FR3103573A1 - Capteur Lidar - Google Patents

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Abstract

TITRE : Capteur Lidar Lidar (1) comprenant une unité optique émettrice (2) d’un faisceau de balayage (3) dans son axe optique (4), et une unité optique réceptrice (5) recevant le faisceau de balayage réfléchi (6). L’unité optique réceptrice (5) ayant une direction primaire de réception orientée selon l’axe optique (7) de l’unité optique réceptrice (5). Une optique de déflexion (8) a une première (9) et une seconde surface de miroir (10) ; l’axe optique (4) de l’unité optique émettrice (2) est orienté sur la première surface de miroir (9) et l’axe optique (7) de l’unité optique réceptrice (5) est orienté sur la seconde surface de miroir (10). L’unité émettrice (2) avec l’unité réceptrice (5) sont installées dans le chemin optique du capteur Lidar (1) sur un premier côté commun de l’optique de déflexion (8). Une unité de balayage (11) dans le chemin optique du capteur Lidar (1) sur un second côté de l’optique de déflexion (8) dirige le faisceau de balayage (3), réfléchi par l’optique de déviation, dans des directions différentes pour détecter le champ environnant du capteur Lidar (1) avec le faisceau de balayage (3) et diriger le faisceau de balayage (6) réfléchi sur l’optique de déflexion (8). Figure 1

Description

Capteur Lidar
DOMAINE DE L’INVENTION
La présente invention se rapporte à un capteur Lidar comportant une unité optique émettrice, une unité optique réceptrice et une unité de balayage.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Actuellement, dans le domaine automobile, on a principalement des capteurs Lidar conçus pour les systèmes d’assistance de conduite. Ces capteurs Lidar ont souvent un champ de vision orienté vers l’avant. Ils ont certes un grand champ de vision horizontal mais la portée diminue fortement de l’écartement par rapport à l’axe médian.
Pour l’utilisation de capteurs Lidar pour la conduite autonome, les systèmes de véhicules d’essai utilisent un rotor actif. Ces systèmes ont naturellement un très grand angle horizontal d’ouverture et une portée constante sur cet angle d’ouverture. Mais ces systèmes ont plusieurs inconvénients pour leur application en série aux véhicules. C’est ainsi qu’une partie de l’électronique est rotative par rapport à l’autre partie. Ainsi, il faut des moyens électroniques considérablement plus importants y compris l’énergie et la transmission de données entre le stator et le rotor. Cela augmente le coût et réduit la durée de vie. De plus, les exigences relatives à la stabilité du capteur Lidar du fait des vibrations générées par le véhicule se traduisent par une construction difficile de rotor. Pour cela, il faut des paliers de grandes dimensions et un moteur très puissant. De plus, l’électronique du rotor ne peut être refroidie que par l’air passant dans le capteur Lidar. Aux températures limites données pour les composants électroniques, la température de boîtier, autorisée pour le capteur Lidar sera généralement beaucoup trop faible. En combinaison avec la forte consommation de puissance, les exigences relatives au refroidissement du véhicule restent néanmoins très importantes et le capteur Lidar constructible actuellement est très grand, ce qui est difficile pour son intégration dans un véhicule.
De plus, dans un tel capteur Lidar à rotor actif, l’origine du système de détection se trouve sur l’axe médian du capteur. C’est pourquoi il faut laisser dégagée une plage importante autour du capteur Lidar sur la carrosserie du véhicule si ce capteur Lidar est appliqué à un véhicule.
EXPOSE ET AVANTAGES DE L’INVENTION
La présente invention a pour objet un capteur Lidar comprenant une unité optique émettrice émettant un faisceau de balayage dans la direction de l’axe optique de l’unité optique émettrice, une unité optique réceptrice recevant le faisceau de balayage, réfléchi, après que le faisceau de balayage ait été réfléchi dans l’environnement du capteur Lidar, l’unité optique réceptrice ayant une direction primaire de réception orientée selon l’axe optique de l’unité optique réceptrice, une optique de déflexion ayant une première surface de miroir et une seconde surface de miroir, l’axe optique de l’unité optique émettrice étant orientée sur la première surface de miroir et l’axe optique de l’unité optique réceptrice étant orientée sur la seconde surface de miroir, l’unité optique émettrice avec l’unité optique réceptrice étant installées dans le chemin optique du capteur Lidar sur un premier côté commun de l’optique de déviation, une unité de balayage dans le chemin optique du capteur Lidar sur un second côté de l’optique de déviation et conçu pour diriger le faisceau de balayage, réfléchi par l’optique de déviation, dans des directions différentes pour détecter le champ environnant du capteur Lidar avec le faisceau de balayage et diriger le faisceau de balayage réfléchi en retour sur l’optique de déviation.
L’unité optique émettrice est notamment un laser qui émet le faisceau de balayage. L’axe optique de l’unité optique émettrice est ainsi défini dans la direction correspondant à la direction centrale de développement du faisceau de balayage. L’unité optique réceptrice comprend un capteur optique qui est notamment conçu pour recevoir une lumière de longueur d’onde donnée émise par l’unité optique émettrice. L’unité optique réceptrice a une direction d’entrée primaire le long de l’axe optique du récepteur optique. Cela signifie que l’unité optique réceptrice doit être orientée dans une certaine direction pour permettre de détecter la lumière incidente autour de cette direction. La direction est la direction primaire de réception. L’axe optique de l’unité optique réceptrice est aligné sur cette direction primaire réceptrice. Si l’unité optique émettrice et/ou l’unité optique réceptrice comportent une lentille installée devant une plage d’émission et de réception active de l’unité optique émettrice ou de l’unité optique réceptrice, alors l’axe optique de l’unité optique émettrice ou l’unité optique réceptrice correspond à l’axe des lentilles installées devant les unités.
Le faisceau de balayage réfléchi provient du faisceau de balayage après diffraction de celui-ci dans l’environnement du capteur Lidar. Le faisceau de balayage réfléchi est ainsi la partie réfléchie du faisceau de balayage.
L’optique de déviation comprend un ou plusieurs éléments optiques appropriés pour influencer le trajet du faisceau de balayage émis et du faisceau de balayage réfléchi, reçu. Ainsi, l’optique de déviation comporte une première surface de miroir et une seconde surface de miroir. La première surface de miroir est, de préférence la surface de dessus du premier miroir et la seconde surface de miroir est, de préférence la surface de dessus d’un second miroir. En option, la première surface de miroir et la seconde surface de miroir sont des parties différentes de la surface de miroir commune d’un unique miroir. L’unité optique d’émission avec l’unité optique de réception selon un premier chemin optique du capteur Lidar sont sur un premier côté commun de l’optique de déviation. Cela signifie que l’unité optique émettrice et l’unité optique réceptrice sont orientées à partir d’un côté commun sur l’optique de déviation. Le chemin optique est entre un chemin optique émetteur ou un chemin optique récepteur. En particulier, le chemin optique combine le chemin optique émetteur et le chemin otique récepteur. La partie commune est définie par une première direction commune à partir de laquelle le faisceau laser arrive sur l’optique de déviation qui réfléchit le faisceau laser vers l’unité d’entrée optique. Le chemin optique du capteur Lidar est une combinaison entre l’unité d’émetteur optique avec la propriété optique par l’intermédiaire de l’optique de déviation et de l’unité de balayage jusqu’à ce que le faisceau de balayage sort du capteur Lidar et le faisceau de balayage réfléchi sort du capteur Lidar.
L’unité de balayage est dans le chemin optique du capteur Lidar sur le second côté de l’optique de déviation. Cela signifie que le faisceau de balayage de l’unité optique émettrice est projeté par la première surface de miroir de l’optique de déviation sur l’unité de balayage. De façon inverse, le faisceau de balayage réfléchi est projeté par l’unité de balayage sur la seconde surface de miroir de l’optique de déviation qui le réfléchit sur l’unité optique réceptrice. L’unité de balayage est notamment un système de miroirs tournants ou pivotants.
Comme l’unité optique émettrice et l’unité optique réceptrice sont orientées dans la même direction sur l’optique de déviation, il peut arriver que la lumière émise par l’unité optique émettrice comme faisceau de balayage, soit directement réfléchie par l’unité optique réceptrice qui sera alors éblouie pendant un certain temps. C’est pourquoi, il est avantageux que l’unité optique réceptrice soit une unité réceptrice ayant un temps de régénération particulièrement réduit et notamment qu’il s’agit d’un récepteur à base de SPAD (Diode à effet d’avalanche déclenchée par un photon individuel). De cette manière, le chemin d’émission et le chemin de réception du capteur Lidar pourront être regroupés d’une manière particulièrement compacte. On obtient ainsi un capteur Lidar particulièrement compact. En outre, la disposition selon l’invention de l’unité optique émettrice avec l’unité optique réceptrice par rapport à l’unité de balayage crée un système particulièrement compact car la surface de base d’un tel capteur Lidar est très réduite. Ainsi, l’axe optique de l’unité optique émettrice et celui de l’unité optique réceptrice ne sont pas dirigés directement sur l’unité de balayage. Cette unité de balayage peut ainsi être placée à côté de l’unité optique émettrice et de l’unité optique réceptrice et le faisceau de balayage, c’est-à-dire le faisceau de balayage réfléchi sera dirigé par l’optique de déviation sur l’unité de balayage.
L’optique de déviation dévie le chemin optique du faisceau de balayage émis et du faisceau de balayage réfléchi de façon à dévier le faisceau de balayage dans une certaine direction sur l’unité de balayage selon l’axe optique de l’unité optique émettrice en partant de cette unité. De façon correspondante, le faisceau de balayage réfléchi est dévié par l’optique de déviation sur l’axe optique de l’unité optique réceptrice si celui-ci est réfléchi en venant d’une direction déterminée de l’unité de balayage sur l’optique de déviation.
On réalise ainsi un capteur Lidar ayant une plage de visée horizontale particulièrement grande. La plage de visée est la plage dans l’environnement du capteur Lidar qui sera détectée par le faisceau de balayage du capteur Lidar. Le faisceau de balayage du capteur Lidar parcourt la plage de visée dans la direction horizontale car le faisceau est déplacé dans cette direction par l’unité de balayage. La direction horizontale est ainsi notamment une direction perpendiculaire à l’axe de rotation de l’unité de balayage. La plage de visée horizontale est particulièrement grande car grâce à l’optique de déviation l’unité optique émettrice et l’unité optique réceptrice sont disposées pour ne pas limiter la plage de visée. Cela permet d’avoir une plage de visée particulièrement grande avec une portée pratiquement constante pour une plage de visée verticale relativement grande.
Un capteur Lidar avec un miroir tournant ne convenait pas jusqu’à présent pour une réalisation ayant une portée constante car dans la technique actuelle, la plage optique d’émission et celle de réception doivent être strictement séparées par ce que le récepteur (c’est-à-dire l’optique d’amplification) a un temps de récupération relativement long et ainsi le couplage émission-réception dans le capteur a une plage morte relativement grande dans l’environnement proche du capteur. Le capteur Lidar selon l’invention garantit une portée importante et permet aussi d’avoir une grande ouverture d’émission permettant de répondre aux exigences et aux limites de la classe de laser 1 et permettant également une grande ouverture de réception pour recevoir autant de lumière que possible en provenance de la destination. On évite ainsi un encombrement pour la plage d’émission et de réception inutilement grand pour un champ de vision vertical important car jusqu’alors la séparation entre la plage d’émission et la plage de réception demandait beaucoup de place.
De façon préférentielle, l’axe optique de l’unité optique émettrice est parallèle à l’axe optique de l’unité optique réceptrice cela signifie que l’unité optique émettrice et l’unité optique réceptrice sont orientées dans la même direction ce qui permet une construction particulièrement compacte du capteur Lidar.
De façon avantageuse, l’angle d’incidence entre l’axe optique de l’unité optique émettrice et la première surface de miroir est égal à 45° ou est inférieur à 45° et/ou l’angle d’incidence entre l’axe optique de l’unité optique réceptrice et la seconde surface de miroir est égal à 45° ou est inférieur à 45°. En particulier, si l’angle d’incidence est inférieur à 45°, l’unité de balayage peut chevaucher en grande partie l’unité optique émettrice et/ou l’unité optique réceptrice ce qui réduit l’encombrement nécessaire dans le boîtier du capteur Lidar. Cela est notamment vrai si l’angle d’incidence entre l’axe optique de l’unité optique émettrice et la première surface de miroir est inférieur à 45° et qu’en même temps l’angle d’incidence entre l’axe optique de l’unité optique réceptrice et la seconde surface de miroir est inférieur à 45° et qu’ainsi les axes optiques de l’unité optique émettrice et de l’unité optique réceptrice sont parallèles. L’angle d’incidence est alors l’angle compris entre une perpendiculaire à l’une des surfaces de miroir et l’axe optique dirigé sur celle-ci.
Il est avantageux que l’axe de rotation de l’unité de balayage le long de la direction de l’axe optique de l’unité optique émettrice, parte du point où l’axe optique de l’unité optique émettrice arrive sur la première surface de miroir, soit situé sur le côté de la première surface de miroir sur laquelle se trouve également l’unité optique émettrice, et/ou
que l’axe de rotation de l’unité de balayage soit le long d’une direction de l’axe optique de l’unité optique réceptrice, partant du point où l’axe optique de l’unité optique réceptrice arrive sur la seconde surface de miroir, sur le côté de la première surface de miroir sur lequel se trouve également l’unité optique réceptrice.
En d’autres termes, cela signifie que l’axe de rotation de l’unité de balayage est disposé pour à la fois le faisceau de balayage partant de l’unité optique émettrice et le faisceau de balayage réfléchi vers l’unité optique réceptrice soient réfléchis dans le même angle aigu de la surface de miroir respective de l’optique de déviation pour arriver sur l’unité de balayage. En fonction de la distance entre l’optique de déviation et l’unité de balayage, cette unité de balayage peut être déplacée le long des axes optiques dans le capteur Lidar sur un côté de l’unité optique émettrice ou de l’unité optique réceptrice. On peut ainsi optimiser la forme du boîtier du capteur Lidar pour avoir un capteur Lidar aussi compact que possible.
En outre, il est avantageux que l’axe optique de l’unité optique émettrice et/ou que l’axe optique de l’unité optique réceptrice soient parallèles au plan de rotation de l’unité de balayage. Le plan de rotation est le plan contenant le champ de vision du capteur Lidar. Le plan de rotation est ainsi un plan perpendiculaire à l’axe de rotation de l’unité de balayage ; l’unité de balayage est notamment un système de miroirs tournants ou un système de miroirs pivotants. L’axe optique de l’unité optique émettrice et l’axe optique de l’unité optique réceptrice sont disposés de manière caractéristique dans les plans de rotation différents de l’unité de balayage, ces plans étant parallèles. En particulier, l’axe de rotation de l’unité de balayage est perpendiculaire à l’axe optique de l’unité optique réceptrice et/ou à l’axe optique de l’unité optique émettrice.
Suivant une autre caractéristique avantageuse, l’unité optique de balayage est un laser linéaire et la ligne du laser linéaire est parallèle à l’axe de rotation de l’unité de balayage. Cela signifie que le faisceau de balayage a une forme de faisceau linéaire ; le faisceau de balayage se déplace selon un angle droit par rapport à l’orientation de la forme linéaire du faisceau de balayage. Ainsi, on détecte une plage dans le champ environnant du capteur Lidar et le mouvement du faisceau laser de l’unité de balayage autour de l’axe de rotation de cette unité de balayage est suffisant pour saisir des points dans plusieurs plans. On peut ainsi utiliser les plages réfléchissantes de l’unité de balayage en commun pour le faisceau de balayage émis et le faisceau de balayage réfléchi. En d’autres termes, cela signifie qu’un miroir de l’unité de balayage sera touché sur toute sa surface par l’unité otique émettrice, c’est-à-dire que le faisceau de balayage de forme linéaire atteindra également des plages de l’unité de balayage utilisées pour dévier le faisceau de balayage réfléchi sur l’unité de déviation. On utilise ainsi une surface de miroir particulièrement grande pour renvoyer suffisamment de lumière vers l’unité optique réceptrice.
Il est également avantageux que le chemin optique d’émission et le chemin optique de réception du capteur Lidar soient imbriqués entre l’unité de balayage et l’optique de déviation. Cela signifie qu’il est avantageux que le chemin du faisceau de balayage coupe le chemin du faisceau de balayage réfléchi. Cela permet une construction particulièrement compacte du capteur Lidar.
En outre, il est avantageux que l’axe optique de l’unité optique d’émission soit décalé dans une direction de l’axe de rotation de l’unité de balayage sur l’axe optique de l’unité optique réceptrice. En d’autres termes, cela signifie que l’axe optique de l’unité optique émettrice et l’axe optique de l’unité optique réceptrice sont dans des plans différents, tous deux perpendiculaires à l’axe de rotation de l’unité de balayage. Ainsi, l’unité optique émettrice et l’unité optique réceptrice sont dans des plans différents du capteur Lidar. Si l’on considère l’axe de rotation comme axe vertical du capteur Lidar, alors l’unité optique émettrice et l’unité optique réceptrice sont superposées. Cela permet de réduire au minimum la surface de base du capteur Lidar. En variante, l’unité optique émettrice et l’unité optique réceptrice sont juxtaposées dans un plan commun du capteur Lidar. Ainsi, l’axe optique de l’unité optique émettrice et l’axe optique de l’unité optique réceptrice sont dans un plan commun perpendiculaire à l’axe de rotation de l’unité de balayage.
Il est en outre avantageux que la distance minimale de l’axe optique de l’unité optique émettrice à l’axe de rotation de l’unité de balayage ne soit pas égale à la distance minimale de l’axe optique de l’unité optique réceptrice à l’axe de rotation de l’unité de balayage. Cela signifie que l’unité optique émettrice est, de préférence, plus ou moins éloignée de l’unité de balayage, c’est-à-dire de l’unité optique réceptrice. Ainsi, l’unité optique émettrice et l’unité optique réceptrice sont, de préférence juxtaposées. Cela signifie que l’unité optique émettrice et l’unité optique réceptrice, si l’on considère leurs axes optiques, sont, de préférence, décalées en diagonale l’une par rapport à l’autre si l’on considère l’axe de rotation de l’unité de balayage comme axe vertical du capteur Lidar. En particulier, si l’unité optique émettrice et l’unité optique réceptrice ont une construction cylindrique, avec comme axe de cylindre, l’axe optique respectif, alors l’unité optique émettrice et l’unité optique réceptrice peuvent être rapprochées d’une manière particulièrement serrée ce qui réduit au minimum l’encombrement du capteur Lidar. L’unité optique émettrice et l’unité optique réceptrice sont de préférence directement juxtaposées.
Il est également avantageux que le capteur Lidar comporte une unité de nettoyage pour nettoyer la fenêtre de vision du capteur Lidar, cette unité de nettoyage étant disposée derrière l’optique de déviation en partant de l’unité optique émettrice et de l’unité optique réceptrice. Comme le faisceau laser émis par l’unité optique émettrice ne rencontre pas cette zone car il est dévié en amont par l’optique de déviation, il n’est pas nécessaire de laisser dégagée cette zone de la fenêtre de vision pour éviter de couper le faisceau laser. Ainsi, cette zone convient tout particulièrement pour loger l’unité de nettoyage puisque cette zone n’est pas nécessaire en tant que telle. L’unité de nettoyage est, en particulier, une unité de balayage, par exemple, un balai d’essuie-glace.
Suivant une autre caractéristique avantageuse, le capteur Lidar comporte un boîtier avec une fenêtre de vision et le faisceau laser est émis à travers cette fenêtre pour arriver dans l’environnement du capteur Lidar ; la fenêtre de vision a une courbure et l’axe de rotation de l’unité de balayage est situé pour que l’amplitude de rotation de l’unité de balayage se trouve dans un espace situé à l’intérieur de la courbure de la fenêtre de vision. Cet espace dans la courbure de la fenêtre de vision est l’espace entre la fenêtre de vision et une droite reliant directement deux points de la fenêtre de vision. La fenêtre de vision est ainsi courbée autour de l’unité de balayage ce qui réduit d’autant l’encombrement nécessaire dans le boîtier du capteur Lidar.
Suivant une autre caractéristique avantageuse, la portée du capteur Lidar est variable dans son champ de vision, en particulier, la portée du capteur Lidar est plus faible dans la zone latérale du champ de vision que dans sa zone centrale. La zone latérale est, notamment, la zone latérale dans la direction horizontale du champ de vision. Cela permet de réaliser un capteur Lidar très compact.
La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l’aide d’un exemple de capteur Lidar selon l’invention :
représentation schématique d’un capteur Lidar selon une forme de réalisation de l’invention,
représentation schématique du chemin optique du faisceau de balayage et du chemin optique du faisceau de balayage réfléchi dans le capteur Lidar selon l’invention,
représentation schématique d’une vue de face du capteur Lidar, et
autre mode de réalisation du capteur Lidar selon l’invention.
DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTION
La montre un mode de réalisation d’un capteur Lidar 1 selon l’invention. Le capteur Lidar 1 est représenté en vue en plan correspondant à un plan XY. Le capteur Lidar 1 comprend une unité optique émettrice 2, une unité optique réceptrice 5, une optique de déviation 8 et une unité de balayage 11. L’unité optique émettrice 2, l’unité optique réceptrice 5, l’optique de déviation 8 et l’unité de balayage 11 sont logées dans le boîtier 15 du capteur Lidar. Un côté du boîtier 15 est muni d’une fenêtre de vision 14.
L’unité optique émettrice 2 émet un faisceau laser 3 dans la direction de l’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2. L’unité optique émettrice 2 de ce mode de réalisation est un laser linéaire; la ligne du laser linéaire est parallèle à l’axe de rotation 132 de l’unité de balayage 11; cette ligne laser est émise comme faisceau laser 3. Cela signifie que la ligne laser générée par l’unité optique émettrice 2 dans la représentation du capteur Lidar 1 de la est orientée selon l’axe vertical du capteur Lidar qui correspond à l’axe Z perpendiculaire au plan du dessin de la . Dans le mode de réalisation décrit, l’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2 est situé au centre de la ligne laser émise par le laser linéaire. L’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2 est ainsi la direction primaire d’émission de l’unité optique émettrice 2.
L’unité optique réceptrice 5 reçoit le faisceau laser réfléchi 6. L’unité optique réceptrice 5 est de préférence un capteur de type SPAD. Le faisceau laser réfléchi 6 est la partie réfléchie du faisceau laser émis 3 après réflexion de celui-ci dans l’environnement du capteur Lidar en étant renvoyé vers le capteur Lidar. L’unité optique réceptrice a une direction primaire de réception le long de l’axe optique de l’unité optique réceptrice. L’unité optique réceptrice 5 est un capteur optique transformant le signal optique reçu qui est ici le faisceau laser réfléchi 6 en un signal électrique. L’unité optique réceptrice 5 est, par exemple, un photo-capteur. L’axe optique 7 de l’unité optique réceptrice 5 correspond en position à la direction primaire de réception de l’unité optique réceptrice 5. Dans cette forme de réalisation, la face frontale de l’unité optique réceptrice comporte une lentille. La lentille est, par exemple, une lentille convexe ou une lentille concave. L’axe optique 7 de l’unité optique réceptrice 5 correspond à l’axe optique de la lentille placée à l’entrée de l’unité optique réceptrice 5.
Il est à remarquer qu’à la fois l’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2 et l’axe optique 7 de l’unité optique réceptrice 5 sont uniquement des axes virtuels et ne correspondent à aucun élément de construction du capteur Lidar 1. L’unité optique émettrice 2 et l’unité optique réceptrice 5 sont disposées pour que l’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2 soit parallèle à l’axe optique 7 de l’unité optique réceptrice 5. Ainsi, l’unité optique émettrice 2 et l’unité optique réceptrice 5 sont directement juxtaposées. Les axes optiques 4, 7 sont décalés l’un par rapport à l’autre à la fois dans la direction X et dans la direction Z de la représentation correspondant à la .
L’optique de déviation 8 comprend une première surface de miroir 9 et une seconde surface de miroir 10. La première surface de miroir 9 est la surface d’un premier miroir et la seconde surface de miroir 10 est la surface d’un second miroir. Cela signifie que dans cette forme de réalisation, l’optique de déviation 8 comporte deux miroirs distincts avec des surfaces de miroir 9, 10 distinctes. Dans d’autres formes de réalisation du capteur Lidar 1, la première surface de miroir 9 et la seconde surface de miroir 10 sont sur un même miroir.
L’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2 est orienté sur la première surface de miroir 9 et l’axe optique 7 de l’unité optique réceptrice 5 est orientée sur la seconde surface de miroir 10. Cela signifie que l’optique de déviation 8 dévie le chemin optique d’émission et le chemin optique de réception du capteur Lidar. Ainsi, le faisceau de balayage 3 émis par l’unité optique émettrice 2 est réfléchi sur la première surface de miroir 9 pour être projeté sur l’unité de balayage 11. De façon correspondante, le faisceau de balayage 6 réfléchi, venant de l’unité de balayage 11 ainsi reçu, sera réfléchi par la seconde surface de miroir 10 et projeté sur l’unité optique réceptrice 5. L’unité optique émettrice 2 et l’unité optique réceptrice 5 sont situées dans un chemin optique du capteur Lidar 1 sur un premier côté commun de l’optique de déviation 8. Le chemin optique est ainsi la combinaison du chemin optique d’émission et du chemin optique de réception. Comme l’unité optique émettrice 2 et l’unité optique réceptrice 5 sont dans le chemin optique du capteur Lidar 1 sur un premier côté commun de l’optique de déviation 8, ces chemins arrivent d’une direction commune sur l’optique de déviation 8. Cela signifie que les axes optiques 4, 7 de l’unité optique émettrice 2 et de l’unité optique réceptrice 5, partant de l’unité optique 2, 5 correspondante, arrivent selon une direction commune sur l’optique de déviation 8. On considère que la direction commune est notamment une direction commune si le chemin optique du faisceau de balayage 3 et le chemin optique du faisceau de balayage réfléchi entre l’optique de déviation 8 et l’unité optique émettrice 2 ou l’unité optique réceptrice 5 sont l’un à côté de l’autre, c’est-à-dire que les deux chemins coupent un plan qui est soit perpendiculaire à l’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2, soit perpendiculaire à l’axe optique 7 de l’unité optique réceptrice 5.
L’unité de balayage 11 est située dans le chemin optique du capteur Lidar 1 et se trouve ainsi sur le second côté de l’optique de déviation 8. Le chemin optique du capteur Lidar 1 commence à l’unité optique émettrice 2 et à l’unité optique réceptrice 5 et passe sur l’optique de déviation 8 de l’unité de balayage 11 et de là il traverse la fenêtre de vision 14 pour arriver dans l’environnement du capteur Lidar 1. L’unité de balayage 11 de ce mode de réalisation est un système de miroirs tournant, comprenant deux miroirs tournant séparés, à savoir un premier miroir tournant 11a et un second miroir tournant 11b. Les miroirs tournants 11a, 11b de l’unité de balayage 11 tournent autour de l’axe de rotation 12. Les miroirs tournants 11a, 11b sont orientés parallèlement à l’axe de rotation 12. La rotation du système de miroirs tournants de l’unité de balayage 11 émet le faisceau de balayage 3 dans des directions différentes, par exemple, dans une plage angulaire comprise entre -60°-+60° pour détecter l’environnement (champ environnant) de 120°. En fonction de la position des miroirs tournants 11a, 11b du système de miroirs tournants de l’unité de balayage 11, le faisceau laser 6, réfléchi sera reçu de cette même plage qui est celle d’émission du faisceau laser de balayage 3 diffusé par un objet.
Le premier miroir et ainsi la première surface de miroir 9 sont disposés devant l’unité optique émettrice 2 pour avoir un angle d’incidence α inférieur à 45° entre l’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2 et la première surface de miroir 9. Selon des variantes de réalisation, l’angle d’incidence α est égal à 45°. De façon correspondante, le second miroir et sa seconde surface de miroir 10 sont disposés devant l’unité optique réceptrice 5 pour avoir un angle d’incidence β entre l’axe optique 7 de l’unité optique réceptrice 5 et la seconde surface de miroir 10 qui est inférieur à 45°. Selon les variantes de réalisation, l’angle d’incidence β est égal à 45°. Ainsi, la montre que le faisceau de balayage 3 et le faisceau de balayage réfléchi 6 sont déviés par l’optique de déviation 8 d’un angle inférieur à 90°. Cela permet de décaler l’unité de balayage 11 dans la direction des axes optiques 4, 7 dans une direction de l’unité optique émettrice 2 et/ou de l’unité optique réceptrice 5. Ainsi, la surface de miroir 14 peut être rapprochée de l’unité optique émettrice 2 et de l’unité optique réceptrice 5, ce qui se traduit par un capteur Lidar 1 particulièrement compact. En d’autres termes, cela signifie que l’axe de rotation 12 de l’unité de balayage passe dans la direction de l’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2 à partir d’un point où l’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2 et arrive sur la première surface de miroir 9 sur un côté de cette première surface de miroir 9 sur lequel se trouve l’unité optique émettrice 2. Cela signifie en même temps que l’axe de rotation 12 de l’unité de balayage 11 est le long de la direction de l’axe optique 7 de l’unité optique réceptrice 5 en partant du point où l’axe optique 7 de l’unité optique réceptrice 5 arrive sur la seconde surface de miroir 10, se trouve sur le côté de la première surface de miroir 10 sur lequel se trouve également l’unité optique réceptrice 5.
L’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2 et l’axe optique 7 de l’unité optique réceptrice 50 sont parallèles à un plan de rotation de l’unité de balayage 11. Le plan de rotation de l’unité de balayage 11 est perpendiculaire à l’axe de rotation 12 de l’unité de balayage 11 et correspond, selon la , à un plan parallèle au plan XY. L’unité de balayage 11 et l’unité optique émettrice 2 sont dans le même plan dans le capteur Lidar 1 selon l’axe vertical et ainsi l’axe de rotation 12 du capteur Lidar 1. L’unité de balayage 11 et l’unité optique réceptrice 5 sont dans un même plan dans le capteur Lidar 1 selon l’axe vertical de celui-ci et ainsi dans l’axe de rotation 12 du capteur Lidar 1. L’unité optique émettrice 2 se trouve au-dessus de l’unité optique réceptrice 5 et de l’unité de balayage 11 dans la direction de l’axe de rotation 12 et aussi à côté de l’unité optique émettrice 2 et à côté de l’unité optique réceptrice 5.
Le chemin optique d’émission et le chemin optique de réception du capteur Lidar 1 coïncident au moins dans la partie comprise entre l’unité de balayage 11 et l’optique de déviation 8. Cela signifie que le faisceau laser 3 émis et le faisceau laser 6 reçu passent entre l’unité de balayage 11 et l’optique de déviation 8 dans une zone d’espace commune du capteur Lidar 1. On se reportera, à cet effet, à la .
La est une représentation schématique du chemin optique du capteur Lidar 1. Le chemin optique du capteur Lidar 1 est déployé, ce qui montre que le chemin optique d’émission et le chemin optique de réception du capteur Lidar 1 sont imbriqués. Il apparaît que, partant de l’unité optique émettrice 2, le faisceau laser 3 est projeté sur la première surface de miroir 9 et de là sur l’unité de balayage 11, en particulier, sur l’un des miroirs tournant 11a, 11b de l’unité de balayage 11. A partir de l’unité de balayage 11, le faisceau de balayage 3 traverse la fenêtre de vision 14 pour arriver dans l’environnement du capteur Lidar 1.
Il apparaît, en outre que le faisceau de balayage 6 réfléchi, fourni par l’unité de balayage 11 est projeté sur la seconde surface de miroir 10 et de là sur l’unité optique réceptrice 5. Il apparait que le faisceau de balayage 3 et le faisceau de balayage réfléchi 6 utilisent les mêmes zones du miroir du système de miroirs tournants de l’unité de balayage 11. Entre l’optique de déviation 8 et l’unité de balayage 11, le faisceau de balayage 3 et le faisceau de balayage réfléchi 8 traversent la même zone dans le capteur Lidar 1. Ainsi, le chemin d’émission optique, c’est-à-dire la zone traversée par le faisceau de balayage 3 et le chemin optique de réception, c’est-à-dire la zone traversée par le faisceau de balayage réfléchi 6 sont imbriquées.
Il est à remarquer qu’à la fois dans le chemin optique d’émission, c’est-à-dire le chemin suivi par le faisceau de balayage 3 et aussi dans le chemin optique de réception, c’est-à-dire le chemin suivi par le faisceau de balayage réfléchi 6, on peut avoir d’autres éléments optiques, notamment des lentilles. Ainsi, à titre d’exemple, la montre une première lentille 17 et une seconde lentille 18 dans le chemin optique d’émission. La première lentille 17 est entre l’optique de déviation 8 et l’unité optique émettrice 2 ; la seconde lentille 18 est entre l’optique de déviation 8 et l’unité de balayage 11. Il est à remarque que, selon d’autres formes de réalisation, on a, par exemple, seulement la seconde lentille 18 dans le capteur Lidar 1 comme le montre, par exemple, la . De même, à la fois, l’unité optique émettrice 2 et l’unité optique réceptrice 5 peuvent avoir d’autres lentilles, comme, cela est par exemple représenté à la ; dans celle-ci, l’unité optique réceptrice 5 comporte une lentille collectrice ou un objectif de réception 19. On peut également avoir une ou plusieurs lentilles en amont ou en aval de l’optique de déviation 8 dans le chemin optique du capteur Lidar 1 et ainsi soit dans le chemin optique d’émission, soit dans le chemin optique de réception.
La montre l’imbrication de la zone d’émission et de réception. Dans le plan de la seconde lentille 18 et du second miroir qui se trouve en dessous, encore appelé "miroir de déviation de réception", on a l’ouverture de réception. Entre ce plan jusqu’à la vitre de façade, on a une zone libre pour un angle d’incidence vertical maximum. L’imbrication fait que seule est importante la zone entre le bord inférieur de l’unité optique réceptrice 5 et l’arête supérieure de l’unité optique émettrice 2 dans un système ayant des chemins à séparer, l’émetteur devrait être repoussé plus loin vers le haut pour que l’arête inférieure de l’émetteur se trouve sur la vitre frontale au-dessus de l’arête supérieure du récepteur sur cette vitre frontale.
La disposition de l’unité optique 2 par rapport à l’unité optique réceptrice 5 est représentée encore une fois de manière détaillée à la . La montre ainsi le capteur Lidar 1 de la selon une seconde vue correspondant au plan XZ. L’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2 est orienté dans la direction de l’axe de rotation 12 de l’unité de balayage 11 en étant décalé par rapport à l’axe optique 7 de l’unité optique réceptrice 5. Ainsi, l’unité optique émettrice 2 de la est au-dessus de l’unité optique réceptrice 5 et à la fois l’unité optique émettrice 2 et l’unité optique réceptrice 5 sont à côté de l’unité de balayage 11.
En même temps, la distance minimale de l’axe optique 4 de l’unité optique émettrice 2 par rapport à l’axe de rotation 12 de l’unité de balayage 11 est différent de la distance minimale de l’axe optique 7 de l’unité optique réceptrice 5 par rapport à l’axe de rotation 12 de l’unité de balayage 11. En d’autres termes, cela signifie que l’unité optique émettrice 2 est plus éloignée de l’unité de balayage 11 que l’unité optique réceptrice 5. L’unité optique émettrice 2 et l’unité optique réceptrice 5 sont ainsi décalées l’une par rapport à l’autre dans le plan XZ du capteur Lidar 1. Cela permet d’utiliser, de façon optimale, l’espace libre dans le boîtier 15 du capteur Lidar 1 car, en particulier, si l’unité optique émettrice 2 et l’unité optique réceptrice 5 ont une forme cylindrique ou au moins une forme pratiquement cylindrique, on utilise la hauteur constructive totale inférieure à la hauteur commune de l’unité optique émettrice 2 par rapport à la hauteur de l’unité optique réceptrice 5.
La est une vue de face du capteur Lidar 1. L’utilisation du miroir de renvoi sur le côté récepteur et aussi du second miroir permet de rapprocher le système de lentilles très près de l’ouverture de réception sans perturber l’objectif de réception 19 relativement grand. Le laser peut être placé à côté au-dessus de l’objectif de réception 19 ce qui optimise à la fois la largeur et la hauteur de l’ensemble.
Le capteur Lidar 1 a, en option, une unité de nettoyage 13 pour nettoyer la fenêtre de vision 14 du capteur Lidar 1 ; l’unité de nettoyage 13 est placée derrière l’optique de déviation 8 en partant de l’unité optique émettrice 2 et de l’unité optique réceptrice 5. Comme le faisceau de balayage 3 est dévié par l’optique de déviation 8, on aura derrière l’unité de déviation 8 en regardant à partir de l’unité optique émettrice 2, un espace mort qui n’est pas traversé par le faisceau de balayage 3 pour une opération de balayage. Dans ces conditions, il est avantageux de placer l’unité de nettoyage 3 dans cette zone, notamment une unité d’essuyage en position de rangement, c’est-à-dire en position de non-utilisation.
En option, la portée du capteur Lidar 1 est variable dans son champ de vision. La portée du capteur Lidar 1 est plus faible dans la zone latérale du champ de vision que dans la zone centrale de celui-ci. La zone latérale est notamment la zone latérale dans la direction horizontale du champ de vision.
La montre un capteur Lidar 1 selon un autre mode de réalisation de l’invention. Cet autre mode de réalisation de l’invention correspond, pour l’essentiel, au mode de réalisation décrit ci-dessus. Le capteur Lidar 1 comme dans le mode de réalisation précédent comprend un boîtier 15 avec une fenêtre de vision 14. Le faisceau de balayage 3 est émis à travers la fenêtre de vision 14 dans l’environnement du capteur Lidar 1. Toutefois, la fenêtre de vision 14 a une forme courbe dont la courbure correspond à une direction entourant l’axe de rotation 12 de l’unité de balayage 11. L’axe de rotation 12 n’est pas nécessairement le centre de courbure de cette surface. L’unité de balayage 11 ou la fenêtre de vision 14 sont disposées l’une par rapport à l’autre pour que la périphérie de rotation 16 de l’unité de balayage 11 s’étende dans un espace situé à l’intérieur de la courbure de la fenêtre de vision 14. Il apparaît ainsi qu’une ligne reliant les extrémités extérieures de la fenêtre de vision 14 coupent la trajectoire de rotation 16 de l’unité de balayage 11.
Le capteur Lidar 1 selon l’invention utilise la courte durée de récupération du récepteur intégré selon le principe SPAD pour imbriquer l’un dans l’autre le chemin d’émission et le chemin de réception. Cela se traduit par un gain de place considérable. En outre, l’ouverture est de forme rectangulaire, de faible largeur. L’ouverture d’émission et l’ouverture de réception ont la même largeur.
Pour optimiser la largeur du miroir de l’unité de balayage 11, on tourne l’axe optique principal d’un angle par rapport à l’axe Y du capteur Lidar 1. La largeur du miroir tournant 11a, 11b est la largeur de l’ouverture/sin (angle d’incidence). L’angle d’incidence est défini par l’angle horizontal maximum de balayage et la rotation de l’axe principal.
Pour permettre la rotation de l’axe principal et minimiser la largeur du capteur Lidar 1, les axes optiques 4, 7 de l’unité optique émettrice 2 et de l’unité optique réceptrice 5 sont développés dans la direction de l’axe X. Avec un miroir de renvoi, fixe, respectif on dévie l’unité optique émettrice 2 et l’unité optique réceptrice 5 sur l’axe optique principal.
Pour optimiser la hauteur de l’ouverture d’émission on aligne la lentille de diffusion en ligne avec le miroir de renvoi du récepteur, c’est-à-dire le second miroir. En option, on peut également utiliser un miroir de renvoi commun pour l’émission et la réception. Cela se traduirait néanmoins par une distance relativement grande entre la plage d’émission et la plage de réception. C’est pourquoi l’unité optique émettrice 2 est disposée légèrement à côté de l’axe central de l’unité optique réceptrice 5.
Pour perturber le moins possible le passage du faisceau en direction de la vitre frontale et ainsi la vitre de vision 14, on rapproche le capteur d’angle du miroir de l’unité de balayage 11 très près de la paroi du boîtier. Pour optimiser la hauteur du capteur Lidar 1, on peut réduire légèrement la portée dans les coins (grand angle d’ouverture horizontale et verticale).
La dispositif du miroir de renvoi émetteur et de récepteur, c’est-à-dire du premier et du second miroir de l’optique de déviation 8, se traduit par une zone de la vitre frontale qui n’est pas située dans le champ de vision du capteur Lidar 1. On peut placer l’essuie-glace dans cette zone, et en option prévoir dans cette zone, le contact d’un chauffage de vitre.
Le capteur Lidar selon les formes de réalisation décrites ci-dessus présentent, par exemple, les caractéristiques suivantes :
plage de vision horizontale 120°,
plage de vision verticale 21°,
divergence horizontale <+-0,1°,
ouverture optique 16 mm,
rotation de l’axe optique principal 6°,
hauteur d’ouverture de l’émetteur 34 mm,
hauteur d’ouverture de récepteur 28 mm,
distance entre l’arête supérieure de l’ouverture de réception et l’arête inférieure de l’ouverture d’émission 2 mm,
hauteur de la vitre frontale (zone optique non transparente) 94 mm.
NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX
1 Capteur Lidar
2 Unité optique émettrice
3 Faisceau de balayage
4 Axe optique
5 Unité optique réceptrice
6 Faisceau de balayage
7 Axe optique
8 Optique de déviation
9 Première surface de miroir
10 Deuxième surface de miroir
11 Unité de balayage
12 Axe de rotation
13 Unité de nettoyage
14 Fenêtre de vision

Claims (11)

  1. Capteur Lidar (1) comprenant :
    - une unité optique émettrice (2) émettant un faisceau de balayage (3) dans la direction de l’axe optique (4) de l’unité optique émettrice (2),
    - une unité optique réceptrice (5) recevant le faisceau de balayage (6), réfléchi, après que le faisceau de balayage (3) ait été réfléchi dans l’environnement du capteur Lidar (1), l’unité optique réceptrice (5) ayant une direction primaire de réception orientée selon l’axe optique (7) de l’unité optique réceptrice (5),
    - une optique de déviation (8) ayant une première surface de miroir (9) et une seconde surface de miroir (10), l’axe optique (4) de l’unité optique émettrice (2) étant orienté sur la première surface de miroir (9) et l’axe optique (7) de l’unité optique réceptrice (5) étant orienté sur la seconde surface de miroir (10), l’unité optique émettrice (2) avec l’unité optique réceptrice (5) étant installées dans le chemin optique du capteur Lidar (1) sur un premier côté commun de l’optique de déviation (8),
    - une unité de balayage (11) dans le chemin optique du capteur Lidar (1) sur un second côté de l’optique de déviation (8) est conçu pour diriger le faisceau de balayage (3), réfléchi par l’optique de déviation, dans des directions différentes pour détecter le champ environnant du capteur Lidar (1) avec le faisceau de balayage (3) et diriger le faisceau de balayage (6) réfléchi en retour sur l’optique de déviation (8).
  2. Capteur Lidar (1) selon la revendication 1,
    caractérisé en ce que
    l’axe optique (4) de l’unité optique émettrice (2) est parallèle à l’axe optique (7) de l’unité optique réceptrice (5).
  3. Capteur Lidar (1) selon l’une des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    - l’angle d’incidence (α) entre le premier axe optique (4) de l’unité optique émettrice (2) et la première surface de miroir (9) est égale à 45 degrés ou inférieure à cet angle.
  4. Capteur Lidar (1) selon l’une des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    l’axe optique (4) de l’unité optique émettrice (2) et/ou l’axe optique (7) de l’unité optique réceptrice (5) étant parallèles au plan de rotation de l’unité de balayage (11).
  5. Capteur Lidar (1) selon l’une des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    l’unité optique émettrice (2) est un laser linéaire, la ligne du laser linéaire étant orientée parallèlement à l’axe de rotation (12) de l’unité de balayage (11).
  6. Capteur Lidar (1) selon l’une des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    le chemin d’émission et le chemin de réception du capteur Lidar (1) entre l’unité de balayage (11) et l’optique de déviation (8) sont imbriqués l’un dans l’autre.
  7. Capteur Lidar (1) selon l’une des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    l’axe optique (4) de l’unité optique émettrice (2) est décalé dans la direction de l’axe de rotation (12) de l’unité de balayage (11) par rapport à l’axe optique (7) de l’unité optique réceptrice (5).
  8. Capteur Lidar (1) selon l’une des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    la distance minimale de l’axe optique (4) de l’unité optique émettrice (2) par rapport à l’axe de rotation (12) de l’unité de balayage (11) est différente d’une distance minimale de l’axe optique (7) l’unité optique réceptrice (5) par rapport à l’axe de rotation (12) de l’unité de balayage (11).
  9. Capteur Lidar (1) selon l’une des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    le capteur Lidar (1) comporte un boîtier (15) avec une fenêtre de vision (14),
    le faisceau de balayage (3, 6) rayonnant à travers la fenêtre de vision dans le champ environnant du capteur Lidar (1), la fenêtre de vision (14) ayant une courbure et l’axe de rotation (12) de l’unité de balayage (11) est disposée pour que la périphérie de rotation (16) de l’unité de balayage (11) s’étend dans un premier espace situé à l’intérieur de la courbure de la fenêtre.
  10. Capteur Lidar (1) selon la revendication 9,
    caractérisé en ce que
    le capteur Lidar (1) comporte une unité de nettoyage (13), conçue pour nettoyer la fenêtre de vision (14) du capteur Lidar (1), l’unité de nettoyage (13) étant disposée derrière l’optique de déviation (8) à partir de l’unité optique émettrice (2) et de l’unité optique réceptrice (5).
  11. Capteur Lidar (1) selon l’une des revendications précédentes,
    caractérisé en ce que
    la portée du capteur Lidar (1) est variable selon son champ de vision, en particulier, la porté du capteur Lidar (1) dans l’espace latéral du champ de vision est inférieure à celle dans la zone centrale du champ de vision.
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