FR2985570A1 - Dispositif de detection de la proximite d'un objet, comprenant des photodiodes spad - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé détection de la présence d'un objet à proximité d'un dispositif de détection, comprenant des étapes consistant à : émettre par impulsion un faisceau de photons incident (LFD), détecter des photodiodes qui se déclenchent en avalanche à la suite de la réception par la photodiode d'au moins un photon d'un faisceau de photons réfléchi produit par une réflexion du faisceau incident sur un objet (O) à proximité du dispositif de détection, déterminer une distance (D) entre les photodiodes et un objet (O) dans une zone de détection (DFD), en fonction du temps entre un instant d'émission du faisceau incident et des instants de déclenchement en avalanche des photodiodes (PHD), et corriger la distance déterminée en fonction d'une mesure d'étalonnage (DTE) obtenue en l'absence d'objet dans la zone de détection, pour compenser des réflexions de photons sur une plaque transparente (GL) disposée entre les photodiodes et la zone de détection.

Description

DISPOSITIF DE DETECTION DE LA PROXIMITE D'UN OBJET, COMPRENANT DES PHOTODIODES SPAD La présente invention concerne un dispositif de détection et de mesure de la distance d'un objet, sur la base d'un temps de propagation d'un faisceau de photons émis sous forme d'impulsions et réfléchi sur l'objet. La présente invention s'applique notamment aux écrans tactiles tels que ceux utilisés dans les téléphones mobiles, et à la détection d'un objet à proximité d'un tel écran. Il est connu d'utiliser des photodiodes comme élément de détection et de mesure de distance, en exploitant un phénomène d'avalanche qui peut se produire dans la jonction PN de photodiodes. Un phénomène d'avalanche peut se déclencher dans une jonction PN de diode lorsque la diode est polarisée en inverse aux environs de la tension de claquage de la jonction. Ce phénomène peut être exploité de deux façons dans une photodiode à avalanche. Si la photodiode à avalanche est polarisée en inverse juste en dessous de la tension de claquage. La photodiode génère alors un courant électrique proportionnel à l'intensité du flux de photons reçu par la photodiode, avec un gain de quelques centaines avec un semiconducteur tel que le silicium. Pour détecter de faibles intensités de flux de photons, il est connu d'utiliser des photodiodes pouvant être polarisées en inverse au dessus de la tension de claquage. De telles photodiodes sont appelées "diode à avalanche à unique photon" SPAD (Single Photon Avalanche Diode) ou diode fonctionnant en mode "Geiger". Chaque fois qu'une telle photodiode reçoit un photon, un phénomène d'avalanche se produit dans la jonction PN de la photodiode, générant un courant intense. Pour éviter une destruction de la photodiode par ce courant intense, la photodiode est connectée à un circuit d'extinction (quenching circuit) permettant d'arrêter le processus d'avalanche quelques nanosecondes après l'apparition de celui-ci. Pour effectuer une mesure de distance, il est connu d'éclairer une zone de détection avec une source lumineuse pulsée telle qu'une source laser pulsée, et de détecter des photons réfléchis par un objet présent dans la zone de détection à l'aide d'un ensemble de photodiodes SPAD. La distance de l'objet présent dans la zone de détection est évaluée sur la base du temps de propagation ou temps de vol TOF (Time Of Flight) entre l'instant d'émission d'une impulsion lumineuse et l'instant d'apparition d'une impulsion aux bornes d'une photodiode résultant du déclenchement de la photodiode en avalanche. La précision de la mesure dépend notamment de la durée des impulsions lumineuses émises par la source, et plus ces impulsions sont courtes, plus la mesure peut être précise. Dans les applications à la détection d'un objet à proximité d'un écran tactile, les photodiodes sont placées sous une plaque transparente aux photons à détecter. Il s'avère que la plaque peut réfléchir des photons émis par la source directement vers les photodiodes, ce qui perturbe la mesure de distance. En effet, si un objet se trouve à une distance D des photodiodes et si la plaque se trouve à une distance d des photodiodes, les photodiodes vont détecter des photons issus d'une réflexion du faisceau de photons émis, non seulement sur l'objet, mais également sur la plaque. Si la mesure d'une distance est évaluée sur la base d'une moyenne des instants de déclenchement des photodiodes, la mesure obtenue sera de l'ordre de (D+d)/2, soit environ la moitié de la distance D si la distance d est faible. Si aucun objet ne se trouve dans la zone de détection, le dispositif de détection fournit une mesure de distance erronée égale à d. Pour réduire l'influence des réflexions sur la plaque de photons émis par la source, l'unité d'émission du faisceau de photons peut être éloignée des photodiodes. Toutefois, cela n'est pas généralement souhaitable si l'on cherche à obtenir une zone de détection qui coïncide avec une zone éclairée par la source, la plus large possible, Il est donc souhaitable de pouvoir disposer une plaque transparente sur un ensemble de photodiodes SPAD utilisées pour mesurer un temps de vol. Il est également souhaitable d'éviter que des mesures de distance soient perturbées par une telle plaque transparente disposée sur des 30 photodiodes dans un détecteur de proximité à base de photodiodes SPAD. Des modes de réalisation concernent un procédé de détection de la présence d'un objet à proximité d'un dispositif de détection, comprenant des étapes consistant à : polariser en inverse des photodiodes à avalanche à unique photon, à une tension de polarisation supérieure à une tension de 35 claquage d'une jonction PN de chaque photodiode, émettre par impulsion un faisceau de photons incident, détecter des photodiodes qui se déclenchent en avalanche à la suite de la réception par la photodiode d'au moins un photon d'un faisceau de photons réfléchi produit par une réflexion du faisceau incident sur un objet à proximité du dispositif de détection, déterminer une distance entre les photodiodes et un objet dans une zone de détection, en fonction du temps entre un instant d'émission du faisceau incident et des instants de déclenchement d'avalanche dans les photodiodes à la suite de la réception d'au moins un photon du faisceau réfléchi, et corriger la distance déterminée en fonction d'une mesure d'étalonnage obtenue en l'absence d'objet dans la zone de détection, pour compenser au moins partiellement des déclenchements en avalanche de photodiodes produits par des photons du faisceau incident ayant été réfléchis par une plaque transparente disposée entre les photodiodes et la zone de détection. Selon un mode de réalisation, la correction est appliquée à la distance déterminée, en considérant que les nombres de photodiodes déclenchées en avalanche par un photon réfléchi sur la plaque et par un photon réfléchi par l'objet, sont égaux. Selon un mode de réalisation, la correction est appliquée à la distance déterminée, en tenant compte d'un nombre de photodiodes déclenchées en avalanche par un photon réfléchi sur la plaque, obtenu en étalonnage, et d'un nombre de photodiodes déclenchées en avalanche par un photon réfléchi par l'objet. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend des étapes de mesure d'un nombre de photodiodes déclenchées en avalanche durant un cycle de mesure, et si nombre mesuré est inférieur à une valeur de seuil, il est considéré qu'aucun objet ne se trouve dans la zone de détection. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend des étapes consistant à : coupler optiquement des photodiodes à avalanche à unique photon d'un ensemble de référence à une source de photons émettant le faisceau de photons incident, polariser en inverse les photodiodes de l'ensemble de référence, à la tension de polarisation, et déterminer des instants moyens de déclenchement d'avalanche dans les photodiodes de l'ensemble de référence, la distance étant déterminée en fonction des instants moyens de déclenchement d'avalanches dans les photodiodes de l'ensemble de référence.

Selon un mode de réalisation, le procédé comprend des étapes consistant à : générer un premier signal à la fréquence d'émission des impulsions du faisceau incident, synchroniser le début de chaque impulsion du premier signal sur un instant moyen de déclenchement d'avalanche dans les photodiodes, générer un second signal ayant un état déterminé pendant une période de déphasage entre le premier signal et un troisième signal à la fréquence d'émission des impulsions du faisceau incident, et lorsque le premier signal est synchronisé, mesurer une durée pendant laquelle le second signal est dans l'état déterminé, une mesure de distance avec l'objet étant déterminée en fonction de la durée mesurée. Selon un mode de réalisation, le troisième signal est un signal de commande d'une source émettant le faisceau incident. Selon un mode de réalisation, le troisième signal est un signal dont le début de chaque impulsion est synchronisé sur un instant moyen de déclenchement d'avalanche dans des photodiodes polarisées en inverse d'une unité de référence couplée optiquement à la source émettrice du faisceau incident, pour déterminer des instants d'émission des impulsions du faisceau incident. Des modes de réalisation peuvent également concerner un dispositif de détection de la présence d'un objet, comprenant : un circuit d'émission pour émettre par impulsion un faisceau de photons incident, un circuit de détection comprenant plusieurs photodiodes à avalanche à unique photon, et un circuit de génération de tension pour générer une tension de polarisation supérieure à une tension de claquage d'une jonction PN de chaque photodiode, le dispositif de détection étant configuré pour mettre en oeuvre le procédé précédemment défini. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un circuit de détection de référence comprenant plusieurs photodiodes à avalanche à unique photon, couplées optiquement au circuit d'émission pour détecter un instant d'émission de chaque impulsion émise du faisceau incident. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un premier circuit de synchronisation pour synchroniser le début de chaque impulsion d'un premier signal ayant la fréquence d'émission des impulsions du faisceau incident, sur un instant moyen de déclenchement d'avalanche dans les photodiodes, le circuit de synchronisation comprenant un déphaseur recevant en entrée un signal de commande d'une source émettant le faisceau incident, et fournissant le premier signal, deux portes logiques ET recevant chacune en entrée le premier signal et un signal de détection comportant une impulsion à chaque fois qu'une des photodiodes se déclenche en avalanche, la sortie des portes ET commandant respectivement la charge ou la décharge d'un condensateur selon qu'une impulsion du signal de détection apparaît pendant ou en dehors d'une impulsion du premier signal, la tension aux bornes du condensateur commandant le déphaseur, le dispositif comprenant un comparateur pour comparer le premier signal à un second signal ayant la fréquence du signal de commande, et un circuit de mesure de durée pour mesurer une durée à l'état haut du signal de sortie du comparateur. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un second circuit de synchronisation pour synchroniser le début de chaque impulsion du second signal ayant la fréquence d'émission des impulsions du faisceau incident, sur un instant moyen de déclenchement d'avalanche dans des photodiodes polarisées en inverse d'une unité de référence couplée optiquement à la source émettrice du faisceau incident, pour déterminer des instants d'émission des impulsions du faisceau incident.

Des exemples de réalisation de l'invention seront décrits dans ce qui suit, à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 représente schématiquement un dispositif de détection d'un objet, selon un mode de réalisation, la figure 2 représente une surface de détection à base de photodiodes SPAD, du dispositif de détection, la figure 3 représente une surface de détection d'un signal de référence, à base de photodiodes SPAD, du dispositif de détection, la figure 4 représente schématiquement des circuits du dispositif de détection, selon un mode de réalisation, la figure 5 représente schématiquement une unité de détection du dispositif de détection, selon un mode de réalisation, les figures 6A à 6E représentent des chronogrammes illustrant le fonctionnement du dispositif de détection, selon un mode de réalisation, la figure 7 représente des circuits du dispositif de détection, selon un autre mode de réalisation, les figures 8 et 9 sont des courbes illustrant le fonctionnement du dispositif de détection, selon un mode de réalisation; la figure 10 représente d'autres circuits du dispositif de détection, selon un mode de réalisation. La figure 1 représente un dispositif de détection DETD, selon un mode de réalisation. Le dispositif DETD comprend une unité d'émission EMU émettant des impulsions de photons, une unité de réception MSA, et une unité de réception de référence RSA, les unités MSA, RSA étant sensibles aux impulsions de photons émises par l'unité EMU. Les unités EMU, MSA, RSA sont formées sur une plaquette SB par exemple en un matériau semi-conducteur. L'unité EMU émet des impulsions de photons dans un champ d'émission EFD par exemple de forme conique dont le sommet est centré sur l'unité EMU. L'unité MSA est sensible à des photons provenant d'un champ de détection DFD qui peut également être de forme conique. Les champs EFD et DFD présentent une zone commune, formant un champ de détection CFD dans lequel un objet O peut être détecté par le dispositif DETD en réfléchissant des photons émis par l'unité EMU vers l'unité de réception MSA. L'unité de référence RSA est couplée optiquement à l'unité d'émission EMU par un dispositif de couplage optique OCD configuré pour renvoyer vers l'unité RSA une partie des photons émis par l'unité EMU. L'unité EMU comprend une ou plusieurs diodes électroluminescentes ou une diode laser émettant des impulsions de photons dans une certaine plage de longueurs d'onde. L'unité MSA peut être associée à un filtre optique laissant passer des photons appartenant à la plage de longueurs d'onde de l'unité d'émission, en excluant des photons ayant d'autres longueurs d'onde. La plaquette SB et les unités EMU, MSA, RSA sont recouvertes par une plaque GL en un matériau transparent aux longueurs d'onde émises par l'unité EMU. L'unité MSA, et éventuellement l'unité RSA comprennent des photodiodes à avalanche à unique photon SPAD, qui sont polarisées en inverse à une tension de polarisation supérieure à la tension de claquage de la jonction PN des photodiodes. A chaque fois qu'une photodiode de l'unité MSA ou RSA se déclenche en avalanche elle génère une impulsion électrique. La plage de longueurs d'onde des photons émis par l'unité EMU peut être située en dehors des longueurs d'onde visibles, par exemple dans l'infrarouge ou le proche infrarouge. Il s'avère que des photons du faisceau incident EFD qui se réfléchissent sur la plaque GL peuvent atteindre l'unité MSA. La détection de tels photons par l'unité MSA fausse les mesures de distance. La figure 2 représente une surface de détection de l'unité MSA. L'unité MSA comprend plusieurs photodiodes PHD disposées conformément à une répartition matricielle, en lignes et en colonnes transversales aux lignes. Dans l'exemple de la figure 2, l'unité MSA comprend 35 photodiodes PHD réparties sur cinq lignes et sept colonnes. La figure 3 représente une surface de détection de l'unité RSA. L'unité RSA comprend plusieurs photodiodes PHD disposées conformément à une répartition matricielle, en lignes et en colonnes transversales aux lignes. Dans l'exemple de la figure 3, l'unité RSA comprend douze photodiodes PHD réparties sur trois lignes et quatre colonnes. Le dispositif de détection DETD mesure le temps entre des instants d'apparition d'impulsions dans des signaux issus des photodiodes de l'unité RSA et des instants d'apparition d'impulsions dans des signaux issus des photodiodes de l'unité MSA. Une distance entre l'objet O et le dispositif DETD peut ensuite être déduite du temps entre ces instants, correspondant au temps de propagation de la lumière émise par l'unité EMU pour se réfléchir sur l'objet O, puis atteindre l'unité MSA. A cet effet, le dispositif de détection DETD peut être configuré pour compter un nombre d'impulsions par cycle d'un signal d'horloge dans des signaux de détection fournis par les unités MSA, RSA. Chaque impulsion dans ces signaux de détection correspond au déclenchement en avalanche d'une photodiode PHD à la suite de la réception d'un photon par la photodiode. Ces données de comptage d'impulsions sont utilisées pour constituer pour chaque cycle de mesure déclenché par l'émission d'une impulsion de photons par l'unité EMU, un histogramme comprenant un nombre de photodiodes PHD déclenchées en avalanche par cycle d'horloge. Chaque cycle de mesure s'étend sur plusieurs cycles d'horloge et peut durer quelques nanosecondes, par exemple entre 5 et 15 ns, par exemple 10 ns, pour détecter un objet à moins de 20 cm du dispositif de détection. En effet, le temps de propagation de la lumière pour se réfléchir sur un objet situé à 10 cm de l'unité MSA et atteindre cette dernière, est de l'ordre de 0.666 ns. Chaque histogramme obtenu peut ensuite être exploité pour déterminer des instants de réception, respectivement par l'unité RSA et l'unité MSA, de l'impulsion de photons émise par l'unité EMU. Une distance de l'objet O ayant réfléchi l'impulsion de photons émise par l'unité EMU vers l'unité MSA, est ensuite déterminée en calculant le temps entre les instants de réception déterminés. La distance de l'objet O peut ensuite être déduite en multipliant ce temps par la vitesse de la lumière divisée par deux, pour tenir compte des trajets aller et retour de la lumière. La figure 4 représente des circuits du dispositif de détection DETD. Le dispositif DETD comprend en plus des unités MSA, RSA et EMU, une unité de traitement PRCU, un circuit de génération d'impulsion PLGN, et un circuit de génération de haute tension HVGN. Le circuit HVGN fournit une haute tension HV aux unités RSA, MSA pour polariser en inverse les photodiodes PHD de ces unités, à une tension supérieure à la tension de claquage de la jonction PN des photodiodes. L'unité PRCU fournit des signaux de commande au circuit PLGN. Le circuit PLGN génère un signal ECM comprenant des impulsions périodiques, qui est transmis à l'unité EMU pour déclencher l'émission d'une impulsion de photons à chaque impulsion du signal ECM. Les unités RSA, MSA fournissent des signaux de mesure RS, MS qui sont transmis à l'unité de traitement PRCU. Chacun des signaux RS, MS comprend une impulsion chaque fois qu'une photodiode correspondante s'est déclenchée en avalanche à la suite de la réception d'un photon par la photodiode. L'unité PRCU traite les signaux de mesure RS, MS, comme décrit précédemment, pour déterminer la présence d'un objet O dans le champ de détection DFD de l'unité MSA, et éventuellement pour déterminer la distance séparant l'objet O de l'unité MSA. Le circuit HVGN peut comprendre une pompe de charge CP pour générer, à partir d'une tension d'alimentation du dispositif DETD, une haute tension HV suffisante pour polariser en inverse les photodiodes PHD des unités MSA, RSA, à une tension supérieure à une tension de claquage des photodiodes. La tension HV peut être de l'ordre de 12 V à 17 V, par exemple 14 V, tandis que la tension d'alimentation du dispositif DETD est de l'ordre de 2 à 5 V, par exemple 3 V.

La figure 5 représente l'unité MSA. L'unité MSA comprend plusieurs circuits de photodiode PHC comportant chacun une photodiode PHD de type SPAD, un circuit de mise en forme RD fournissant un signal de détection MS1, MS2, MSp, et un circuit d'extinction d'avalanche QC permettant de protéger la photodiode dès que celle-ci s'est déclenchée en avalanche. La photodiode PHD de chaque circuit de photodiode PHC comprend une cathode connectée à l'une des lignes HV1-HVn et une anode connectée à un circuit RD. L'anode de la photodiode est également reliée à la masse par l'intermédiaire d'un circuit d'extinction QC. Chaque signal de détection MS1- MSp est par exemple un signal binaire comportant une impulsion de durée fixe, dont le début coïncide avec l'instant où la photodiode PHD correspondante se déclenche en avalanche à la suite de la réception d'un photon. La durée d'une impulsion dans les signaux MS1-MSp peut être fixée à une valeur comprise entre 1 et 3 ns. L'ensemble des signaux MS1-MSp de la figure 5 correspond aux signaux MS issu de l'unité MSA dans la figure 4. Le circuit QC peut être un simple transistor MOS dont la grille reçoit un signal de commande pour commander le transistor à l'état passant afin de polariser en inverse la photodiode pour qu'elle puisse détecter un photon, et bloquer le transistor lorsque la diode PHD se déclenche en avalanche.

L'unité RSA peut comprendre des circuits de photodiode identiques à ceux PHC de l'unité MSA, et recevant chacun la haute tension HV, directement du circuit HVGN, ou par l'intermédiaire du circuit CCM. Les signaux RS de la figure 4 comprennent donc un signal par photodiode PHD de l'unité RSA.

Les figures 6A à 6E représentent des chronogrammes illustrant le fonctionnement du dispositif DETD. La figure 6A représente le signal ECM de déclenchement de l'émission d'impulsions de photons par l'unité EMU. Les figures 6B et 6D représentent le flux de photons émis par l'unité EMU, tel que reçu par les unités RSA, MSA. Les figures 6C et 6E représentent des histogrammes du nombre NA de photodiodes déclenchées en avalanche dans l'unité MSA à chaque cycle d'horloge de durée CK. Les chronogrammes des figures 6A à 6E présentent deux cycles de mesure MC délimités chacun par deux impulsions successives P1 du signal de commande de l'unité EMU (figure 6A). Des instants t1, t4 de réception d'une impulsion de photons par chacune des unités RSA, MSA peuvent être déterminés à partir des instants de début et de fin tO, t2 (pour l'unité RSA) et t3, t5 (pour l'unité MSA) de réception de l'impulsion, en calculant une moyenne des instants de début tO, t3 et de fin t2, t5, soit t1 = t0+(t2-t0)/2 et t4 = t3+(t5-t3)/2. Les instants t1, t4 peuvent également être déterminés par 5 un calcul de moyenne pondérée, en tenant compte du nombre NA de photodiodes déclenchées à chaque cycle d'horloge, fourni par l'histogramme. Ainsi, dans l'exemple de la figure 6C, 7 photodiodes se sont déclenchées en avalanche dans l'unité RSA entre les instants tO et t2, et l'instant t2 est décalé de l'instant tO de 14 cycles d'horloge de durée CK. Le 10 temps t1 peut être obtenu par un calcul de moyenne pondérée, de la manière suivante : t1 = tO + 1/7 x (CK + 3CK + 5CK + 6CK + 9CK + 12CK)) = tO + 36/7 x CK De même, dans l'exemple de la figure 6D, quinze photodiodes se 15 sont déclenchées en avalanche dans l'unité MSA entre les instants t3 et t5, et l'instant t5 est décalé de l'instant t3 de 13 cycles d'horloge de durée CK. Le temps t4 peut être obtenu par un calcul de moyenne pondérée, de la manière suivante : t4 = t3 + 1/15 x (CK + 2(2CK) + 3CK + 2(4CK) + 5CK 20 + 6CK + 2(8CK) + 9CK + 2(1OCK) + 12CK) = t3 + 84/15 x CK La connaissance des instants t1 et t4 permet ensuite d'évaluer un temps de propagation DT1 (= t4 - t1) de l'impulsion de photons entre l'unité EMU (unité RSA) et l'unité MSA. La distance D entre le dispositif de 25 détection DETD et l'objet O peut ensuite être calculée de la manière suivante : D = DT1 x c/2, c étant la vitesse de la lumière. Selon un mode de réalisation, une phase d'étalonnage est réalisée pour déterminer la contribution de la plaque GL sur le nombre de 30 photodiodes de l'unité MSA se déclenchant en avalanche. Cette phase qui est réalisée en l'absence d'objet O dans le champ de détection DFD, vise à obtenir un histogramme du nombre de photodiodes NA se déclenchant en avalanche en fonction du temps dans l'unité MSA. Cet histogramme est retranché de l'histogramme obtenu à chaque cycle de mesure à partir des photodiodes de l'unité MSA, pour obtenir un histogramme corrigé sur lequel le calcul du temps t4 est réalisé. Selon un mode de réalisation, le nombre de photodiodes en avalanche dans l'histogramme corrigé est comparé à une valeur de seuil. Si ce nombre est inférieur à la valeur de seuil, il est considéré que les déclenchements d'avalanche sont dus à des photons parasites issus notamment de réflexions sur la plaque GL, et donc qu'aucun objet ne se trouve dans la zone de détection DFD. La figure 7 représente des circuits de l'unité PRCU selon un mode de réalisation. Sur la figure 7, le circuit PRCU comprend deux portes logiques de type OU OG1, 0G2, la porte OG1 recevant les signaux MS1-MSp et la porte 0G2 recevant les signaux RS (RS1-RSk) issus de l'unité RSA. Le circuit PRCU comprend deux circuits de boucle à verrouillage de phase PLL1, PLL2, deux diviseurs de fréquence DIVN, DIVM, deux circuits analogiques de boucle à verrouillage de retard ADL1, ADL2, un comparateur CP1, et un circuit de mesure de durée TMC. Un signal d'horloge CLK est fourni en entrée des circuits PLL1, PLL2. Le diviseur DIVN est connecté en entrée à une sortie du circuit PLL1 et en sortie à une entrée de chacun des circuits ADL1, ADL2. Les circuits PLL1 et DIVN permettent de générer le signal ECM de commande de l'unité EMU. Le circuit PLL1 augmente la fréquence du signal d'horloge CLK d'un certain facteur, et le circuit DIVN divise la fréquence de sortie du circuit PLL1 d'un facteur N, de manière à ce que le signal ECM présente une fréquence inférieure à la fréquence maximale de déclenchement d'une avalanche dans les photodiodes PHD. La sortie de la porte OG1 est connectée à une entrée du circuit ADL1, et la sortie de la porte 0G2 est connectée à une entrée du circuit ADL2. Le comparateur CP1 reçoit en entrée un signal de sortie ADP1, ADP2 de chacun des circuits ADL1, ADL2, et fournit un signal de déphasage DPH entre les signaux ADP1, ADP2.

Les circuits ADL1, ADL2 sont identiques, seuls les circuits internes du circuit ADL1 étant représentés sur la figure 7 par souci de clarté. Ainsi, chacun des circuits ADL1, ADL2 comprend un circuit de déphasage ajustable PHS, deux portes logiques de type ET AGI, AG2, deux sources de courant ajustables IUP, IDW, et un condensateur C1. Le signal ECM est fourni en entrée du circuit PHS. La sortie du circuit PHS qui constitue une sortie de signal ADP1 du circuit ADL1, est connectée à une entrée directe de la porte AG1 et à une entrée inverseuse de la porte AG2. La sortie de la porte OG1 est connectée à une entrée directe de chacune des portes AG1, AG2. La sortie de la porte AG1 commande 'activation de la source de courant IUP et la sortie de la porte AG2 commande l'activation de la source de courant IDW. Autrement dit, lorsque l'une ou l'autre des portes AG1, AG2 est active, la source de courant à laquelle la porte est connectée est active également. La source IUP est connectée entre une source de tension d'alimentation et la source IDW, et la source IDW est connectée entre la source IUP et la masse. Le noeud de connexion entre les sources IUP, IDW est connecté à une entrée de commande du circuit PHS et est relié à la masse par l'intermédiaire du condensateur C1. La tension aux bornes du condensateur Cl correspond donc à celle du signal de commande du circuit PHS La figure 8 représente une courbe illustrant le fonctionnement du déphaseur PHS. Cette courbe indique les variations du retard DLY appliqué par le déphaseur PHS au signal ECM, en fonction de la tension VC aux bornes du condensateur C1. Le retard appliqué par le déphaseur PHS est constant et égal à une valeur de retard minimum maximum Dmn, lorsque la tension VC est inférieure à une valeur de tension minimum Vmin, et constant et égal à une valeur de retard Dmx lorsque la tension VC est supérieure à une valeur maximum de tension Vmax. Entre les tensions Vmin et Vmax, le retard appliqué par le déphaseur PHS varie linéairement avec une pente positive, entre les valeurs de retard Dmn et Dmx. Les valeurs de retard Dmn et Dmx peuvent être définies par exemple en fonction de distances minimum et maximum de détection d'objets. La valeur Dmn appliquée par le circuit PHS au signal ECM peut être par exemple nulle et la valeur Dmx peut être égale à la période de mesure MC, c'est-à-dire la période du signal ECM. La figure 9 représente une courbe illustrant le fonctionnement du circuit comprenant les sources de courant IUP, IDW commandées par les sorties des portes AG1, AG2. La courbe de la figure 9 indique les variations des durées d'activation des sources de courant IUP, IDW en fonction de la durée à l'état haut des signaux de sortie VUP, VDW des portes AG1, AG2. Une valeur de seuil Th définit la limite temporelle minimum pour laquelle la durée des signaux VUP, VDW n'a plus d'influence sur la durée d'activation des sources de courant qui est alors fixée à une durée maximum Tmx. Lorsque la source de courant IUP est activée par le signal de sortie VUP de la porte AG1, le condensateur Cl se charge, ce qui augmente la tension de commande du circuit PHS. Inversement, lorsque la source de courant IDW est activée par le signal VDW de sortie de la porte AG2, le condensateur Cl se décharge, ce qui abaisse la tension de commande du circuit PHS. Lorsque la durée à l'état haut du signal VUP dépasse un certain seuil de durée Th, la source de courant IUP reste activée pendant une certaine durée fixe Tmx. De même, lorsque le temps à l'état haut du signal VDW dépasse le seuil de durée Th, la source de courant IDW reste activée pendant la durée fixe Tmx. Si les signaux VUP, VDW sont à l'état haut pendant une durée inférieure au seuil Th, les sources de courant IUP, IDW sont activées pendant une durée proportionnelle à cette durée. Ainsi, pendant une période du signal ECM, si les signaux de sortie VUP, VDW sont à l'état haut pendant une même durée, la quantité de courant injectée dans le condensateur Cl peut être nulle. A chaque impulsion émise par une photodiode PHD de l'unité MSA, la porte AG1 passe à l'état haut si le signal ADP1 est à l'état haut, ce qui charge le condensateur C1. Inversement chaque impulsion émise par une photodiode PHD de l'unité MSA en dehors des impulsions du signal ADP1, décharge le condensateur C1. Si les nombres d'impulsions émises par les photodiodes de l'unité MSA, pendant et en dehors des impulsions du signal ADP1, sont égaux, la charge du condensateur Cl ne change pas et donc le déphasage entre les signaux ECM et ADP1 n'est pas modifié par le circuit PHS. Il en résulte qu'à l'issue d'un certain nombre d'impulsions du signal ECM, le déphasage entre les signaux ECM et ADP1 tend à converger vers une valeur telle que le début d'une impulsion du signal ADP1 se situe au milieu des impulsions émises par les photodiodes de l'unité MSA, pendant une période du signal ECM. En d'autres termes, le début de chaque impulsion du signal ADP1 tend à être synchronisé sur un instant moyen d'émission d'impulsions par les photodiodes de l'unité MSA. Le circuit ADL2 fonctionne d'une manière identique au circuit ADL1, avec les impulsions fournies par les photodiodes du circuit RSA. Il en résulte qu'à l'issue d'un certain nombre d'impulsions du signal ECM, le déphasage entre le signal ECM et le signal ADP2 en sortie du circuit ADL2, tend à converger vers une valeur fixe telle que le début d'une impulsion du signal ADP2 se situe au milieu des impulsions émises par les photodiodes de l'unité RSA, pendant une période du signal ECM. Le début de chaque impulsion du signal ADP2 tend donc à être synchronisé sur un instant moyen d'émission d'impulsions par les photodiodes de l'unité RSA Le signal DPH fourni par le comparateur CP1 correspond donc au déphasage du signal ADP1 par rapport au signal ADP2, c'est-à-dire au temps DT1 = t4-t1 (figure 4B). En pratique, le signal ECM peut présenter une période de l'ordre de 10 ns, et la convergence vers une valeur de déphasage fixe dans les circuits ADL1, ADL2, permettant de fournir une mesure de distance correcte, peut être obtenue au plus tard dans un délai compris entre 1 et 10 ms, ce qui correspond à un nombre de cycles du signal ECM compris entre 100 000 et 1 million.

Il peut être prévu un ajustement initial du déphasage appliqué par le circuit PHS de chaque circuit ADL1, ADL2. Cet ajustement initial peut être effectué en pré-chargeant le condensateur Cl par exemple à la moitié de sa tension maximale dans chacun des deux circuits ADL1, ADL2, ou à une tension correspondant à une distance moyenne de détection. Cet ajustement initial permet d'obtenir une convergence plus rapide du déphasage produit dans chacun des circuits ADL1, ADL2. Le signal DPH en sortie du comparateur CP1 lorsque les signaux en entrée ADP1, ADP2 sont fixes, est à l'état haut à chaque période du signal ECM, pendant une durée correspondant au déphasage entre les signaux ADP1 et ADP2. Le comparateur CP1 peut être une simple porte logique de type ET comportant une entrée directe recevant le signal ADP1 et une entrée inverseuse recevant le signal ADP2. La mesure de la durée à l'état haut du signal DPH peut être effectuée à l'aide d'un circuit tel que le circuit TMC de la figure 7. A cet effet, Le circuit TMC comprend deux bascules D FF1, FF2, deux portes logiques de type ET AG3, AG4 et un compteur CNT. Une sortie du circuit PLL2 fournit un signal d'horloge à une entrée du diviseur DIVM, et à une entrée d'horloge des bascules FF1, FF2 et du compteur CNT. Une sortie du diviseur DIVM est connectée à une entrée D de la bascule FF1. Une sortie Q de la bascule FF1 est connectée à une entrée D de la bascule FF2. La porte AG3 à trois entrées directes reçoit en entrée le signal de déphasage DPH fourni par le comparateur CP1 et les signaux en sortie Q des bascules FF1, FF2. La porte AG4 comprend une entrée directe connectée à la sortie Q de la bascule FF2 et une entrée inverseuse connectée à la sortie Q de la bascule FF1. La sortie de la porte AG3 est connectée à une entrée de comptage EN du compteur CNT. La sortie de la porte AG4 est connectée à une entrée de commande de remise à zéro du compteur CNT. Le compteur CNT fournit une valeur de comptage V représentative du temps DT1 entre les instants t1 et t4.

Le coefficient multiplicateur de fréquence du circuit PLL2 est choisi distinct, mais proche de celui du circuit PLL1. A titre d'exemple si le signal CLK présente une fréquence de 1 à 10 MHz, les coefficients multiplicateurs des circuits PLL1 et PLL2 peuvent être par exemple choisis respectivement égaux à 65 et 66. Le signal de sortie du circuit PLL2 définit une fréquence de comptage. Le signal de sortie du diviseur DIVM définit une période de comptage entre deux remises à zéro du compteur CNT. Le coefficient M du diviseur de fréquence DIVM est choisi de manière à ce que la période de comptage corresponde au moins au plus petit commun multiplicateur des coefficients multiplicateurs choisis pour les circuits PLL1 et PLL2.

Le compteur CNT s'incrémente à chaque front montant du signal de sortie du circuit PLL2 si la sortie de la porte AG3 est à l'état haut, c'est-à-dire si le signal DPH est à l'état haut pendant une phase de comptage (signal de sortie du diviseur DIVM à l'état haut). En raison de la différence de fréquence entre les signaux de sortie des circuits PLL1, PLL2, les fronts montants du signal de sortie de la boucle PLL2, sur la durée de comptage, interviennent à différents instants de la période du signal DPH. Ainsi, sur une période de comptage, plus la durée de l'impulsion à l'état haut du signal DPH est grande, plus le compteur CNT s'incrémente. La valeur V du compteur CNT en fin de période de comptage est représentative de la durée à l'état haut du signal DPH. L'unité PRCU comprend en outre une unité de traitement CPU qui effectue la lecture de la valeur du compteur CNT en fin de période de comptage pour déterminer une valeur de la distance entre un objet à détecter et l'unité MSA. Le circuit de l'unité PRCU permet d'obtenir des mesures de grande précision à l'aide de signaux d'horloge à une fréquence inférieure à 1 GHz, compatible avec les fréquences utilisées dans les circuits intégrés. Il peut être prévu d'effectuer plusieurs cycles de comptage pour mesurer une distance d'objet, une moyenne des comptages obtenus à 5 chacun de ces cycles étant calculée pour déterminer une mesure de distance. Il peut également être prévu de décaler le signal DTH de quelques périodes du signal de sortie du circuit PLL1, par rapport au début d'une période du signal en sortie du diviseur DIVN, pour assurer que l'ensemble 10 des passages à l'état haut du signal DTH soient bien comptabilisés par le compteur CNT. On pourra également artificiellement augmenter la durée des impulsions du signal DTH pour une mesure plus précise de la durée à l'état haut de ce signal, la valeur du compteur CNT en fin de période de comptage étant adaptée en conséquence. 15 Selon un mode de réalisation, l'unité de traitement CPU est configurée pour effectuer une phase d'étalonnage, afin de déterminer la contribution des réflexions de photons sur la plaque GL, sur la mesure V de la durée DT1 fournie par le compteur CNT. Cette phase qui est réalisée en l'absence d'objet O dans le champ de détection DFD, permet d'obtenir une 20 mesure de durée d'étalonnage. Si les nombres de photodiodes déclenchées en avalanche dans l'unité MSA durant la phase d'étalonnage et durant chaque phase de mesure ne sont pas connus, la durée DT1 peut être corrigée en considérant en première approximation que ces nombres sont identiques. Il en résulte qu'une durée corrigée DTC peut être obtenue en 25 retranchant la mesure de durée d'étalonnage du double de la mesure DT1 : DTC = 2 DT1 -DTE (1) DTE étant la mesure de durée obtenue en phase d'étalonnage. Si des nombres de photodiodes se déclenchant en avalanche peuvent être déterminés ou évalués, durant la phase d'étalonnage et à 30 chaque mesure, une mesure corrigée DTC peut être calculée de la manière suivante : DTC = (NA x DT1 - NE x DTE)/(NA - NE) (2) NA et NE étant les nombres de photodiodes déclenchées en avalanche, respectivement durant le cycle de mesure, et durant la phase d'étalonnage.

La figure 10 représente la porte OG1 de l'unité PRCU. Selon un mode de réalisation, l'unité PRCU comprend un compteur CNT1 configuré pour fournir à l'unité CPU, une valeur de comptage représentative du nombre NA de photodiodes en avalanche à chaque cycle de mesure MC. A cet effet, le compteur reçoit sur une entrée d'horloge le signal CLK, sur une entrée de comptage EN, le signal de sortie de la porte OG1, et sur une entrée de remise à zéro, le signal ECM. Il est à noter que la porte OU (porte OG1) qui rassemble tous les signaux issus des photodiodes de l'unité MSA, ne permet pas de déterminer si plusieurs déclenchements en avalanche de photodiodes se sont produits durant un même cycle d'horloge CLK. La précision des mesures dépend de la fréquence du signal d'horloge CLK et de la largeur des impulsions lumineuses à détecter. Le compteur CNT1 fournit en phase d'étalonnage une valeur représentative du nombre NE de photodiodes en avalanche durant un cycle de mesure d'étalonnage. A chaque mesure de distance, le nombre de photodiodes NA fourni par le compteur CNT1 peut être comparé à une valeur de seuil augmentée du nombre NE de photodiodes en avalanche durant la phase d'étalonnage, et si le nombre NA est inférieur à la valeur de seuil augmentée du nombre NE, il est considéré que les déclenchements d'avalanche durant le cycle de mesure sont dus à des photons parasites issus notamment de réflexions sur la plaque GL, et donc qu'aucun objet ne se trouve dans la zone de détection DFD. La phase d'étalonnage peut comporter plusieurs mesures, les mesures DTE et NE utilisées pour corriger les mesures de distance d'objet étant obtenues en calculant une moyenne sur plusieurs cycle de mesure, des mesures effectuées en phase d'étalonnage. Une telle phase d'étalonnage peut être effectuée une seule fois en usine pour chaque dispositif de détection, ou bien périodiquement, et/ou à la suite d'un événement particulier comme la mise sous tension du dispositif de détection.

Il est à noter que la mesure de distance peut être effectuée sans l'unité RSA, en envoyant à l'entrée du comparateur CP1, non pas le signal ADP2, mais directement le signal ECM. Pour une plus grande précision de la mesure de distance, le déphasage mesuré par le signal ADP2 peut être déterminé une fois pour toutes et retranché systématiquement du signal DPH. Le déphasage mesuré par le signal ADP2 peut être également pris en compte en appliquant une correction directement sur la mesure de distance obtenue. Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que la présente invention est susceptible de diverses variantes de réalisation et diverses applications.

En particulier, l'invention n'est pas limitée à un dispositif fournissant une mesure de distance, mais peut s'appliquer à un dispositif ne fournissant qu'un signal de détection indiquant la présence ou l'absence d'un objet à proximité du dispositif. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de prévoir d'unité de réception de référence RSA. Par ailleurs, s'il n'est pas nécessaire de déterminer la mesure de distance avec une grande précision, l'unité RSA peut être omise, l'instant d'émission du faisceau incident pouvant être déterminé à partir du signal de commande de l'unité EMU. L'invention comprend également les combinaisons possibles des divers modes de réalisation décrits précédemment.15

Claims (12)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de détection de la présence d'un objet à proximité d'un dispositif de détection, comprenant des étapes consistant à : polariser en inverse des photodiodes à avalanche à unique photon (PHD), à une tension de polarisation (HV) supérieure à une tension de 5 claquage d'une jonction PN de chaque photodiode, émettre par impulsion un faisceau de photons incident (LFD), détecter des photodiodes qui se déclenchent en avalanche à la suite de la réception par la photodiode d'au moins un photon d'un faisceau de photons réfléchi produit par une réflexion du faisceau incident sur un objet 10 (0) à proximité du dispositif de détection, déterminer une distance (D) entre les photodiodes et un objet (0) dans une zone de détection (DFD), en fonction du temps entre un instant d'émission du faisceau incident et des instants de déclenchement d'avalanche dans les photodiodes (PHD) à la suite de la réception d'au 15 moins un photon du faisceau réfléchi, et corriger la distance déterminée en fonction d'une mesure d'étalonnage (DTE) obtenue en l'absence d'objet dans la zone de détection, pour compenser au moins partiellement des déclenchements en avalanche de photodiodes produits par des photons du faisceau incident ayant été 20 réfléchis par une plaque transparente (GL) disposée entre les photodiodes et la zone de détection.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la correction est appliquée à la distance déterminée (D), en considérant que les nombres 25 (NE, NA) de photodiodes (PHD) déclenchées en avalanche par un photon réfléchi sur la plaque (GL) et par un photon réfléchi par l'objet (0), sont égaux.
3. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la correction est 30 appliquée à la distance déterminée, en tenant compte d'un nombre (NE) de photodiodes (PHD) déclenchées en avalanche par un photon réfléchi sur la plaque (GL), obtenu en étalonnage, et d'un nombre (NA) de photodiodes déclenchées en avalanche par un photon réfléchi par l'objet (0).
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant des étapes de mesure d'un nombre (NA) de photodiodes déclenchées en avalanche durant un cycle de mesure (MC), et si nombre mesuré est inférieur à une valeur de seuil, il est considéré qu'aucun objet ne se trouve dans la zone de détection (DFD).
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant des étapes consistant à : coupler optiquement des photodiodes à avalanche à unique photon d'un ensemble de référence (RSA) à une source de photons émettant le faisceau de photons incident (LDF), polariser en inverse les photodiodes de l'ensemble de référence (RSA), à la tension de polarisation (HV), et déterminer des instants moyens (t1) de déclenchement d'avalanche dans les photodiodes de l'ensemble de référence, la distance (D) étant déterminée en fonction des instants moyens de déclenchement d'avalanches dans les photodiodes de l'ensemble de référence.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant des étapes consistant à : générer un premier signal (ADP1) à la fréquence d'émission des impulsions du faisceau incident (LFD), synchroniser le début de chaque impulsion du premier signal sur un instant moyen de déclenchement d'avalanche dans les photodiodes (PHD), générer un second signal (DPH) ayant un état déterminé pendant une période de déphasage entre le premier signal et un troisième signal (ADP2, ECM) à la fréquence d'émission des impulsions du faisceau incident, et lorsque le premier signal est synchronisé, mesurer une durée (DT1) pendant laquelle le second signal est dans l'état déterminé, une mesure (D) de distance avec l'objet (0) étant déterminée en fonction de la durée mesurée.
7. 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le troisième signal est un signal de commande (ECM) d'une source (EMU) émettant le faisceau incident (LFD).
8. 8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le troisième signal est un signal (ADP2) dont le début de chaque impulsion est synchronisé sur un instant moyen de déclenchement d'avalanche dans des photodiodes polarisées en inverse d'une unité de référence (RSA) couplée optiquement à la source émettrice du faisceau incident, pour déterminer des instants d'émission des impulsions du faisceau incident.
9. 9. Dispositif de détection de la présence d'un objet, comprenant : un circuit d'émission (EMU) pour émettre par impulsion un faisceau de photons incident (LFD), un circuit de détection (MSA) comprenant plusieurs photodiodes à avalanche à unique photon (PHD), et un circuit de génération de tension (HVGN) pour générer une tension de polarisation (HV) supérieure à une tension de claquage d'une jonction PN de chaque photodiode, le dispositif de détection étant configuré pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 8.
10. 10. Dispositif selon la revendication 9, comprenant un circuit de détection de référence (RSA) comprenant plusieurs photodiodes à avalanche à unique photon (PH D), couplées optiquement au circuit d'émission (EMU) pour détecter un instant d'émission de chaque impulsion émise du faisceau incident.
11. 11. Dispositif selon la revendication 9 ou 10, comprenant un premier circuit de synchronisation (ADL1) pour synchroniser le début de chaque impulsion d'un premier signal (ADP1) ayant la fréquence d'émission des impulsions du faisceau incident (LFD), sur un instant moyen de déclenchement d'avalanche dans les photodiodes (PHD), le circuit de synchronisation comprenant un déphaseur (PHS) recevant en entrée un signal de commande (ECM) d'une source (EMU) émettant le faisceauincident (LFD), et fournissant le premier signal, deux portes logiques ET (AG1, AG2) recevant chacune en entrée le premier signal et un signal de détection comportant une impulsion à chaque fois qu'une des photodiodes se déclenche en avalanche, la sortie des portes ET commandant respectivement la charge ou la décharge d'un condensateur (C1) selon qu'une impulsion du signal de détection apparaît pendant ou en dehors d'une impulsion du premier signal, la tension aux bornes du condensateur commandant le déphaseur, le dispositif comprenant un comparateur (CP1) pour comparer le premier signal à un second signal (ADP2, ECM) ayant la fréquence du signal de commande, et un circuit de mesure de durée (TCM) pour mesurer une durée à l'état haut du signal de sortie du comparateur.
12. 12. Dispositif selon la revendication 11, comprenant un second circuit de synchronisation (ADL2) pour synchroniser le début de chaque impulsion du second signal (ADP2) ayant la fréquence d'émission des impulsions du faisceau incident (LFD), sur un instant moyen de déclenchement d'avalanche dans des photodiodes (PHD) polarisées en inverse d'une unité de référence (RSA) couplée optiquement à la source émettrice du faisceau incident, pour déterminer des instants d'émission des impulsions du faisceau incident.