FR3097652A1 - Lidar à axicon - Google Patents

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Abstract

TITRE : Lidar à axicon Lidar comportant un émetteur pour émettre un faisceau laser (3) dans un chemin d’émission et un détecteur pour détecter le faisceau laser réfléchi dans un chemin de détection. Un premier axicon (1) est installé dans le champ d’émission pour générer un profil annulaire de faisceau laser (4) à partir du faisceau laser émis (3). Figure 4

Description

Lidar à axicon
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention se rapporte à un lidar comportant un émetteur pour émettre un faisceau laser selon un chemin d’émission et un détecteur pour détecter le faisceau laser réfléchi dans un chemin de détection.
ETAT DE LA TECHNIQUE
De tels lidar sont connus et prennent de plus en plus d’importance pour la détection de l’environnement (champ environnant) de véhicule ou de robot. On connait différentes formes de réalisation de lidar. Ils ont en commun d’émettre un faisceau optique (généralement un faisceau laser ayant une longueur d’onde dans le domaine de l’infrarouge) à l’aide d’un émetteur selon un chemin d’émission. Ce faisceau laser émis est réfléchi par des objets et à l’aide d’un détecteur on détecte le faisceau laser réfléchi dans le chemin de détection. A partir du faisceau laser détecté on détermine la présence, la distance et le cas échéant la vitesse des objets éclairés. Le lidar mesure la distance entre un objet éclairé, par exemple, en mesurant le temps de parcours (encore appelé temps ToF du faisceau laser émis : l’émetteur émet le faisceau laser dans le chemin d’émission qui se propage vers l’objet pour y être réfléchi ; la lumière réfléchie se propage dans le chemin de détection et est détectée par le détecteur pour être exploitée.
L’utilisation de la mesure du temps de parcours permet au lidar, à l’aide de l’instant de l’émission et celui de la détection du faisceau laser, de déterminer le temps de parcours et en tenant compte de la vitesse de la lumière, et d’obtenir la distance de l’objet par rapport au détecteur. D’autres procédés sont également connus. Ils reposent principalement sur une mesure indirecte du temps de parcours par modulation de l’intensité du faisceau laser, c’est-à-dire directement de la fréquence du faisceau laser. Cela permet, par exemple, de combiner la modulation de fréquence et la détection cohérente (ondes continues, cohérentes, modulées en fréquence, désignées par l’abréviation FMCW).
De tels laser ont une portée, une résolution et un champ de vision (FoV) qui constituent les paramètres principaux décrivant la puissance du lidar. En particulier, la portée dépend entre autres de la puissance du faisceau laser émis. Plus cette puissance est grande et plus grande sera la portée possible. Toutefois, les lidar doivent être des produits sûrs. Pour cela, les détecteurs doivent répondre à des règles de sécurité oculaire. Pour cela, il faut limiter la puissance du faisceau laser émis. Mais cela limite alors la portée du lidar. La portée d’un lidar est entre autres limitée en ce qu’en fonction de la distance de l’objet, le nombre de photons du faisceau laser renvoyé par le détecteur diminue. Cela provient de l’absorption ou de la diffusion du faisceau laser émis. Dans ces conditions, il n’est pas toujours possible de prouver à partir du faisceau laser réfléchi ou de l’exploitation des signaux ainsi générés dans le détecteur, si un objet se trouve à une certaine distance. En augmentant la puissance du faisceau laser émis, on peut, certes, augmenter la portée du lidar. Mais cette puissance est limitée par la nécessité d’assurer la sécurité oculaire, en particulier, pour des longueurs d’onde inférieures à 1,4 µm. Pour de telles longueurs d’onde, le faisceau laser traverse la cornée et le cristallin de l’œil humain et peut se focaliser sur la rétine sensible. Or, cette focalisation par le cristallin se traduit par une densité de puissance augmentée jusqu’à un coefficient de 80.000.
EXPOSE ET AVANTAGES DE L’INVENTION
La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et a ainsi pour objet un lidar comportant un émetteur pour émettre un faisceau laser dans un chemin d’émission et un détecteur pour détecter le faisceau laser réfléchi dans un chemin de détection, ce lidar étant caractérisé en ce qu’au moins un premier axicon est installé dans le champ d’émission pour générer un profil annulaire de faisceau laser à partir du faisceau laser émis.
AVANTAGES DE L’INVENTION
Le lidar selon l’invention a l’avantage qu’à l’aide du premier axicon on génère dans le champ proche de celui-ci, du fait des effets de réfraction, un faisceau laser analogue à un faisceau en mode de Bessel. Ce faisceau a l’avantage que son profil d’intensité reste constant sur une longueur caractéristique. Dans le champ éloigné du premier axicon, le faisceau laser émis est transformé en un faisceau ayant un profil annulaire. Le champ proche du premier axicon est séparé par une longueur caractéristique dans la direction de propagation du faisceau laser en aval du premier axicon par rapport au champ éloigné de ce premier axicon. Au-delà de cette longueur caractéristique dans la direction de propagation du faisceau laser commence le champ éloigné. Cette longueur caractéristique se situe dans le champ proche.
La longueur caractéristique du premier axicon se règle par le choix de l’angle de l’axicon. Ainsi, le profil annulaire du faisceau laser généré par le premier axicon se répercute de manière positive sur la sécurité oculaire. L’intensité du faisceau laser émis n’est pas focalisée en un point mais est répartie sur le profil annulaire du faisceau laser. Pour la sécurité oculaire, on considère le cas d’une pupille humaine ouverte au maximum avec un diamètre de 7 mm. Pour le faisceau laser on a l’énergie incidente, maximale lorsque la pupille est centrée sur le faisceau laser et que ce faisceau laser a, par exemple, un profil de Gauss ou un profil TopHat (dénomination consacrée). En revanche, dans le cas d’un faisceau laser à profil annulaire, la fraction de la puissance entrant par la pupille est très faible. Ainsi, l’élargissement extra-oculaire (en considérant la puissance émise de l’ensemble du faisceau laser en relation avec le faisceau laser entrant dans l’œil) pour un faisceau laser ayant un profil annulaire se répercute positivement sur la puissance autorisée du faisceau laser. L’augmentation de la puissance ainsi possible améliore la portée du lidar. Si cette puissance augmentée n’est pas utilisée directement, un tampon plus important permet d’appliquer des circuits de sécurité et de détection de défaut simplifiée.
Il est également possible d’avoir, dans le champ éloigné du premier axicon, une lentille, un élément holographique optique ou un second axicon pour collimater le faisceau laser à profil annulaire.
La lentille, l’élément optique holographique ou le second axicon servent à collimater le profil annulaire (élargi) du faisceau laser. Ce profil annulaire (élargi) du faisceau laser génère de nouveau un faisceau laser à propagation horizontale. Mais on peut également avoir une certaine divergence.
Selon un développement particulier, la lentille, l’élément holographique optique et le second axicon sont disposés dans le champ éloigné du premier axicon pour que le profil annulaire du faisceau laser soit collimaté dans sa direction d’extension derrière l’ouverture de sortie de la lentille, de l’élément optique holographique et du second axicon.
La colimaçon du faisceau laser annulaire après l’ouverture de sortie de la lentille, de l’élément optique holographique ou du second axicon représentent un cas spécial pratique, significatif dans lequel le détecteur du lidar s’appuie sur une détection cohérente du faisceau laser réfléchi. Cela est notamment le cas d’un lidar de type FMCW (onde modulée en fréquence).
En variante, de façon avantageuse, un élément optique est prévu dans le chemin d’émission pour générer un profil de faisceau laser avec une impulsion de rotation de trajet.
En plus de la génération d’un profil annulaire pour le faisceau laser, un second aspect se répercute de manière positive sur la sécurité oculaire. Il s’agit de générer un profil de faisceau laser avec une impulsion de rotation de trajet. Ainsi, le faisceau laser qui traverse le cristallin et arrive sur la rétine sera réparti sur une surface aussi grande que possible pour que la densité de puissance (W/m2) soit aussi faible que possible. Ainsi, la rétine est moins chauffée ou est moins exposée à une puissance ou énergie par unité de surface de façon à ne pas former de cloques si, selon les paramètres du faisceau laser, on se trouve dans la plage de dommages thermomécaniques. Cette extension intraoculaire (considérant le faisceau laser incident dans l’œil du point de vue du profil du faisceau arrivant sur la rétine) se traduit dans le respect de la sécurité oculaire à une plus grande extension angulaire de la source apparente et ainsi par un plus grand coefficient de correction C6 qui, lui-même, augmente de façon linéaire la valeur limite du rayonnement incident (valeur limite GZS).
Selon un développement préférentiel de l’invention, le profil de faisceau laser avec impulsion de rotation de trajet est un faisceau laser Laguerre-Gauss ou un faisceau laser Hermite-Gauss.
Pour que le faisceau laser arrivant dans l’œil n’arrive pas sous la forme d’un point, on utilise, par exemple, un faisceau laser Laguerre-Gauss ou un faisceau laser Hermite-Gauss. L’avantage est que la puissance se répartit sur une plus grande surface de la rétine et ainsi le seuil de risque pour la rétine n’apparaît que pour des puissances globales plus grandes que dans le cas d’un faisceau laser Gauss. De manière particulièrement avantageuse, le faisceau laser est un faisceau Laguerre-Gauss (I≠0, p=0) car le motif d’intensité se développe sous la forme d’anneaux I-homogènes. Cela correspond également à un moment cinétique orbital (oam) du faisceau. Par segments, on modifie la phase du faisceau laser, ce qui se traduit par un profil annulaire imbriqué.
Enfin, il est avantageux que l’élément optique soit un élément optique diffractant ou un hologramme de préférence un hologramme Pitchfork.
De tels éléments optiques sont peu coûteux à fabriquer. En particulier, les hologrammes en forme de dent sont utilisés de préférence car, selon l’ordre de diffraction, ils génèrent un pur faisceau laser Laguerre-Gauss alors que les composantes du faisceau laser (ondes plates) non complètement converties peuvent être piégées. Ils sont particulièrement sûrs car en cas d’endommagement, ils ne génèrent absolument plus de faisceau laser dans la direction de diffraction. Il est possible de focaliser par la combinaison d’une lentille de Fresnel avec le même composant.
Enfin, de manière avantageuse, l’élément optique est réalisé au moins sous la forme d’une plaque de phase, spiraele ou d’une lentille Vortex (marque déposée).
Ces éléments optiques sont disponibles dans le commerce et présentent, selon leur qualité, une efficacité de conversion poussée. D’autres possibilités de prévoir un élément optique sont, par exemple, des combinaisons de lentilles cylindriques, de modulateurs de lumière spatiale, de plaques Q ou autres composants de forme.
La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l’aide d’exemples de lidar, représentés dans les dessins annexés dans lesquels :
représentation schématique d’un axicon selon l’état de la technique,
représentation schématique du profil d’un faisceau laser (faisceau laser émis) réparti sur une surface circulaire et du profil du faisceau laser annulaire avec une pupille humaine,
représentation schématique d’un premier axicon et d’un second axicon pour collimater le profil de faisceau laser de forme annulaire, et
représentation schématique d’un profil de faisceau laser annulaire en combinaison avec un profil de faisceau laser entaché d’une impulsion de rotation de trajet.
DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTION
La montre un premier axicon avec un angle d’axicon 2. Le faisceau laser émis 3 arrive sur le premier axicon 1 qui le développe avec un profil annulaire de faisceau laser 4. Une première longueur caractéristique 5 définit le champ proche du premier axicon 1 ; une seconde longueur caractéristique 6 définit le champ éloigné de cet axicon. Ces longueurs caractéristiques 5, 6 peuvent être influencées par le choix de l’angle d’axicon 2. Un tel premier axicon 1 peut, par exemple, être installé dans un chemin d’émission d’un lidar. De telles mesures sont fournies par un laser fonctionnant avec une puissance relativement élevée car l’extension du faisceau laser 3 sous la forme d’un profil annulaire de faisceau laser 4 se répercute de manière positive sur la sécurité oculaire d’un utilisateur du lidar.
Cela est notamment représenté à la . A gauche on a représenté la distribution locale d’intensité d’un faisceau laser émis 3 sans utiliser le premier axicon 1. L’énergie maximale reçue pour ce faisceau laser 3 est celle lorsque la pupille 7est située au milieu du faisceau laser 3 et que le faisceau laser 3 a, par exemple, un profil « TopHat » (expression consacrée) ou un profil de Gauss. A droite on a la répartition locale de l’intensité dans un profil annulaire de faisceau laser 4 généré par un premier axicon 1.
Il apparait clairement que la fraction du faisceau laser 3, 4 reçu par la pupille 7 d’un œil humain dans l’utilisation d’un premier axicon 1 pour étendre le faisceau laser émis 3 est réduit de manière significative. L’extension extraoculaire du faisceau laser 3 sous la forme d’un profil annulaire de faisceau laser 4 se répercute ainsi de manière positive sur la puissance admise. On a une plus grande puissance sans augmenter le risque oculaire. Cela se traduit par une meilleure portée du lidar équipé du premier axicon 1 dans le chemin d’émission.
Il peut être nécessaire, le cas échéant, dans un lidar de régler le profil annulaire de faisceau laser 4 pour collimater, c’est-à-dire d’avoir une divergence souhaitée. Cela peut être important, notamment si le détecteur d’un lidar repose sur une détection cohérente comme cela est, par exemple, le cas d’un lidar du type FMCW. Cette collimation s’obtient grâce à un second axicon 8. Cet exemple est représenté à la . On génère un profil de faisceau laser 9 annulaire concentré. Le premier axicon 1 génère le profil annulaire de faisceau laser 4 dans le champ éloigné, le second axicon 8 permet alors de régler des diamètres annulaires quelconques. Cela peut également se faire en faisant varier la position du second axicon 8 sur l’axe optique.
Enfin, il est possible d’augmenter encore plus la sécurité oculaire en répartissant la puissance du profil de forme annulaire du faisceau laser 4 sur une plus grande surface de la rétine de la pupille 7 et ainsi de n’atteindre localement le seuil de dommages du tissu seulement pour des puissances globales encore plus élevées que dans le cas du faisceau laser Gauss. On arrive à cet avantage en générant un faisceau laser Laguerre-Gauss ou un faisceau laser Hermite-Gauss. Le faisceau laser Laguerre-Gauss (I≠0, p=0) est particulièrement avantageux car le motif d’intensité se déploie comme anneau homogène I. Dans ce contexte, il est question de moment cinétique orbital de la lumière. La concentration d’un tel faisceau de lumière de Laguerre-Gauss forme sur la rétine un anneau et non pas un point que l’on aurait dans le cas d’un faisceau laser de Gauss.
La montre un profil annulaire de lumière laser 4 avec un faisceau laser de Laguerre-Gauss du premier ordre dont le front de phase varie de manière azimutale et qui forme des anneaux lors du regroupement. On génère ainsi un profil de lumière laser 10 affecté d’une impulsion de rotation de trajet.
NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX
1 Premier axicon
2 Angle d’axicon
3 Faisceau laser émis
4 Profil de faisceau laser annulaire
5 Première longueur caractéristique du champ proche
6 Seconde longueur caractéristique
7 Pupille
8 Second axicon
9 Profil annulaire de faisceau laser

Claims (7)

  1. Lidar comportant un émetteur pour émettre un faisceau laser (3) dans un chemin d’émission et un détecteur pour détecter le faisceau laser réfléchi dans un chemin de détection,
    lidar caractérisé en ce qu’au moins un premier axicon (1) est installé dans le champ d’émission pour générer un profil annulaire de faisceau laser (4) à partir du faisceau laser émis (3).
  2. Lidar selon la revendication 1, selon lequel dans un champ éloigné du premier axicon (1) il y a au moins un élément holographique optique, une lentille ou un second axicon (8) pour concentrer le profil annulaire (4) de lumière laser.
  3. Lidar selon la revendication 2, dans lequel la lentille, l’élément holographique optique ou le second axicon (8) sont installés dans le champ éloigné du premier axicon (1) de façon que le profil annulaire du faisceau laser (4) dans sa direction d’extension derrière respectivement l’ouverture de sortie de la lentille de l’élément holographique optique ou du second axicon (8) soit concentré.
  4. Lidar selon l’une des revendications 1 à 3, selon lequel dans le chemin d’émission on a au moins un élément optique pour générer un profil de faisceau laser (10) entaché d’une impulsion de rotation de trajet à partir du faisceau laser (4) émis.
  5. Lidar selon la revendication 4, selon lequel le profil de lumière laser (10) affecté d’une impulsion de rotation de trajet comporte un faisceau laser Laguerre-Gauss ou un faisceau laser Hermite-Gauss.
  6. Lidar selon l’une des revendications 4 ou 5, selon lequel l’élément optique est un élément optique difractant ou un hologramme de préférence un hologramme en forme de dent.
  7. Dispositif lidar selon l’une des revendications 4 ou 5, dans lequel l’élément optique est prévu comme plaque de phase de spirale.
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