquelle doit être réalisée une soudure avec le laser. On peut encore utiliser l’image de la tache lumineuse sur une scène, fournie avec le procédé selon l’invention pour effectuer un guidage, par exemple d’un outil ou d’un objet, tel qu’un colis, vers un objectif désigné par cette tache, par exemple en vue du largage d’un colis par un drone. L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un système de détection d’une tache lumineuse formée par une impulsion laser d’une source laser sur une scène délivrant un flux lumineux sensiblement statique, notamment pour la mise en œuvre du procédé précité, ce système comportant : - au moins un capteur à pixels opérant en mode photovoltaïque, - un circuit de synchronisation de la fin de l’exposition du capteur, à un retard près, avec l’impulsion laser, conduisant à une réponse du capteur sensiblement linéaire à l’impulsion et logarithmique vis-à-vis du flux statique de la scène. Le système peut comporter un photodétecteur apte à recevoir la lumière du laser, le circuit de synchronisation déclenchant, audit retard près, la fin de l’exposition en cas de détection par le photodétecteur de l’impulsion laser. En variante, le système comporte une entrée permettant la réception par le circuit de synchronisation d’un signal de synchronisation renseignant sur l’émission de l’impulsion par l’illuminateur. Le circuit de synchronisation peut être agencé de telle sorte que la fin de l’exposition a lieu avec un retard inférieur ou égal à 2 millisecondes après la fin de l’impulsion, mieux à 1 microseconde. La durée d’exposition en l’absence d’impulsion laser peut être comprise entre 1 et 30ms. L’invention a encore pour objet un ensemble comportant la source laser et le système de détection selon l’invention. L’illuminateur peut notamment être configuré pour émettre les impulsions de manière répétée, notamment à une fréquence supérieure ou égale à 10 Hz et de préférence inférieure ou égale à 20 Hz. Le capteur peut être agencé pour effectuer l’acquisition des images à une fréquence supérieure à celle avec laquelle les impulsions sont émises. Cela permet d’acquérir des images sans la tache liée à l’impulsion, qui peuvent servir d’images de référence pour être soustraites de l’image de la scène avec la tache, et permettre la visualisation de la tache seule, ou d’afficher un clignotement de la tâche pour mieux la visualiser. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel : FIG. 1 représente de manière schématique un exemple d’ensemble selon l’invention, FIG. 2 est une vue analogue à la FIG. 1 d’une variante d’ensemble, FIG. 3 représente de manière schématique un exemple d’architecture de pixel d’un capteur selon l’invention, FIG. 4 illustre, par analogie avec le remplissage d’un réservoir, le comportement d’un pixel à réponse logarithmique face à un flux de lumière incident, [Fig 5] illustre la réponse du pixel en fonction de la durée d’exposition, FIG. 6 est une vue analogue à la FIG. 4 illustrant l’effet d’une impulsion lumineuse, FIG. 7 représente la réponse du pixel à l’impulsion lumineuse, [Fig 8] illustre la réduction de la durée d’exposition après détection de la fin de l’impulsion, FIG. 9 représente la décroissance du signal du pixel après la fin de l’impulsion, FIG. 10 illustre le signal vu par les pixels en présence et en l’absence de l’illumination laser, et FIG. 11 représente l’image de la tache après soustraction du signal correspondant au flux statique de la scène. Description détaillée On a illustré à la FIG. 1 un exemple d’ensemble 1 selon l’invention, comportant une source laser 10 et un système de détection 20 permettant d’imager une scène S sur laquelle la tache T projetée par la source laser 10 est présente. Le système de détection 20 comporte un capteur optique 30 qui comporte des pixels à réponse logarithmique, par exemple tels que celui représenté schématiquement et partiellement sur la FIG. 3 . Source laser La source laser 10 peut émettre dans toute plage de longueur d’onde compatible avec sa visualisation par le système de détection, par exemple dans le domaine visible ou non, notamment dans l’infrarouge, en particulier dans la bande SWIR allant de 900 nm à 2500 nm. La source émet des impulsions laser dont la durée est de préférence inférieure ou égale à 30ns, mieux comprise entre 1 et 30ns, notamment entre 10 et 20 ns. La source peut comporter tout type de laser, par exemple à solide ou à gaz. Dans l’exemple de la FIG. 1 , la source laser transmet un signal de synchronisation au système de détection 20 par une liaison 40, qui est par exemple filaire. Ce signal permet d’informer le système de détection 20 du moment où l’impulsion commence à être émise ou finit d’être émise. Dans la variante de la FIG. 2 , la liaison 40 n’existe pas, et le système de détection 20 comporte des moyens additionnels 50 permettant de détecter la tache lumineuse de l’impulsion laser indépendamment du capteur optique 30. Ces moyens 50 comportent par exemple un photodétecteur tel qu’une photodiode, sensible à la lumière du laser et de préférence muni d’un filtre passe-bande centré sur la longueur d’onde du laser et rejetant les autres longueurs d’onde. Ce photodétecteur envoie son signal de sortie à une entrée 22 d’un circuit de synchronisation 21 du système de détection 20, qui pilote l’instant de lecture des pixels du capteur 30. En se reportant à la FIG. 3 , on voit que chaque pixel du capteur 30 opère en mode photovoltaïque, avec une jonction de photodiode 31 polarisée en direct, un transistor 32 de court-circuit qui est rendu passant avant chaque mesure, et un amplificateur 33 de lecture. Le capteur comporte également des transistors de sélection de pixel 34 et d’autres 35 et 36 permettant d’effectuer avec un amplificateur différentiel 37 une lecture différentielle en l’absence de signal (i.e. le pixel est totalement dans le noir) et en présence du signal. Les capacités de stockage ne sont pas représentées sur cette figure, l’architecture d’un pixel de ce type étant connue, notamment des demandes mentionnées dans l’introduction de la demande. Cette architecture de pixel a pour intérêt de ne pas saturer devant un fort flux en comprimant le flux « statique » provenant de la scène. En revanche, cette structure présente l’intérêt de répondre linéairement à une réponse impulsionnelle, avant de voir la réponse revenir progressivement à la réponse compressée du flux statique. Conformément à l’invention, l’instant de retour du laser est connu, soit par le fait que le système de détection est synchronisé avec la source laser comme sur la FIG. 1 , soit parce qu’un détecteur additionnel 50 est utilisé comme sur la FIG. 2 . L’intérêt du capteur logarithmique est alors exploité pour que la fin de la période d’exposition coïncide, avec un retard prédéfini, par exemple de l’ordre de 1µs, avec la fin de l’impulsion sur l’image. Ainsi, avec un temps d’exposition plus long, par exemple de l’ordre de 5 à 20ms, le signal de la scène est comprimé, mais le signal du laser ne l’est pas, ce qui permet d’avoir un rapport signal à bruit de la tâche laser par rapport au fond qui est relativement élevé, comme on va l’expliquer ci-après. L’accumulation de charges liées à la lumière incidente au sein d’un pixel du capteur est d’une certaine manière analogue au remplissage d’un réservoir avec de l’eau, comme illustré sur la FIG. 4 . Pour avoir l’analogie avec un pixel dont la réponse logarithmique repose sur l’utilisation d’une photodiode en mode photovoltaïque, c’est-à-dire que l’accumulation des charges évolue de façon logarithmique passé un seuil donné, on peut considérer que le réservoir dispose d’une ouverture latérale d’évacuation de trop plein, créant une fuite à une hauteur assez basse, correspondant audit seuil. Le robinet correspond sur la FIG. 4 au flux de photons, qui est considéré comme étant constant pour une durée d’exposition donnée. Le niveau d’eau atteint une certaine hauteur h dans le réservoir, qui dépend du débit d’eau s’écoulant du robinet. Ce niveau ne change plus après un certain temps, comme illustré sur la [Fig 5], en raison de la présence du trop plein. L’effet de l’impulsion laser peut être vu comme le déversement d’un seau d’eau dans le réservoir, comme illustré à la FIG. 6 . Ce déversement entraîne une augmentation momentanée du niveau dans le réservoir, avant que l’eau ne s’écoule par l’ouverture latérale pour revenir au niveau précédent le déversement du seau, comme illustré sur la FIG. 7 . Plus l’environnement lumineux est élevé, plus le flux de photons est grand, et par analogie plus la quantité apportée par le seau est faible comparativement à celle apportée par le robinet pendant la période de mesure (correspondant par analogie à la durée d’exposition). Avec un capteur à pixel conventionnel du type CTIA, le réservoir ne dispose pas du trop plein et l’on mesure la quantité totale d’eau à la fin de la période de mesure. Si le robinet est de débit élevé, le volume du sceau reste faible par rapport à la quantité totale d’eau accumulée. Autrement dit, les charges liées à l’impulsion laser sont faibles par rapport à la quantité de charges totale accumulée. De plus, il n’est pas possible d’attendre trop longtemps l’arrivée de l’impulsion, car le réservoir continue à se remplir, en l’absence d’ouverture d’évacuation latérale. Avec un capteur logarithmique dont le pixel opère en mode cellule photovoltaïque, on mesure la tension à la fin de la période d’exposition, soit par analogie le niveau dans le réservoir, pas la quantité totale d’eau accumulée. Dans un pixel ce type, les charges sont vidées au début de l’exposition, en actionnant le transistor de court-circuit, puis à la fin de l’exposition, on mesure la tension, soit par analogie le réservoir est vide au début de l’exposition, et à la fin de l’exposition, on mesure la hauteur dans le réservoir. Les pixels à réponse logarithmique peuvent être exposés à la scène à observer longtemps en avance, puisqu’ils ne craignent pas la saturation. Ainsi, dans un pixel logarithmique, le moment de la fin de l’exposition ne fait pas de différence en présence d’un flux constant de photons, mais en cas d’apport momentané, le niveau croit avant de revenir au niveau d’équilibre. On exploite cette croissance momentanée pour effectuer la mesure. On voit sur la FIG. 7 que si l’exposition se poursuit trop longtemps après la fin de l’impulsion, le pixel a le temps de retourner à son niveau d’équilibre. Conformément à l’invention, on effectue la lecture du pixel, i.e. on met fin à l’exposition, suffisamment tôt après la fin de l’impulsion pour que le pixel n’ait pas eu le temps de retourner à son état d’équilibre, comme illustré sur la [Fig 8]. Dans ce cas, la tension lue inclut bien l’accroissement lié à l’impulsion, et l’on améliore le rapport signal sur bruit. Comme illustré sur la FIG. 9 , pour un exemple typique de pixel à réponse logarithmique, la décroissance est significative à compter de 100µs. La lecture du pixel s’effectuera donc, de préférence, avec un retard de moins de 100µs après la fin de l’impulsion. Le début de la période d’exposition peut avoir lieu bien avant l’arrivée de l’impulsion laser, sans crainte de manquer celle-ci. Peu importe le début de la durée d’exposition, le pixel n’est pas saturé. Ceci n’est pas possible avec un pixel standard du type CTIA, qui est complètement saturé si la durée d’exposition devient trop longue. Un autre aspect intéressant du comportement du pixel à réponse logarithmique, est que la réponse face à une impulsion n’est pas symétrique, c’est-à-dire que la croissance est très rapide tandis que la décroissance s’effectue plus lentement. Cela entraîne que le pixel va généralement avoir une augmentation complète de son signal de sortie presqu’instantanément à l’arrivée de l’impulsion, et aura une décroissance suffisamment lente pour permettre la mesure. L’invention permet de visualiser la tache liée à l’impulsion laser et la scène ayant reçue l’impulsion sur la même image, et l’image de la tache n’est pas une représentation binaire de celle-ci mais une image comportant l’information sur l’intensité lumineuse en chaque pixel de la tache, liée notamment à la distribution de l’énergie lumineuse au sein du faisceau laser. L’invention peut permettre également d’éviter les problèmes d’efficacité de remise à zéro des photodiodes rencontrés avec les capteurs de type CTIA dans certaines situations. La vitesse de décroissance sur la FIG. 9 peut être ajustée en jouant sur le biais de la photodiode, qui permet d’optimiser le taux de décroissance et d’améliorer la réponse. La vitesse de décroissance pourra être ajustée en fonction du temps de réponse à l’impulsion nécessaire . Dans une variante, on effectue l’acquisition d’images de la scène sans la tache et d’images avec celle-ci, en illuminant la scène à une fréquence inférieure à celle à laquelle l’acquisition des images a lieu. Par exemple, la fréquence des impulsions laser est comprise entre 10 et 20Hz, et l’acquisition s’effectue à une fréquence supérieure ou égale à 50 Hz. En comparant les images prises avec la tache et celles prise sans la tache, on peut améliorer la perception de cette dernière. On peut également faire « clignoter » la tâche pour mieux la visualiser pour un opérateur. On a représenté sur la FIG. 10 un exemple de réponse d’un capteur selon l’invention à une scène éclairée avec un illuminateur laser en plein jour. La FIG. 11 illustre la soustraction au signal global du signal correspondant au flux lumineux constant de la scène ; on voit l’image de tache, et notamment la distribution spatiale de l’intensité lumineuse de la tache, avec une intensité plus forte au centre de celle-ci. Procédé de détection d’une tache lumineuse (T) formée par une impulsion laser délivrée par une source laser (10) sur une surface cible (S), la surface cible étant située dans un environnement délivrant un flux lumineux sensiblement statique, ce procédé comportant : - l’observation de la surface par au moins un capteur (30) à pixels opérant en mode photovoltaïque, - la synchronisation de la fin de l’exposition, à un retard près, avec l’impulsion laser, conduisant à une réponse du capteur sensiblement linéaire à l’impulsion et logarithmique vis-à-vis du flux lumineux sensiblement statique. Procédé selon la revendication 1, comportant la détection de l’impulsion à l’aide d’un photodétecteur (50) recevant la lumière du laser (10). Procédé selon la revendication 1, comportant la transmission d’un signal de synchronisation au capteur, notamment un signal provenant de la source laser. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la durée de l’impulsion laser étant inférieure ou égale à 30ns, mieux comprise entre 10 et 30ns. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la fin de l’exposition ayant lieu avec un retard inférieur ou égal à 2 millisecondes après la fin de l’impulsion, mieux à 1 microseconde. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la durée d’exposition en l’absence d’impulsion laser étant comprise entre 1 et 30ms. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’impulsion étant répétée, notamment à une fréquence supérieure ou égale à 10 Hz et de préférence inférieure ou égale à 20 Hz. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel on effectue l’acquisition d’images avec le capteur à une fréquence suffisante pour faire l’acquisition d’au moins une image entre deux impulsions laser. Système de détection d’une tache lumineuse formée par une impulsion laser d’une source laser (10) sur une scène délivrant un flux lumineux sensiblement statique, comportant - au moins un capteur (30) à pixels opérant en mode photovoltaïque, - un circuit de synchronisation (21) de la fin de l’exposition du capteur, à un retard près, avec l’impulsion laser, conduisant à une réponse du capteur sensiblement linéaire à l’impulsion et logarithmique vis-à-vis du flux statique de la scène. Système selon la revendication 9, comportant un photodétecteur (50) apte à recevoir la lumière du laser, le circuit de synchronisation (21) déclenchant, audit retard près, la fin de l’exposition en cas de détection par le photodétecteur (50) de l’impulsion laser. Système selon la revendication 9, comportant une entrée (22) permettant la réception par le circuit de synchronisation d’un signal de synchronisation renseignant sur l’émission de l’impulsion par la source. Système selon l’une quelconque des revendications 9 à 11, le circuit de synchronisation étant agencé de telle sorte que la fin de l’exposition a lieu avec un retard inférieur ou égal à 2 millisecondes après la fin de l’impulsion, mieux à 1 microseconde. Système selon l’une quelconque des revendications 9 à 12, la durée d’exposition en l’absence d’impulsion laser étant comprise entre 1 et 30ms. Ensemble (1) comportant une source laser (10) et le système de détection (20) selon l’une quelconque des revendications 9 à 13. Ensemble selon la revendication 14, la source laser (10) étant configurée pour émettre une impulsion de manière répétée, notamment à une fréquence supérieure ou égale à 10 Hz et de préférence inférieure ou égale à 20 Hz. Ensemble selon la revendication précédente, le capteur (30) étant agencé pour effectuer l’acquisition d’images à une fréquence supérieure à celle avec laquelle les impulsions sont émises. Ensemble selon l’une quelconque des revendications 14 à 16, la durée de l’impulsion laser étant inférieure ou égale à 100ns, mieux comprise entre 10 et 30ns.