FR2857756A1

FR2857756A1 - Dispositif d'imagerie et/ou de mesure a distance, de type ladar

Info

Publication number: FR2857756A1
Application number: FR9914350A
Authority: FR
Inventors: Yves Fazileau; Jean Pierre Cariou
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1999-11-16
Filing date: 1999-11-16
Publication date: 2005-01-21
Anticipated expiration: 2019-11-16
Also published as: FR2857756B1

Abstract

Dispositif d'imagerie et/ou de mesure à distance de type ladar comportant des moyens aptes à émettre un faisceau optique d'investigation et des moyens pour détecter l'énergie optique rétrodiffusée par une cible illuminée par ledit faisceau, caractérisé en ce que lesdits moyens comportent au moins un composant laser du type à cavité émettant par la surface (1) et des moyens de commande (4, 5) aptes à polariser ledit composant d'une part en mode photo-émetteur, puis d'autre part en mode photo-récepteur, pour permettre audit composant de détecter par ladite surface l'énergie optique rétrodiffusée par une cible illuminée par le faisceau qu'il émet.

Description

DISPOSITIF D'IMAGERIE ET/OU DE MESURE A DISTANCE, DE
TYPE LADAR
La présente invention est relative aux dispositifs d'imagerie et/ou de mesure à distance de type ladar.

DOMAINE GENERAL DE L'INVENTION ET ETAT DE LA TECHNIQUE
On utilise classiquement, notamment pour la mesure de distance, de vitesse ou de réflectivité de cibles, des dispositifs actifs à source(s) laser.

Ceux-ci sont généralement appelés "ladars" par l'homme du métier.

Un tel dispositif émet, vers un point visé, un faisceau laser d'investigation dont on connaît parfaitement la fréquence, l'énergie, la durée et la direction d'émission. Il détecte l'énergie qui lui est renvoyée et qui est diffusée par le point visé. L'analyse du retard, du décalage fréquentiel, de la dépolarisation ou du niveau du signal permet de déterminer la distance, la vitesse ou la réflectivité recherchées.

Les ladars connus à ce jour restent toutefois d'une structure complexe.

Notamment, la structure optique comprend des moyens pour permettre à un faisceau rétrodiffusé dans la direction d'un faisceau initialement émis d'être renvoyé sur une voie optique de détection qui est distincte de la voie optique d'émission.

En outre, les contraintes de volume, de consommation, de complexité de commande et de traitement imposent l'emploi d'une source unique et rendent nécessaire, si l'on souhaite disposer d'une information sur l'ensemble d'une scène, l'utilisation de moyens de déflexion permettant de réaliser un balayage angulaire. De tels moyens de déflexion sont le plus souvent optomécaniques (miroir galvanométrique, prisme tournant, diasporamètre), mais peuvent également être de type tout optique (déflecteur acousto-optique). Ils rendent plus complexe la structure du ladar, posent des problèmes d'encombrement et posent également - en particulier lorsque la cadence image est élevée ou que le champ de vue est important

- des problèmes en terme de fiabilité, du fait notamment de l'utilisation de pièces mobiles sollicitées selon des déplacements rapides. De plus, ils imposent à la source laser une cadence d'impulsion élevée, égale à la fréquence image multipliée par le nombre de points. En pratique, la cadence image de ce type de dispositifs est limitée à quelques Hz par la cadence de la source et l'inertie des miroirs de déflexion. '
Par ailleurs, on connaît depuis plusieurs années des composants laser à semi-conducteurs du type à cavité émettant par la surface (VCSEL ou "Vertical Cavity Surface Emitting Laser" selon la terminologie anglosaxonne couramment utilisée). -
On pourra par exemple à cet égard avantageusement se référer aux publications suivantes : [1] "GalnAsP/lnP surface emitting injection lasers" I H. Soda ; K. iga, C. Kitahara et Y. Suematsu Japanese J. Appl. Phys., 18, n' 12, Pp. 2329- 2330, 1979.

[2] "Surface-emitting laser diode with vertical GaAs/GaAIAs quarter-wavelength multilayer and lateral buried heterostructure" M. Ogura, W. Hsin, M-C Wu, S. Wang, J. R. Whinnery, S. C. Wang, et J. J. Yang - Appl.

Phys. Lett.51, n" 21, pp. 16,5,5-1657,1987.

[3] "Room Température Pulsed Oscillation of AIGaAs/GaAs Surface Emitting Jonction Laser " - F-Iga, S. Ishikawa, S. Ohkouchi, T. Nishimura IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-21 n' 6, Juin 1985, p. 663
A ce jour, ce type de composants a surtout été utilisé pour les applications de télécommunications par fibre optique.

Il a été proposé récemment d'utiliser ce type de composant aux deux extrémités d'une ligne de transmission, pour réaliser d'un côté la fonction émission et de l'autre la fonction détection.

On pourra à cet égard avantageusement se référer à la publication suivante : [4] "Photodetection with VCSELs - B. Rosinski, J. Chi, Y. Boucher, J. Le Bihan IEE SIOE Conférence, Cardiff (April 1996).

PRESENTATION DE L'INVENTION
Un but de l'invention est de proposer un dispositif de détection et/ou de mesure de distance applicable à l'imagerie qui ne présente pas les inconvénients des dispositifs à ladars habituellement connus.

Elle propose à cet effet un dispositif de détection ét/ou de mesure à distance de type ladar comportant des moyens aptes à émettre un faisceau optique d'investigation et des moyens pour détecter l'énergie optique rétrodiffusée par une cible ou une scène illuminée par ledit faisceau (on notera que dans le présent texte, les mots cibles ou scène sont employés indifféremment), caractérisé en ce que lesdits moyens comportent au moins un composant laser du type à cavité émettant par la surface et des moyens de commande aptes à polariser ledit composant d'une part en mode photo- émetteur, puis d'autre part en mode photo-récepteur, pour permettre audit composant de détection par ladite surface l'énergie optique rétrodiffusée par une cible illuminée le faisceau qu'il émet.

Un tel dispositif présente de nombreux avantages.

Son architecture optique est particulièrement simple et compacte.

Elle est plus robuste dans des environnements perturbés (vibrations, fortes accélérations).

Notamment, la co-localisation de l'émetteur et du récepteur y assure un alignement optique parfait et indéréglable.

En outre, la sensibilité de réception y est optimale car la longueur d'onde de sensibilité maximale correspond à la longueur d'onde d'émission.

Avantageusement, les moyens de commande polarisent ledit composant alternativement dans un mode ou dans un autre, par exemple de façon cyclique.

Selon une caractéristique particulièrement préférée de l'invention, le dispositif comporte une pluralité de composants laser du type à cavité émettant par la surface, les moyens de commande étant aptes à polariser chacun de ces composants en mode photo-émetteur, puis en mode photorécepteur.

On dispose ainsi d'un dispositif particulièrement compact et de puissance globale supérieure à celle d'un émetteur unique, apte à éclairer en point à point une cible à observer et à en former une image rétrodiffusée en évitant tout système de balayage complexe.

En outre, la diaphonie entre voies est minimisée par l'auto conjugaison, associée aux propriétés de filtrage angulaire et spectral des composants laser du type à cavité émettant par la surface.

Avantageusement également, les moyens de commande sont aptes à polariser les différents composants indépendamment les uns des autres.

Ainsi, chacun des composants peut être exploité indépendamment.

Par ailleurs, le très faible volume des émetteurs autorise un montage bidimensionnel de faible pas, de structure compacte. L'architecture optique est alors particulièrement simplifiée, la disposition des différents composants dans un même plan permettant d'éviter toute distorsion d'image.

Ainsi, les composants sont avantageusement portés par un même substrat, leurs surfaces d'émission-réception étant réparties selon une matrice plane.

Ils sont combinés à un objectif qui conjugue optiquement le plan de ladite matrice avec un plan de la cible.

On notera qu'un dispositif du type de celui proposé par l'invention présente en outre l'avantage de permettre des hautes cadences d'images (celles des impulsions d'un composant VCSEL élémentaire), sans limitation mécanique.

Cette cadence est par exemple de l'ordre du MHz.

PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif ladar conforme à un mode de réalisation possible de l'invention ;

- la figure 2 illustre le multiplexage spatial obtenu sur la scène observée avec un dispositif du type de celui de la figure 1 ; - la figure 3 est un chronogramme constitué de trois graphes sur lesquels on a respectivement porté en fonction du temps l'évolution de la tension de polarisation, l'évolution de la puissance émise et l'évolution de la puissance reçue ; - la figure 4 est un graphe sur lequel on a porté l'allure de la courbe de la puissance en fonction du courant pour un composant VCSEL ; - la figure 5 est un schéma synoptique d'un circuit de commande possible pour le dispositif ladar de la-figure 1.

DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION POSSIBLE
Le dispositif ladar qui est représenté sur la figure 1 comporte une matrice 1 de composants, du type cellule VCSELs, une optique d'imagerie 2, ainsi qu'une électronique de gestion 3.

Les cellules VCSELs de la matrice 1 sont des cellules indépendantes les unes par rapport aux autres, portées par un substrat commun. Elles sont réparties dans un même plan, ou selon une ligne ou une colonne, auquel leurs axes optiques sont orthogonaux.

Plus précisément, les axes optiques des cellules sont orthogonaux au substrat, leurs couches actives et les électrodes étant parallèles au substrat et orthogonales à l'axe optique. Cette disposition permet la conception de matrices de cellules avec une forte densité d'intégration (quelques dizaines de microns entre éléments).

On notera que le terme de matrice est ici employé de façon générale. Il désigne tout ensemble de cellules réparties selon n lignes et m colonnes, ou n et m sont des nombres entiers supérieurs ou égaux à 1. Il peut également désigner d'autres répartitions que des répartitions en lignes et en colonnes.

Comme représenté sur la figure 2, l'optique d'imagerie 2 est un objectif qui est placé devant la matrice 1. Sa fonction est de conjuguer

optiquement ladite matrice 1 sur le plan de la scène à observer. Ainsi, pour une mise au point déterminée, chaque élément de la matrice a pour image un point unique de la scène et inversement.

L'électronique 3 comporte plusieurs unités spécifiques 4 dédiée chacune à la commande d'une cellule VCSEL, qu'elle commute alternativement en mode émetteur (source laser) et récepteur (photodétecteur). Elle comporte également une unité 5 qui permet de traiter en temps réel et en parallèle les photocourants en sortie des cellules VCESLs, afin d'en extraire les paramètres de distance et de réflectivité de l'objet ayant intercepté le faisceau. -
En fonctionnement nominal, les cellules émettent individuellement et de façon synchrone, une impulsion optique brève destinée à illuminer la scène observée.

Chaque cellule VCSEL de la matrice 1 est à cet effet polarisée positivement pendant la durée de l'impulsion. L'impulsion optique qui est générée par cette polarisation est émise orthogonalement à la surface de la cellule, selon un lobe angulaire caractéristique du composant.

Une impulsion optique émise par une cellule traverse ensuite l'objectif que constitue l'optique 2 et est focalisée sur le point conjugué de la scène visée. L'optique 2 crée ainsi l'image de la matrice 1 sur la scène, chaque point de la matrice 1 correspond à un point unique de celle-ci.

Au même moment, c'est à dire immédiatement après la génération de l'impulsion optique, la polarisation des cellules VCSELs est inversée, de façon à configurer lesdites cellules en mode photodétecteur. Cette configuration en mode photodétecteur intervient simultanément pour les différentes cellules. La matrice 1 constitue alors un plan focal photosensible, à la manière d'un capteur conventionnel de caméra. Elle est apte à détecter les signaux rétrodiffusés par la cible.

Un point de la scène éclairé par une cellule VCSEL diffuse la lumière reçue dans le demi-espace, avec un retard proportionnel à son éloignement du capteur. L'intensité et la largeur du lobe dépendent des caractéristiques optiques du matériau visé (clair ou sombre, brillant ou mat).

Une partie du flux ainsi diffusé est collectée par l'objectif, proportionnellement à sa surface. Le flux ainsi collecté est focalisé sur la cellule VCSEL qui a émis l'impulsion optique qui a illuminé ledit point de la scène (principe du retour inverse de la lumière). Il est détecté par ladite cellule fonctionnant en mode photodétecteur.

L'information temporelle et photométrique contenue dans le signal en sortie de la cellule VCESL est traitée par l'unité 5 pour obtenir les paramètres que l'on cherche à déterminer, lesquels peuvent varier selon les applications considérées (télémétrie, imagerie active, etc. ). Notamment, la mesure du temps de vol de l'impulsion optique permet de caractériser la distance à laquelle se situe l'obstacle, puisque le retard t entre l'émission et la réception est proportionnelle à la distance D entre la cellule et le point visé (t =2D/c où c est la vitesse de la lumière et est égal à 3.108 m/s).

L'atténuation de l'impulsion permet quant à elle de déterminer la réflectance du point cible. La mise au point de l'optique 2 est effectuée, en fonction du temps de vol de l'impulsion optique, sur le plan conjugué de celui de la matrice 1.

Le cycle d'émission/réception des cellules VCESLs est répété avec une période T, qui peut être très brève.

On notera également qu'un avantage des cellules VCESLs est leur forte sélectivité angulaire et spectrale très utile pour l'application envisagée.

A titre d'exemple, on peut utiliser comme cellule VCSEL des cellules du type de celles commercialisées par Honeywell sous la référence HFE4080-321, lesquelles présentent un diamètre de face d'émission de 15 m.

Le seuil de courant de polarisation direct de ces cellules est de 2,5 mA. La puissance optique maximum est de 1,21 mW (puissance moyenne en régime continu). Elle est obtenue pour une intensité de courant de 12 mA. La longueur d'onde d'émission 840 nm varie légèrement en fonction du courant de polarisation direct (variation de l'ordre de 0,8 nm lorsque l'intensité du courant d'alimentation varie de 2,5 mA et 12 mA, à une température constante de 20 C).

Pour de telles cellules VCSELs, l'intensité du courant d'obscurité est de 50 pA ; la sensibilité des cellules en mode photorécepteur est égal à 0,1 A/W. La sensibilité spectrale est très étroite de l'ordre de 1 à 2 nm. Elle est indifférente à la polarisation du faisceau, mais est dépendante de l'incidence du faisceau et est maximale à incidence normale.

On notera qu'en polarisation électrique en inversé, les composants VCSELs amplifient le signal reçu. On obtient typiquement jusqu'à un gain de 4 pour une polarisation inverse de - 9V, par comparaison à un signal reçu sur la diode laser de réception non polarisée. Au-delà de-10V le bruit du signal d'obscurité devient prépondérant. La sensibilité du VCSEL utilisé comme photo-détecteur vaut dans ces conditions 0,1 A/W.

Les impulsions sont par exemple d'une durée à mi-hauteur de 2ns, les fronts de montée et descente étant de 1 ns, la cadence de répétition de ces impulsions étant de 1 ils. La puissance optique crête correspond à 40 mW pour une impulsion de courant de 0,5 A.

Des tensions de polarisation permettant de générer de telles impulsions, puis de configurer les cellules en mode photorécepteur ont été représentées sur la figure 3.

En mode émetteur, une unité 4 génère une tension qui commande une cellule VCSEL et impose un courant de polarisation positif. La puissance lumineuse émise est liée au courant de commande de polarisation par la loi caractéristique dont l'allure générale est celle représentée sur la figure 4.

On notera que le régime impulsionnel autorise à polariser la diode que constitue une cellule VCSEL avec un courant important, sans dommage par effet thermique sur le composant. La puissance crête impulsionnelle est donc supérieure à la puissance moyenne en régime continu.

En mode récepteur, la tension de polarisation impose sur la cellule VCSEL un courant de polarisation négatif.

Les unités 4 qui gèrent l'émission/réception par les cellules VCSELs comportent des moyens qui filtrent et amplifient le signal (préamplificateur

faible bruit) avant de l'acheminer vers l'électronique de traitement que constitue l'unité 5.

A titre d'exemple, une unité 4 peut comprendre, ainsi qu'illustré sur la figure 5, un circuit 6 à transistor bipolaire, monté en régime d'avalanche, et piloté par un générateur d'impulsions 7 de type classique (TTL 5V), qui délivre la cadence de répétition des impulsions. Le transistor bipolaire détermine ainsi une impulsion de 2 ns de durée à mi hauteur avec un temps de montée et de descente de 1 ns, une amplitude de 25V sur 50 Q, soit un courant direct instantané de 500 mA appliqué au VCSEL.

La fonction de commutation en mode réception est réalisée par un circuit 8 à diodes PIN, qui commande un transistor 9 qui permet de commuter le VCSEL vers un amplificateur 10. Cet amplificateur présente par exemple un gain 100 en tension et une bande passante de 2 GHz.

Lorsque le transistor est ainsi commuté, un circuit de polarisation inverse 11 applique simultanément sur le VCSEL une tension de polarisation en inverse. Cette tension est ajustable entre-5 et-10V, en fonction du gain intrinsèque souhaité pour le VCSEL, lequel varie de 4 à 6 lorsque la tension de polarisation varie entre-5 et -1 OV.

On notera que le fait de dédier spécifiquement une unité de gestion 4 à chaque cellule présente l'avantage de permettre d'adresser indépendamment chaque cellule en vue d'un codage ou d'un fenêtrage d'une zone de l'image.

L'optique d'imagerie 2 est avantageusement constituée par un objectif optique présentant une transmission optique maximale à la longueur d'onde de travail. Par exemple, pour des cellules VCSELs émettant entre 0,6 m et 1,6 m, elle peut être en verre ou en silice.

Son ouverture est adaptée d'une part au mode d'émission des sources VCSELS, et d'autre part à l'angle d'acceptance des VCSELs en mode récepteur. Sa focale est quant à elle adaptée à la dimension de la matrice de VCSELs et au champ angulaire souhaité. Ses aberrations optiques d'ouverture et de champ sont inférieures aux surfaces actives des VCSELS.

D'autres variantes de l'invention que celle qui vient d'être décrite sont bien entendu possibles.

En particulier, on peut envisager des modes de réalisation qui comporte une seule cellule VCSEL en lieu et place de la matrice 1, notamment en vue d'effectuer une mesure ponctuelle de télémétrie ou de réflectance.

En variante encore, la matrice 1 peut intégrer des éléments photosensibles entre les cellules VCSELs. On utilise ainsi les espacements inter-VCSEL pour compléter la fonction de détection et éventuellement contrôler la source en émission. -
Des dispositifs IFL (imagerie par flash laser) sont également à l'étude pour des applications d'identification à longue distance (caméra ALBEDOS du CRDV (Canada). Ils associent une matrice de photodétecteurs à un émetteur laser unique impulsionnel, dont le champ d'éclairage couvre l'objet à observer. Par un fenêtrage temporel, l'image acquise correspond aux points de la scène situés dans une tranche de distance prédéfinie (tomoscopie). L'image d'un objet nécessite donc la connaissance préalable de sa distance.

L'invention proposée peut aussi fonctionner en mode tomoscopique, mais de plus, fournit la distance exacte de chaque point visé de la scène. Il est donc possible de segmenter a posteriori en distance l'image sans connaître préalablement la distance de la scène visée.

Un dispositif du type de celui qui vient d'être décrit est par exemple avantageusement utilisé en imagerie active (détection, télémétrie), et notamment en imagerie active multiplexée impulsionnelle 3D. Il est également avantageusement utilisé en spectroscopie (détermination de la nature, par la réflectance ou l'absorption spectrale d'une cible).

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif de détection et/ou de mesure à distance de type ladar comportant des moyens aptes à émettre un faisceau optique d'investigation et des moyens pour détecter l'énergie optique rétrodiffusée par une cible illuminée par ledit faisceau, caractérisé en ce que* lesdits moyens comportent au moins un composant laser du type à cavité émettant par la surface (1) et des moyens de commande (4,5) aptes à polariser ledit composant d'une part en mode photo-émetteur, puis d'autre part en mode photo-récepteur, pour permettre audit composant de détecter par ladite surface l'énergie optique rétrodiffusée par une cible illuminée par le faisceau qu'il émet.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande (4,5) sont aptes à polariser alternativement ledit composant en mode photo-émetteur et en mode photo-récepteur.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de commande (4,5) comportent des moyens pour polariser ledit composant selon un cycle répétitif selon lequel ledit composant fonctionne alternativement en mode photo-émetteur, puis en mode photo-récepteur.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les émissions générées par un composant (1) sont de type impulsionnelles, la portion d'un cycle pendant laquelle ledit composant fonctionne en mode photo-émetteur étant d'une durée inférieure à la portion dudit cycle pendant laquelle il fonctionne en mode photo-récepteur.

5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de composants (1) laser du type à cavité émettant par la surface, les moyens de commande (4,5) étant aptes à polariser chacun de ces composants en mode photo-émetteur, puis en mode photo-récepteur.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de commande (4,5) sont aptes à polariser les différents composants indépendamment les uns des autres.

7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la polarisation appliquée à un composant du type à cavités émettant par la surface est telle que celui-ci amplifie le signal qu'il reçoit.

8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de commande comprennent un circuit à transistor bipolaire (6), monté en régime d'avalanche, et piloté par un générateur d'impulsions (7).

9. Dispositif selon la revendication 5 prise seule ou en combinaison avec l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les composants sont portés par un même substrat, leurs surfaces d'émission-réception étant réparties selon une matrice plane.

10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un objectif qui conjugue optiquement le plan de la matrice avec un plan de la cible.

11. Dispositif d'imagerie et/ou de télémétrie et/ou de spectroscopie, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif selon l'une des revendications précédentes.