WO2021144357A1 - Systeme d'imagerie lidar cohérent - Google Patents

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WO2021144357A1
WO2021144357A1 PCT/EP2021/050681 EP2021050681W WO2021144357A1 WO 2021144357 A1 WO2021144357 A1 WO 2021144357A1 EP 2021050681 W EP2021050681 W EP 2021050681W WO 2021144357 A1 WO2021144357 A1 WO 2021144357A1
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Definitions

  • the present invention relates to the field of imaging a scene to be observed by a coherent LIDAR and more particularly in the field of three-dimensional imaging by coherent lidar with heterodyne detection.
  • LIDAR Light Detection and Ranging, in English
  • heterodyne detection takes advantage of the nature of the coherent emission of a laser source in order to amplify the useful signal reflected by the scene by a signal coming from a reference channel and consistent with the useful signal.
  • the optical frequency of the laser source is modulated, for example with a periodic linear ramp.
  • the light from the laser source is divided into two paths. Part of the light (object path) is projected onto a point on the scene where it is backscattered, partially in the direction of a photodetector.
  • the other part (reference channel) is sent to the photodetector without going through the stage.
  • the two pathways interfere with the photodetector and form a heterodyne signal. Interference produces beats whose frequency is proportional to the delay between the two channels, and therefore to the distance between the scene and the photodetector. More precisely, for a linear ramp, the frequency of
  • the FMCW-type LIDAR technique is an optical heterodyne measurement technique insofar as it involves several optical frequencies.
  • the heterodyne signal (ie interference signal) contains a generally large and unnecessary DC component, which is removed by an electronic high-pass filter if the photoreceptor is a photodiode.
  • a 3dB coupler which supplies, from the two object and reference channels at the input, two output signals in phase opposition which illuminate two photodiodes in series (balanced photodiodes).
  • the detection circuit makes it possible to differentiate between the two photocurrents, thus eliminating the DC (mode common) and detect the AC part.
  • the AC part is generally amplified externally by a trans-impedance amplifier (TIA) before being processed by external electronics, for example an oscilloscope, to measure the beat frequency f R. Once the measurement has been made, the point is changed, that is to say a sequential spatial sweep of the scene is carried out.
  • TIA trans-impedance amplifier
  • This technique is efficient because the reference channel does not undergo significant backscattering losses, and serves to amplify the signal received using the interferometric mixture multiplying the amplitude of the useful signal.
  • the image obtained is in principle of the “rolling shutter” type, that is to say that the pixels are read sequentially, given that it is necessary to scan the scene to produce a complete image. of the latter. This technique is therefore disturbed by the distortion of images when the scene includes moving objects.
  • a sequential scanning FMCW type LIDAR imaging system is hardly compatible with use at video rate (typically 50 Hz, ie 20 ms per image).
  • video rate typically 50 Hz, ie 20 ms per image.
  • the laser source Las is wavelength modulated by a modulator Mod.
  • the object channel illuminates the object to be analyzed O, and a lens LO forms the image of the object on a coherent imager IC produced in integrated optics, more precisely on a matrix of 4 ⁇ 4 optical coupling networks Res.
  • each network Res sends the coupled light to a side-coupled PD photodiode located outside the image, via a waveguide.
  • the reference channel is sent directly to the photodiodes by an optical fiber Fib and by an array of waveguides and Y junctions.
  • the conversion of the photocurrent into voltage is carried out by a trans-impedance amplifier TIA for each of the 16 photodiodes.
  • Electronic filtering and signal processing is performed outside of the chip in an electronic detection system SED. FMCW detection gives access to the distance at each point of the image.
  • this coherent LIDAR imager configuration is not easily scalable to a large number of pixels. Indeed, 2N waveguides (N for the reference channel and N for the object channel) would be needed for N pixels, ie 2 million guides for a 1000x1000 pixel imager, which poses major routing and surface problems. busy. To artificially increase the effective number of pixels of their imager, the authors resort to the technique of multiple shots with successive mechanical translations of the imager, which is not suitable for moving scenes.
  • the proposed architecture is sensitive to speckle grains generated by the scattering of coherent light by the scene (the image of the object in the plane of the sensor is marred by speckle grains, ie by laser granularity).
  • speckle grains generated by the scattering of coherent light by the scene
  • the beats due to the interference between the reference channel and the object channel affected by the speckle grains are of the same frequency but randomly out of phase between neighboring speckle grains. If the pixels are larger than the speckle grains, the amplitude of the resulting oscillations is attenuated and may become undetectable. Note that, in the configuration of Aflatouni et al.
  • the invention aims to remedy at least in part certain drawbacks of the prior art, and more specifically to provide a coherent LIDAR imaging system the performance of which is improved. These performances can result in a better quality of the recombined beam (heterodyne signal) detected by the pixels of the detector, for example in terms of intensity of the heterodyne signal.
  • the imaging system according to the invention comprises a matrix of pixels at which the scene, illuminated simultaneously, is imaged. Furthermore, each pixel of the detector can include an electronic circuit suitable for determining the frequency of the beat of the recombined beam (heterodyne signal) detected.
  • An object of the invention may be a coherent LIDAR imaging system comprising: a laser source configured to emit laser radiation having a temporally modulated optical frequency; o an optical separation / recombination device comprising at least:
  • a separating optical device for spatially separating the laser radiation into a beam of said reference beam and said object beam into a beam directed toward a scene to be viewed / light;
  • an optical device recombination for spatially superimposing the reference beam with an object beam reflected from said scene, said reflected object beam, so as to form a recombined beam
  • an optical imaging device having an optical axis and providing a image of the scene on a detector by focusing the reflected object beam, said detector comprising a matrix of a plurality of pixels P ,, ie [l, n], each of the pixels comprising a photodetector adapted to detect a portion of the reflected object beam and a portion of the reference beam, the optical separation / recombination device and the optical imaging device being configured so that said portions are spatially coherently superimposed on the pixel P ,, said pixel possibly comprising an adapted electronic processing circuit in calculating the frequency F, of a beat of the portion of the reflected object beam detected with the portion of the reference beam rence detected; o said optical separation / recombination device being further configured to form an intermediate image (virtual or real) of the reference
  • the optical separation / recombination device is configured so that a position of the intermediate image plane on the optical axis of said optical imaging device is included in a segment of the optical axis corresponding to the projection on the optical axis of a zone of intersection between sub-beams of the reflected object beam, said sub-beams being full-light field border beams;
  • the optical separation / recombination device is configured so that the intermediate image plane coincides with a plane comprising a pupil or a diaphragm of said optical imaging device;
  • the optical separation / recombination device is configured so that a lateral dimension of said intermediate image is less than or equal to a lateral dimension of the intersection of said sub-beams at said intermediate image plane;
  • the imaging system comprises an optical shaping device, arranged on the path of the laser radiation or of the object beam suitable for a beam coming from the optical shaping device to have uniform illumination over a predetermined area of the scene to observe; a numerical aperture of the optical imaging device is
  • Another object of the invention is a method of imaging by a coherent LIDAR imaging system, comprising the following steps: emitting laser radiation by a laser source having a temporally modulated optical frequency; spatially separate, by an optical separation device of an optical separation / recombination device, the laser radiation into a beam called a reference beam and into a beam called an object beam directed towards a scene to be illuminated / observed; spatially superposing, by a recombination optical device of the optical separation / recombination device, an object beam reflected by said scene, called the reflected object beam, and the reference beam, so as to form a recombined beam (heterodyne signal); producing, by an optical imaging device, an image of the scene on a detector by focusing the reflected object beam, said detector comprising a matrix of a plurality of pixels P ,, ie [l, n]; detecting, on each pixel, a portion of the reflected object beam and a portion of the reference beam which together
  • FIGS. IA and IB are schematic views of a LIDAR imaging system of the prior art
  • FIG. 2 is a schematic view of an imaging system according to one embodiment of the invention
  • FIGS. 3A and 3B are schematic and partial views of two examples of the imaging system according to one embodiment, making it possible to obtain a distance map of the entire illuminated scene, in an optical configuration in free space (FIG. 3A) and in a guided optic configuration (fig. 3B);
  • FIGS. 4A to 4D are schematic and partial views of the optical imaging device and of the pixel matrix, illustrating: o FIG.
  • Figures 5A and 5B are schematic views, respectively, of an optical separation device and an optical recombination device according to one embodiment of the invention
  • FIG. 6 is a schematic view of an imaging system according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 7 is a schematic view of an imaging system according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 8 is a schematic view of an imaging system according to a first variant embodiment of the invention.
  • FIG. 9 is a schematic view of an imaging system according to a second variant embodiment of the invention.
  • FIG. 10 is a schematic view of a pixel of the imaging system according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 11 is an illustration of the overlap of the object beam and the reference beam on pixels of the detector
  • FIGS. 12A and 12B are an illustration of the overlap of the object beam and of the reference beam on the detector, for an optical imaging device of the 'triple Gauss' type, the intermediate image plane of which is situated respectively on the plane of the diaphragm d 'aperture and upstream of the plane of the aperture diaphragm (here before the first lens group of the triple Gauss type optical imaging device);
  • FIG. 13 is a schematic view of an imaging system according to an embodiment of the invention showing the impact on the intensity of the heterodyne signal detected that the speckle grains may have depending on their size.
  • FIG. 2 represents a schematic view of a coherent D LIDAR imaging system according to one embodiment of the invention.
  • the imaging system D makes it possible to acquire an instantaneous distance image of a scene to be illuminated / observed Obj by making an interference of an object channel (object beam reflected L or by the scene) with a reference channel (beam reference L ref ) on a matrix of pixels using an optical imaging device Im producing an image of the scene.
  • the imaging system D is said to be "LIDAR” (acronym for Light Detection and Ranging, in English) insofar as it is suitable for providing a mapping of the distance (or distance image) of a scene illuminated by a coherent optical signal.
  • the imaging system illuminates the entire scene instantaneously by a continuous optical signal, and simultaneously acquires the image of the illuminated scene in order to determine its distance.
  • the imaging system according to the invention is thus distinguished from LIDAR systems (of the time-of-flight measurement type (TOF) or even of the FMCW type), in which the scene is “scanned”, ie spatially scanned by an optical signal.
  • the imaging system D is said to have heterodyne detection insofar as, to determine the distance from the illuminated scene, a so-called beat frequency of a heterodyne signal (recombined beam) formed by l interference between a reference beam of a local oscillator and a backscattered / reflected beam by the illuminated scene, these two optical beams being coherent with each other.
  • the reference beam and the beam projected onto the scene are in fact both derived from the same primary optical signal (laser radiation L) emitted by the laser source.
  • Heterodyne detection is of the FMCW type insofar as the primary signal is a continuous and frequency modulated signal.
  • the imager can be of the global shutter type where all the pixels P are read at the same time.
  • the imaging system can then provide an instantaneous distance image.
  • it can be of the rolling shutter type, and therefore have a sequential reading of the pixels Pi, for example line by line, where all the pixels P, of the same line are read simultaneously.
  • the imaging system D comprises a laser source SL configured to emit laser radiation L having an optical frequency F L temporally modulated.
  • the laser source is configured so that a coherence length of the source is twice as long, preferably 10 times greater than a maximum predetermined distance z max between the object furthest from the scene and the imaging system D.
  • the imaging system D being a coherent LIDAR
  • the coherence length l c of the laser source is greater than the difference in optical path between the object path and the reference path - which is approximately the round trip distance between the scene to be observed Obj and the imaging system D, (minus the optical path of the beam between the separation slide and the recombination slide) - in order to achieve coherent detection.
  • the reference path is the path followed by the reference beam L ref between the laser source SL and the matrix detector Det.
  • the object path is the outward path followed by the object beam L 0 from the laser source SL to the scene, plus the return path followed by the reflected / backscattered object beam L or by the scene to the matrix detector Det .
  • the laser radiation L emitted by the laser source SL is a primary, coherent, continuous and frequency modulated signal. It is frequency modulated, for example here linearly, from a starting frequency fo over a repetition period T with a bandwidth B.
  • the signal here is a chirped signal, that is to say a sine wave whose instantaneous frequency changes linearly over time.
  • the laser source SL can be, in the case of an emission in the near infrared range (between 0.7 and 2 ⁇ m), of the vertical cavity type emitting through the surface (VCSEL, for Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, in English) which generally has a coherence length of the order of one meter, or even be of the edge emitting type (EEL, for Edge Emitting Laser, in English) which can have a coherence length of the order of ten or even a hundred meters.
  • VCSEL Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, in English
  • EEL edge Emitting Laser
  • Passive optical elements can be located on the optical path of the laser radiation L (primary signal), between the laser source SL and optical separation / recombination device SSR.
  • a shaping lens can be located at the output of the laser source SL, and makes it possible to collimate the optical beam while widening its lateral dimension, for example to a diameter of a few millimeters.
  • a spatial filtering device may be present to suppress high spatial frequencies.
  • the laser radiation L can propagate in a collimated manner, with a possibly Gaussian profile and a diameter of the order of a few millimeters, for example 5 mm.
  • the imaging system D comprises an optical SSR separation / recombination device comprising at least: an optical separation device LS adapted to spatially separate the laser radiation L into two channels: a reference channel with which is associated a reference beam L ref, and an object path with which is associated an object beam L 0 directed towards the scene to be illuminated Obj; an optical recombination device SR adapted to spatially superimpose the reference beam L ref on an object beam reflected by the scene, called the reflected object beam L gold , so as to form a recombinant beam L rec (heterodyne signal).
  • an optical SSR separation / recombination device comprising at least: an optical separation device LS adapted to spatially separate the laser radiation L into two channels: a reference channel with which is associated a reference beam L ref, and an object path with which is associated an object beam L 0 directed towards the scene to be illuminated Obj; an optical recombination device SR adapted to spatially superimpose the reference beam L ref on an object beam
  • the optical separation device is configured so that the distribution of the intensity of the light radiation of the reference beam e f and of the object beam L 0 is approximately equal to 10% / 90% (at the output of the optical separation device LS).
  • Other intensity ratio values can be chosen to optimize the photometric performance of the imaging system D, in particular depending on the characteristics of the scene (for example, lambertian or specular reflection) and of the imaging system D (for example the separation and recombination factors of the optical separation and recombination device).
  • the imaging system D is therefore suitable for projecting part of the laser radiation L in the direction of a scene which is to be illuminated instantaneously.
  • the term “scene” is understood to mean the scene illuminated by the object beam L 0 .
  • the entire scene is instantly illuminated by the object beam L 0 , which therefore has an angular aperture suitable for illuminating the entire scene instantly.
  • the scene is also uniformly illuminated, that is to say that the object beam L 0 has an intensity whose angular distribution is constant.
  • the imaging system D can provide shaping of the object beam L 0 .
  • it may include at least one optical element suitable for making the object beam L 0 diverge.
  • the angular opening of the object beam L 0 is such that the entire scene is uniformly illuminated by the object beam L 0 . It is preferably substantially equal to the field angle of the optical imaging device Im (for example equal to approximately 20 °).
  • it can include at least one optical element adapted to make the angular distribution of the intensity constant, to obtain a flat profile of the intensity, and no longer a Gaussian profile.
  • the different optical elements can be distinct or combined.
  • the imaging system D further comprises an optical imaging device Im suitable for imaging the scene to be observed Obj on a detector Det by focusing the reflected object beam L 0, r .
  • the detector Det is placed approximately in the image focal plane of the optical imaging device Im.
  • the optical imaging device Im has a focal length much smaller than the typical distance between the scene and the detector Det, so that the scene is considered at infinity from the point of view of the optical imaging device Im.
  • the optical imaging device Im is an objective comprising a Diaph aperture diaphragm defining the physical pupil of the system.
  • the optical imaging device Im allows the use of a common channel to produce an image of the scene and to interfere with the object channel and the reference channel. This allows greater compactness of the imaging system D compared to lidars of the prior art using waveguide recombination.
  • the optical imaging device Im has optical elements in free space, and comprises at least one lens and an aperture diaphragm which defines the physical pupil.
  • the aperture diaphragm may not be a physical object distinct from a lens, but may be defined by the outline of the lens.
  • the optical imaging device Im comprises an optical axis AO orthogonal to the receiving plane of the matrix detector Det. It is here adapted to receive the reflected object beam L or as well as the reference beam L ref , to allow their transmission in the direction of the matrix detector Det along the same optical axis AO and thus allow better superposition of the two optical beams, thus improving the combination of the two optical beams by interference, which makes it possible to improve the intensity of the heterodyne signal.
  • the optical imaging device Im is formed by a lens or a plurality of lenses, for example a triple Gauss (see fig. 12A and 12B).
  • the reference beam L ref has at least one lens of the optical imaging device Im in common with the reflected object beam L or . In this way, the optical imaging device Im makes it possible to achieve the coherent superposition of the reflected object beam L or with the reference beam L ref on the detector Det.
  • the imaging system D is suitable so that all the pixels P of the matrix detector Det receive the reference beam L ref . This goes hand in hand with the fact that all the pixels P also receive the reflected object signal L or . Also, the recombined beam L rec (heterodyne signal) is formed at the level of each pixel P ,, so that a distance image can be determined from the entire matrix of pixels P i.
  • a diffuser and possibly a converging lens can shape the reference beam L ref according to a predefined angular opening.
  • the angular opening is defined beforehand, taking into account the different elements optics of the optical imaging device Im, so that the reference beam L ref effectively illuminates each pixel P i.
  • the converging lens is not necessary between the LS and SR systems, downstream of the diffuser: it suffices to position the diffuser correctly on the path of the reference beam L ref , taking into account its diffusion cone, the diameter of the reference beam L ref incident on the diffuser, of the aperture of the optical imaging device Im and of the size of the pixel matrix P, of the detector Det.
  • diffraction gratings can be sized so that the reference beam L ref has an angular opening making it possible to illuminate all the pixels P i.
  • the diffuser located between the LS and SR systems and the reception plane of the matrix detector Det are not combined, in order to prevent the image of the diffuser from forming on the matrix detector Det, which could degrade the quality of the heterodyne signal to be detected.
  • the diffuser can be combined with a so-called intermediate plane located at or near the aperture diaphragm of the optical imaging device Im, so as to form an equivalent light source of the reference beam L ref , as explained in detail later.
  • the Det detector is a matrix detector. It comprises a matrix of a plurality of pixels P , with i ranging from 1 to n. Each of the pixels P comprises a photodetector Ph suitable for detecting a portion L or, i of the reflected object beam L or , and a portion L ref, i of the reference beam L ref , both focused by the optical imaging device I'm on pixel P ,.
  • the reception plane of the matrix detector Det is situated in a conjugate plane of the scene by the optical imaging device Im (up to the depth of field). In other words, the image of the scene is formed in the reception plane of the matrix detector Det.
  • Each pixel P is intended to receive the reference beam L ref and the reflected object beam L gold , which interfere with each other to form a so-called heterodyne signal (recombined beam L rec ).
  • the detector can be of the CMOS or CCD type.
  • the heterodyne signal comprises a constant DC component het (intended to be filtered) and a periodic AC component AC het (t) which forms the useful signal.
  • This AC component has a beat frequency here equal to Bt / T and therefore to 2BD / cT, c being the speed of light.
  • t is a delay between the reflected object beam L or and the reference beam L ref
  • B the passband and T the period of the frequency modulation of the primary signal (laser radiation L). Determining the beat frequency therefore makes it possible to obtain the distance between the scene and the matrix detector Det.
  • the pixels P can be formed from a microlens arranged opposite a photodiode. Each pixel P has a lateral dimension d px defined by the size of the microlenses, while the photosensitive zone of the photodiodes has a lateral dimension d Pd .
  • the detection plane is considered to be the plane in which the microlenses extend.
  • Each pixel P of the detector Det can comprise an electronic processing circuit CE adapted to calculate the frequency F of the beat of the heterodyne signal, that is to say of the recombined beam L rec formed from the interference between the portion of the reflected object beam detected L orj with the portion of the reference beam detected L ref, i -
  • the calculation of the beat frequency is preferably simultaneous for all the pixels P, of the detector Det (see below). This makes it possible to produce an instantaneous distance image of the scene (“global shutter”) without having to scan the scene point by point.
  • each pixel P may include a photodiode, for example of the pn, pin or avalanche type, and an optical / electrical conversion device so as to convert the detected heterodyne signal into an electrical signal, for example a electric tension.
  • the conversion device may include a filter for filtering the direct component DC het of the detected heterodyne signal and keep only the alternating component AC het ; an amplifier of the amplitude of the filtered heterodyne signal, a detector and counter for the periodic variations of the filtered heterodyne signal, to thereby determine a value of the beat frequency of the heterodyne signal.
  • the frequency value determined by each pixel P can then be transmitted to a calculation unit which deduces a distance map therefrom.
  • the beat frequency can be determined simultaneously for all the pixels P ,, so as to obtain an instantaneous distance map (distance image) of the scene then illuminated (global shutter type approach).
  • the imaging system 1 can also have operation in rolling shutter mode and therefore have sequential reading of the pixels P ,, for example line by line, where all the pixels P, of the same line are read simultaneously.
  • the laser source emits the coherent, continuous and frequency modulated primary signal (laser radiation L), part of which (object beam L 0 ) is projected onto the scene to illuminate it instantaneously.
  • a part (reference beam L ref ) of the primary signal is transmitted in the direction of the matrix detector Det.
  • the optical imaging device Im receives the reflected object beam L or and forms the image of the scene illuminated on the matrix of pixels P i.
  • it also receives the reference beam L ref , which is transmitted in the direction of the pixel matrix Pi.
  • the reference beam L ref and the reflected object beam L or interfere and form in each pixel P, a recombined beam L rec that is, the heterodyne signal.
  • FIGS. 3A and 3B are schematic and partial views of a D LIDAR imaging system with heterodyne detection of FMCW type, suitable for determining a distance image of a scene illuminated instantly by a continuous optical signal and frequency modulated.
  • the imaging system D presents here a free space configuration (fig.3A) or a guided optics configuration (fig.3B). These are examples given by way of illustration, it being understood that combinations and variants of these configurations are possible.
  • the imaging system D comprises a laser source SL and a shaping lens 12 making it possible to collimate the optical beam while enlarging its dimension lateral.
  • the optical separation device LS comprises a semi-reflecting plate or a splitter cube, here a splitter cube 31, which transmits part of the primary signal (laser radiation L), which becomes the object beam L 0 , and reflects part of the signal primary, which becomes the reference beam L ref .
  • An optical element 21, here a transmission diffuser, is here disposed downstream of the splitter cube 31, and is adapted to make the object beam L 0 diverge.
  • the angular opening of the object beam L 0 is here such that the entire scene is uniformly illuminated by the object beam L 0 .
  • the intensity profile of the object beam L 0 changes from a Gaussian profile to a flat profile.
  • the same diffuser 21 here makes the object beam L 0 diverge.
  • a lens may be located downstream of the diffuser (or upstream of the latter) so that the angular aperture has a predefined value, here a value substantially equal to the field angle of the optical device of Imaging Im.
  • the optical recombination device SR here comprises a combiner cube 34 ensuring the transmission of the reference beam L ref and that of the reflected object beam L or in the direction of the detector Det, along the same optical axis.
  • the optical imaging device Im here comprises a set of lenses 41, 43 and an aperture diaphragm 42 (which defines the physical pupil) suitable for making the image of the illuminated scene on the reception plane of the detector Det.
  • the optical separation / recombination device SSR here comprises a diffuser 32 and a lens 33 located between the separator cube 31 and the combiner cube 34.
  • the diffuser 32 is adapted to make the angular distribution of the intensity constant. , in order to thus obtain a flat profile of the intensity of the reference beam L ref , and not a Gaussian profile.
  • the diffuser 32 and the lens 33 shape the reference beam L ref according to a predefined angular opening, taking into account the various optical elements present, so that the reference beam L ref effectively illuminates all the pixels of the detector Det.
  • a lens 33 is not essential for this.
  • the SSR optical separation / recombination device is further configured to form an image, referred to as intermediate PS, of the reference beam in a plane perpendicular to said optical axis, called the intermediate image plane PI.
  • the diffuser 32 is located in a plane conjugated with the intermediate image plane PI, to form the intermediate image PS (equivalent light source), which is located in the segment [MM '] (and therefore in the central zone Zc ) described later.
  • the imaging system D comprises the same functionalized substrate 2.
  • the latter comprises a waveguide coupled to the laser source SL, which extends to a first matrix 22 of diffraction gratings (optical separation device LS).
  • This matrix 22 ensures the projection of the object beam L 0 towards the scene.
  • the waveguide propagates the reference beam L ref up to a second matrix 35 of diffraction gratings (optical recombination device SR) which ensures the projection of the reference beam L ref towards the detector Det, passing through the device Imaging optics.
  • the second matrix 35 and the substrate 2 are transparent to the reflected object beam L gold , so that it is transmitted and superimposed on the reference beam L ref .
  • the optical separation / recombination device SSR is configured to form the intermediate image PS of the reference beam in an intermediate image plane PI perpendicular to said optical axis.
  • the second array matrix 35 is located in a plane conjugated with the intermediate image plane PI, to form the intermediate image PS (equivalent light source), which is located in the segment [MM '] (and therefore in the central zone Zc).
  • the array matrix 35 is located in the intermediate image plane PI and therefore itself forms the intermediate image PS (ie the equivalent light source of the reference beam L ref ).
  • the inventors have observed that the performance of the imaging system D is optimized when the presence of interference fringes produced by the coherent superposition of the reflected object beam L or with the reference beam is limited or even avoided.
  • L ref within each pixel P ,.
  • such fringes can lead to the attenuation of the oscillations resulting from the beating of the heterodyne signal, insofar as the pixels P integrate all the contributions indifferently.
  • the imaging system D according to the invention is configured so that the wave fronts of the two incident portions L or, i and L ref are similar or identical at each of the pixels P ,. This thus makes it possible to limit the generation of interference fringes between these two incident optical beams.
  • the optical separation / recombination device SSR is configured to form an image, called intermediate PS, of the reference beam L ref in a plane perpendicular to the optical axis AO, called intermediate image plane PL
  • the position of the intermediate image plane PI on the optical axis AO is included in a segment [MM '] of the optical axis corresponding to the projection on the optical axis of an intersection zone (called zone central Zc on fig.4A to 4D, 11 and 12A-12B) between sub-beams of the reflected object beam L or , said sub-beams being full-light field edge beams.
  • the fact of forming an image of the reference beam L ref in the intermediate image plane PI amounts to forming an equivalent light source (intermediate image PS) of the reference beam L ref .
  • the equivalent light source PS is therefore located in the segment [MM ′], and is advantageously contained in a central zone Zc of the rays of the reflected object beam L or at the edge of the full light field.
  • the equivalent light source PS has at each point an angle of emission of the reference signal at least equal to the field angle of the optical imaging device Im, so that each point of the equivalent light source PS ( each source point) illuminates all the pixels P ,. Furthermore, the equivalent light source PS can advantageously have a lateral dimension at least equal to that of the central zone Zc of the rays of the object signal backscattered from the edge of the full light field.
  • FIGS. 4A to 4D illustrate a configuration of the imaging system D, in which an equivalent light source PS of the reference beam L ref is formed in an intermediate plane PI located at or near the aperture diaphragm Diaph .
  • These figures show the reception plane of the matrix detector Det, the optical imaging device Im (lenses 41, 43 and aperture diaphragm Diaph), and the equivalent light source PS of the reference beam Lref
  • the optical separation / recombination device SSR produces the image of the reference beam L ref in the intermediate plane PL
  • the diffuser 32 (fig.3A) or the array matrix 35 (fig.3B) is therefore located in a plane which is conjugated to the intermediate plane PI (or the array matrix 35 is itself located in the intermediate plane PI).
  • the longitudinal positioning of the equivalent light source PS along the optical axis AO and its lateral dimension can be determined by the optical properties and the dimensions of the diffuser 32 (fig. 3A) or of the array matrix 35 (fig. 3B), and possibly by additional optical shaping elements.
  • the equivalent emission angle can be determined by that of the diffuser 32 (fig. 3A) or that of the array matrix (fig. 3B) (and by any additional optical shaping elements).
  • the wavefront of the reference beam L ref incident in each pixel P is then made closer, or even identical to that of the reflected object beam L gold , in terms of shape and main direction. This limits the generation of interference fringes between these two optical beams, these interference fringes being liable to lead to a degradation in the quality of the heterodyne signal detected.
  • the pixel matrix P i of the detector Det acts as a field diaphragm.
  • the field angle FOV (Field Of View, in English) of the optical imaging device Im is defined as being the angle in which the matrix detector Det is sensitive to the object beam reflected L or through the optical device Imaging Imaging.
  • An end pixel is a pixel P, located at the edge of the pixel matrix.
  • the exit pupil is the image of the aperture diaphragm by the lenses located downstream of the latter.
  • the central point is located in the plane of the aperture diaphragm.
  • a central zone Zc of intersection of the full-light field edge rays (SF1 and SF2 shown in fig.ll, 12A, 12B) ( unvignetted field, in English, according to the term used in JE Greivenkamp's book Field Guide to Geometrical Optics, SPIE Press, Bellingham, WA (2004)). It is defined here as being the zone delimited laterally by the intersection of the rays of the edge of the field of full light, that is to say of the rays of the reflected object beam L or passing at the level of the contour of the aperture diaphragm Diaph and arriving at end pixels of the pixel array.
  • This central zone Zc takes the form of two cones sharing the same base delimited by the contour of the aperture diaphragm Diaph.
  • the vertices of the cones are M and M ', located on the optical axis AO, respectively upstream and downstream of the aperture diaphragm Diaph. They are the longitudinal end points of the central zone Zc.
  • FIG. 4A illustrates in a detailed and partial manner, in longitudinal section, the optical imaging device Im and the reception plane according to an alternative embodiment, in which the equivalent light source PS of the reference beam L ref is located in the central zone Zc, here upstream of the aperture diaphragm Diaph.
  • the central zone Zc is illustrated more precisely in FIG. 4B.
  • the end pixel Px a receives the two rays L ori a , L or2 a of the reflected object beam L or passing through the edge of the aperture diaphragm Diaph (in the plane longitudinal), as well as the two rays L refi a , L ref 2 a of the reference beam L ref coming from the border of the equivalent light source PS (and of course all the rays L or which are between the rays L ori a , L or 2 a , and all the rays L ref which are between the rays L refi a , L ref 2 a ) .
  • the rays L ori a and L refi a both pass through the same border of the aperture diaphragm Diaph and are therefore superimposed.
  • the rays received by the second end pixel Px b they are not detailed inasmuch as the situation is similar.
  • the optical separation / recombination device SSR is adapted so that the equivalent light source PS has, at each of its points, a divergence (or equivalent emission) cone which covers the entire matrix of pixels P i. Also, each of the pixels P, effectively receives the reference beam L ref in addition to the reflected object beam L or .
  • the heterodyne signal is therefore formed in each pixel P i.
  • the equivalent light source PS being positioned between the points M and M ', and having a lateral dimension at least equal to that of the central zone Zc, the reception cone of the reference beam L ref is substantially identical to the cone of reception of the reflected object beam L or , this at each pixel P i.
  • Fig.4B is identical to Fig.4A except that the rays of the reference beam L ref a and L ref b from the equivalent light source PS are not shown.
  • the central zone Zc defined laterally and longitudinally by the full-light field edge rays L ori a , L or2 a and L ori b , L or2 b (here in a longitudinal plane) is shown here.
  • the point M upstream of the aperture diaphragm Diaph is located on the optical axis AO and is at the intersection of the rays L ori a and L or2 b
  • the point M 'downstream of the aperture diaphragm Diaph is located on the optical axis AO and is at the intersection of the rays L or 2 a and L ori b .
  • the most important lateral dimension of the central zone Zc is located in the plane of the aperture diaphragm Diaph.
  • Fig.4C is identical to Fig.4A, except that we consider only the rays received by the pixel Px a , namely the rays between the rays L ori a and L or 2 a of reflected object beam L or , and the rays between rays L refi a and L ref 2 a of the reference beam L ref .
  • Each point of this equivalent light source PS illuminates at least the entire reception plane, and here only the reception plane.
  • the same pixel P in addition to the reflected object beam L gold , receives the reference beam L ref coming from all the points of the equivalent light source PS.
  • a principal direction is defined as being the average direction of the angular cone of the incident beam (beam of reference L ref or reflected object beam L or ) at the level of the pixel P, considered, here at the level of the end pixel Px a .
  • the fact of forming an equivalent light source PS of the reference beam L ref in the central zone Zc makes it possible to reduce the deviation angle q, at the level of the pixel P, considered.
  • the dimension of the interfringes which can form between the reflected object beam L or and the reference beam L ref is thus increased .
  • the dimension of the interfringes is, in the first order, of the order of / 2sin0i, where l is the wavelength of the incident optical signals. Having angular cones of the optical beams (reference beam L ref and reflected object beam L gold ) incident in each pixel P, which are very similar or even identical to each other also makes it possible to increase the dimension of the interfringe.
  • an axis of propagation of the portion L gold, i of the reflected object beam L or is collinear or substantially collinear with a propagation axis of the portion L ref of the reference beam L ref .
  • the equivalent light source PS is located as close as possible to the aperture diaphragm Diaph, and that its width is at least equal and preferably substantially equal to that of the central zone Zc, therefore here to that of the orifice of the aperture diaphragm Diaph.
  • fig.4D illustrates a variant of the configuration illustrated in fig.4C, in which the equivalent light source PS is located here substantially in the plane of the diaphragm aperture Diaph.
  • the equivalent light source PS covers substantially the entire surface of the Diaph aperture diaphragm, the angular cones of the two optical beams incident in each pixel are substantially equal.
  • the wavefronts of the reflected object beam L or and of the reference beam L ref are substantially identical.
  • the interfringe then has a dimension which can exceed the dimensions of the pixel matrix P , so that it can be considered that there are then no interference fringes between these optical beams liable to degrade the quality of the heterodyne signal detected by each pixel P ,. We then speak of interference fringes "in flat tint". The performance of the imaging slide D is then further improved.
  • a UT processor is connected to the detector and to the laser source in order to determine the distance of the points of the scene imaged on the pixels and in order to construct an instantaneous distance image of the scene.
  • This construction of the scene is carried out from the beat frequency F, calculated and associated with each pixel P, and from the modulation of the optical frequency of the laser radiation.
  • distance image is meant here a mapping of the distance of the various points of the observed scene each corresponding to a different pixel.
  • the imaging system D can thus determine an instantaneous distance image (or "global shutter” in English) where all the points of the scene are measured simultaneously with a start and an end of measurement identical for all the pixels ( provided the Det detector allows it).
  • the imaging system D does not require “beam-steering” means to scan the scene at a rapid rate.
  • the measurement duration can be up to 20 ms, which relaxes the constraints both on the speed of the imager and on the modulation of the optical frequency to be supplied by the laser source.
  • the same photon flux is obtained on the object channel on each of the pixels of the FMCW imager as on the photodetector of each pixel of the imaging system D (see figure 13 and passages attached), but with the advantage of undistorted images for moving scenes.
  • the invention provides an active distance D imaging system, of high spatial resolution (number of points in the image given by the number of pixels), robust with respect to ambient stray light, possibly of "global shutter” type and able to operate at video rate.
  • the imaging system D comprises an optical bandpass filter, placed in front of the detector or in front of each pixel of the detector intended for the detection of the distance, for example in the event of image acquisition. RGB-z type and centered on the emission wavelength of the laser in order to filter a large part of the ambient stray light.
  • the equivalent light source (intermediate image) PS of the reference beam L ref is produced in the intermediate plane PI according to different variants.
  • the equivalent light source PS is produced using diffraction gratings in an integrated optical circuit included in the recombination optical device generating a plurality of “source points” in the intermediate plane PI.
  • the equivalent light source PS is therefore real.
  • the equivalent light source PS is produced using an intermediate optical device, in free space, producing the intermediate image of the reference beam L ref .
  • the equivalent light source PS is here the image of the reference beam L ref focused by a lens or a group of image lenses.
  • the equivalent light source PS is generally virtual.
  • FIG. 5A shows an embodiment of the invention in which the optical separation device LS comprises a first integrated optical circuit Oli in order to reduce the vertical bulk of the device.
  • the laser radiation L is coupled into a waveguide made with a material of higher index than the substrate of the integrated optical circuit.
  • the first integrated optical circuit O comprises a plurality of waveguides each comprising at least one diffraction grating, called an object grating, which separates the two reference / object paths.
  • the object networks are adapted so as to extract vertically (or more generally, to extract outside the plane of the OR circuit) a part of the light of the waveguide, forming the object beam L 0 , the other part continuing its propagation in at least one waveguide and forming the reference beam L ref .
  • the use of a plurality of diffraction gratings makes it possible to improve the uniformity or to adjust the wavefront of the object beam L 0 , while respecting a phase condition between the different gratings in order to be able to form a coherent superposition.
  • the reference beam L ref and of the object beam L or reflected on the detector Det the first integrated optical circuit Oli comprises a single diffraction grating on a single waveguide.
  • the optical projection device Proj can be adapted to project the light on the scene to be illuminated, the image of which will then be formed on the detector, for example a scene of rectangular shape.
  • the optical projection device Proj illuminates the scene according to an angular aperture cone substantially equal to the field angle of the optical imaging device Im (which is determined by its focal length and the size of the imager).
  • the optical imaging device Im which is determined by its focal length and the size of the imager.
  • the optical projection device Proj is preferably adapted to illuminate the scene uniformly, to subsequently ensure illumination and a uniform signal-to-noise ratio on the detector, in particular in the case where the scene is Lambertian. .
  • substantially uniform is meant here that the standard deviation of the light intensity on the scene is for example less than 25% of the mean of the light intensity.
  • the projection optical device Proj comprises a conventional two-stage optical device formed of a first collimating lens LPi, and a second lens LP2 which makes the image of the first lens on the stage (for example, the first lens is approximately at the object focus of the second lens LP2 to overcome the image of the source on the scene which is almost at infinity).
  • the laser source SL is at the object focus of the collimating lens LPi.
  • the set of lenses LPi, LP2 is folded up to reduce the vertical bulk of the optical projection device Proj and therefore comprises two mirrors Mi 1 , and M12 arranged at 45 °.
  • the imaging system D further comprises an optical shaping device DOE (Diffractive Optical Element) comprising periodic patterns, the period of which is of the order of the wavelength. laser radiation.
  • DOE diffractive Optical Element
  • the DOE optical device is placed after the Proj projection optical device in order to improve the uniformity of the illumination of the scene.
  • the optical device DOE can be omitted and the shaping of the beam can be carried out by the optical projection device Proj.
  • the projection optical device Proj and the optical shaping device DOE can be used alone or in combination in all of the embodiments of the invention.
  • FIG. 5B represents a schematic view of an optical recombination device SR according to one embodiment of the invention.
  • the optical recombination device SR comprises an integrated optical circuit OI2, called a second integrated optical circuit, in order to reduce the vertical bulk of the optical device SR.
  • the reference beam L ref is coupled into the second integrated optical circuit OI2 by means of an optical element FO (not shown).
  • the second integrated optical circuit OI2 comprises at least one waveguide and at least one diffraction grating called the RR reference grating making it possible to extract the light in the direction of the detector Det through at least part of the optical device. Imaging Imaging.
  • the reference network RR makes it possible to generate the equivalent of a source point constituting the intermediate image PS on the reference channel, close to the aperture diaphragm of the optical imaging device Im.
  • the second integrated optical circuit OI 2 is arranged in said plane intermediate image PI so that the reference network RR forms the intermediate image PS.
  • the reference network RR is here a network of the High ContrastGrating (HCG) type, which makes it possible to decouple the light preferably on one side of the waveguide (in FIG. 5B, towards the optical imaging device. Im).
  • HCG High ContrastGrating
  • the lateral dimensions of the RR reference network are reduced (around a few wavelengths of the laser radiation L) to allow an appropriate divergence of the reference beam L ref coming from the reference network RR and a wide illumination of the pupil to illuminate the whole of detector Det.
  • the reflected object beam L or is only slightly affected by the insertion of a waveguide and the RR grating in the light path.
  • the contrast of refractive indices of the gratings and of the waveguides remains low, and the diffraction gratings are not imaged on the detector Det.
  • the waveguide is not located in a conjugate plane of the detector Det, and therefore does not impact the formation of the image on the detector Det.
  • the substrate on which the waveguide is made can be inserted between two lenses of the optical imaging device Im, when the latter comprises at least two lenses.
  • the waveguide and the network RR of the second integrated optical circuit O are produced on a surface of the or one of the lenses of the optical imaging device Im.
  • the losses by flux diffraction are then low insofar as the waveguide is of small lateral dimension and is not imaged on the detector Det, and the area of the RR grating is small compared to the area of the pupil. .
  • the reference beam L ref is recombined with the reflected object beam L or by a plurality of reference diffraction gratings. There is then a phase relation between the reference networks so that they are adapted to create a wave front on the pixels of the detector Det whose tangent at each point does not form an angle greater than l with respect to the tangent of the wavefront of the reflected object beam L or .
  • the guides of the OI2 circuit are advantageously single-mode.
  • the circuit OI2 comprises phase shifters which may or may not be active in the waveguides or at the output of the reference network. Each diffraction grating behaves like a secondary source.
  • the networks are arranged regularly to form a matrix of rows and columns, preferably of the same period.
  • the light diffracted by all of the gratings forms light patterns regularly spaced in the plane of the detector Det, with one pattern per pixel.
  • the advantage of having a plurality of reference networks is to be able to better distribute the light patterns, to better control the uniformity of the lighting of the detector by the secondary source points and to better adjust the wavefront of the reference beam L ref with respect to the wavefront of the object beam reflected L or on the detector Det.
  • the guided reference beam L ref is decoupled towards the free space towards the optical imaging device Im using a semi-reflecting plate included in the waveguide and oriented here at 45 ° from the axis of propagation in the waveguide.
  • the optical recombination device SR makes it possible to reduce the total thickness of the imaging system D since a bulky micro-optical component is replaced (for example a semi-reflecting plate, the vertical size of which is approximately equal to the diameter of the entrance pupil of the optical imaging device Im) by a simple substrate of thickness close to or less than a millimeter.
  • a bulky micro-optical component for example a semi-reflecting plate, the vertical size of which is approximately equal to the diameter of the entrance pupil of the optical imaging device Im
  • FIG. 6 illustrates a schematic view of an imaging system D according to a first embodiment of the invention.
  • This embodiment combines the optical separation device LS of FIG. 5A and the optical recombination device SR of FIG. 5B.
  • An optical fiber FO is adapted to guide the reference beam L ref coming from the first integrated optical circuit Oli towards the second integrated optical circuit O.
  • the use of the two integrated optical circuits Oli, OI 2 makes it possible to reduce the vertical bulk of the imaging system D.
  • the imaging system D here comprises the optical projection device Proj and the optical device of DOE shaping in order to obtain uniform illumination on the stage.
  • the second integrated optical circuit OI2 comprises a plurality of reference networks.
  • FIG. 7 shows an imaging system D according to a second embodiment of the invention.
  • This second embodiment is close to that of FIG. 6, except that the first integrated optical circuit Oli and the second integrated optical circuit O no longer form a single integrated optical circuit OI3 which then comprises the optical separation device LS and said optical recombination device SR.
  • the optical separation / recombination device therefore comprises the integrated optical circuit OR in which the laser radiation L is coupled.
  • At least one waveguide of the integrated circuit called the reference waveguide GR guides the reference beam L ref towards the optical recombination device SR comprising at least one reference network RR, located on the reference waveguide.
  • the integrated optical circuit OI 3 is arranged in said intermediate image plane so that the reference grating forms the intermediate image PS.
  • the SR optical recombination device includes here a plurality of reference networks.
  • the optical recombination device SR comprises a single reference network.
  • This embodiment has the advantage of avoiding flux losses caused by the coupling / decoupling of the reference beam L ref in the optical fiber FO of the imaging system D of FIG. 6.
  • this arrangement makes it possible to reduce the complexity of the system and its bulk.
  • the one or more reference networks RR are configured so that the divergence of the source points is equal or substantially equal to the angle between the sub-beams SF1, SF2 ( see fig.ll) of the reflected object beam L or of the full-light field edge of the imaging optical device Im, in the space where the plane of the source points is located, that is to say in the plane intermediate PI. This condition makes it possible to optimize the photometry of the system.
  • FIG. 8 shows a schematic view of an imaging system D according to the second variant embodiment of the invention.
  • the optical separation / recombination device SSR further comprises an intermediate optical device SI, arranged after the optical separation device LS, and before the optical recombination device SR.
  • This intermediate optical device SI is suitable for focusing the reference beam L ref and for forming the intermediate image PS (equivalent light source) in the intermediate plane PI.
  • this intermediate optical device SI is a lens or a set of lenses.
  • the intermediate optical device SI makes it possible to shape the reference beam L ref by making it converge towards the optical imaging device Im, so that the reference beam L ref illuminates the entire detector Det, and so that the wave fronts of the reflected object L or and reference L ref beams at each pixel are similar or even identical.
  • the optical separation device LS and the optical recombination device SR can be a splitter cube or a splitter plate.
  • an assembly similar to that of the embodiment of FIG. 5A, formed of an optical projection device Proj and an optical shaping element DOE, makes it possible to illuminate the scene in a substantially uniform manner.
  • the assembly formed by the optical projection device Proj and the optical shaping element DOE is placed downstream of the optical separation device LS, on the object beam path L 0 .
  • FIG. 9 illustrates a schematic view of an imaging system D according to another embodiment of this second variant of the invention.
  • This embodiment is identical to that of FIG. 8 except for the fact that here the optical imaging device Im is vertical and the detector Det is horizontal, in order to save horizontal space at the level of the complete imaging system D.
  • the optical separation device LS can here be a separator plate replacing the second mirror Mi 2 oriented here at 45 °, which avoids having to position it above the optical projection device Proj.
  • the laser source SL is configured to emit vertically, to gain even more horizontal space.
  • the first mirror Mi 1 of the folded-up optical projection device Proj is then eliminated and the laser source SL emits the laser radiation vertically in the direction of the optical separation device LS through the collimating lens LPi.
  • This embodiment is compatible with a longer focal length since the thickness of the optical imaging device Im is not limited by the width of the imaging system D. Thus, the angular resolution is greater, giving access to more detail in the image (but with a more limited field of view).
  • the imaging system D uses the FMCW technique, and the laser source therefore operates in continuous wave.
  • the laser source SL can here be configured so that the optical frequency is modulated by a periodic linear ramp of excursion B and of duration T.
  • the detector is a matrix of pixels specialized for heterodyne detection FMCW with photodetection. and signal processing integrated in each pixel, which provides the frequency of the beats at the end of the frame time (20ms for the frame time of the video rate).
  • each pixel advantageously comprises, below a photodetector layer CP comprising the photodetector Ph, a so-called interconnection layer BE in a dielectric material transparent to the recombined beam.
  • the interconnection layer BE comprises metallic interconnects Met connected to the electronic circuit CE and to the processor UT.
  • the interconnection layer BE is arranged on one side of the photodetector Ph opposite to a side detecting said portion L or, i of the reflected object beam L or and the portion L ref of the reference beam L ref (BSI configuration for back-side illumination).
  • the electronic circuit associated with the pixel P is configured to collect the photoelectron signal generated in the photodetector Ph and representative of the beat, to convert it into voltage then for: o substituting a DC component of the heterodyne signal representative of the beat by a predetermined fixed voltage value (and of the average value of the dark current), and generating an electrical signal called a substituted signal; then o amplifying said substituted signal, and thus generating a so-called amplified signal; o detecting, using a comparator, peaks or rising or falling edges of the amplified signal; o carry out a Sig count of the number N of periods T e detected in the amplified signal.
  • Different peak detection techniques can be implemented such as, for example, a comparison with respect to a predetermined level, or a comparison of a sample with its two closest neighbors, this method being more robust compared to low frequency noise.
  • the metal interconnections transmit to the processor a signal representative of the counting of the number of periods detected.
  • the processor is then configured to determine the distance z from a point in the scene associated with the pixel P, by calculating the number N of periods T e detected during the duration T of the modulation of the optical frequency from the signal representative of the counting . Indeed, as explained previously, for a linear ramp, the
  • the distance resolution is dz “-.
  • the sampling frequency of pixel P is greater than twice, preferably three times the frequency F R, max .
  • the optical coupling in the photodetector present in each pixel P is essentially vertical, that is to say that the light of the reference and object channels propagates in the thickness of the photodetector layer CP.
  • the data stream at the output of the detector Det can be similar to that of a standard image sensor operating at video rate, the illumination information being replaced by the frequency information.
  • the light incident on pixel P is focused on the photodetector by a microlens ML if the fill factor of pixel P is less than 1. Such a factor may be desirable in order to avoid the crosstalk (spread of light) between adjacent pixels of the detector Det.
  • elements are arranged in the photodetector layer CP, between each pixel P , in order to individualize areas of the photodetector layer.
  • the microlenses can be contiguous, contiguous to a surface of the pixel matrix and adapted to optimize a collection of the reflected object beam L or and of the reference beam L ref on the pixels.
  • the laser source SL is an edge emitting laser (EEL), or a vertical cavity laser diode emitting through the surface (VCSEL for vertical-cavity surface).
  • laser emitting and the photodetector is a photodiode or an avalanche photodiode.
  • the laser source is a quantum cascade laser (QCL) and the photodetector is an array of bolometers or an infrared photodetector of the mercury-cadmium telluride (MCT) type.
  • EEL or VCSEL lasers are preferably used for laser emission at a wavelength less than 3 pm
  • QCLs are preferably used for laser emission at a wavelength greater than 3 pm.
  • free space optics is meant the propagation of an optical beam through lenses, plates and splitter cubes.
  • integrated optics is meant the propagation of an optical beam by waveguides and diffraction gratings of integrated optical circuits.
  • FIG. 11 shows an illustration of the overlap of the reflected object beam L or by the reference beam L ref on the detector Det, in one embodiment of the imaging system D.
  • the optical device d Im imaging is a thin lens, with a Diaph aperture diaphragm located on this lens.
  • This figure is similar to fig.4B.
  • the sub-beams SFi and SF are defined as the field edge beams of the reflected object beam L or illuminating the pixel Pi and the pixel P of the detector, respectively.
  • the optical separation / recombination device SSR is configured so that the longitudinal (i.e. that of the intermediate image plane PI) and lateral positions of the intermediate image PS with respect to the optical axis lead to the direction of the rays of the reference beam L ref tend as best as possible towards that of the rays of the reflected object beam L or .
  • the sub-beam SFi (also called L or, i ) is the portion of the reflected object beam L or which illuminates the pixel PI. It is a sub-beam parallel and inclined with respect to the optical axis, originating from a source point of the considered scene situated for example at infinity from the point of view of the optical imaging device Im.
  • the sub-beam L ref is the portion of the reference beam L ref which reaches the pixel considered Pi. Each ray of this sub-beam comes from a different source point. In the object space of the optical imaging device Im, these rays are parallel to the inclined sub-beam of the reflected object beam L or since they pass through the same optical imaging device Im.
  • the longitudinal position of the intermediate image PS on the optical axis AO is therefore included in the segment [MM ′].
  • the segment [MM '] has been defined above in connection with FIGS. 4A to 4D.
  • the reference beam L ref from the optical separation / recombination device SSR has at least one lens of the optical imaging device Im in common with the reflected object beam L or so that these two beams can be superimposed on the detector Det.
  • the segment [MM ′] corresponds to the projection onto the optical axis of the central zone Zc of the two sub-beams SFi, SF of the object beam reflected from the edge of the full light field.
  • the intermediate image plane PI is located upstream of the aperture diaphragm Diaph of the optical imaging device Im.
  • Source points of the intermediate image PS which would be placed in the intermediate plane PI but beyond, on either side of the segment [S1S2] would only partially illuminate the detector Det.
  • the source points of an intermediate image which would be situated too far upstream from the point M on the optical axis A0 would only partially illuminate the detector Det.
  • the lateral dimension of the intermediate image PS from the point of view of photometry is advantageously less than or equal to the dimension side of the intersection of the sub-beams SFi, SF, at the intermediate image plane PI.
  • An advantageous dimension is represented by the segment [S1S2]
  • the overlap of the angular spectra of the reflected object beam L or and of the reference beam L ref on a given pixel is greater if the aperture AP of the optical imaging device Im is small compared to its field angle of the reflected object path FOV, this field angle being equal to the divergence of the reflected object beam L or .
  • These two angular spectra are centered for the pixel of the detector Det located on the optical axis AO.
  • the intermediate image plane PI is located in the plane of the thin lens with a diameter equal to the pupil, the wave fronts of the reflected object L gold and reference L ref beams are the same. As indicated above, the quality of the detected heterodyne signal is then greatly improved.
  • the optical device for SSR separation / recombination is configured so that a divergence of the reference beam L ref from the optical device for SSR separation / recombination is equal to the angle formed by said sub-beams SFi, SF at the intermediate image plane PL
  • the reference beam L ref originating from the optical separation / recombination device SSR illuminates all of the pixels of the detector Det.
  • the optical recombination device SR is configured so that the reference network (s) form source points with a divergence equal to the field angle of the reflected object beam L or at the intermediate image plane PL
  • the optical separation / recombination device SSR is configured so that the intermediate image plane PI is located near or coincides with a plane comprising a pupil or an aperture diaphragm Diaph of the optical imaging device. Im, to improve the uniformity of illumination on the detector but also to improve the quality of the heterodyne signal detected.
  • the intermediate plane PI coincides with a plane comprising a pupil or an aperture diaphragm Diaph of the optical imaging device Im.
  • This embodiment makes it possible to minimize the average angle of the wavefront of the reflected object beam L or and that of the wavefront of the reference beam L ref on each pixel.
  • the angular difference between the reflected object beam L or and the reference beam L ref on each pixel is small enough to generate flat-tinted fringes.
  • flat tint is meant here that there is no visible fringe on the pixels.
  • the interfringe is large compared to the size of the pixels (here the size of the microlenses).
  • the intermediate image plane PI can however be located upstream of the optical imaging device Im and its pupil. This position allows greater accessibility of the image intermediate PI, which may be advantageous in the case of a guided optical configuration of the imaging system D (see FIGS. 5B, 6 and 7).
  • the intermediate image plane PI can also be located downstream of the pupil of the optical imaging device Im, while keeping at least one lens of the optical imaging device Im in common between the reflected object beam L or and the reference beam L ref , so as to generate an equivalent light source PI (here virtual).
  • FIGS. 12A and 12B illustrate an example of overlap of the reflected object beam L or and of the reference beam L ref on the detector Det, for an optical imaging device Im of the triple Gauss type.
  • the intermediate image plane PI is located respectively on the plane of the aperture diaphragm Diaph and before the first group of lenses of the optical imaging device Im. It is understood that the optical imaging device Im is not limited to a triple Gauss but can be any other objective known to those skilled in the art.
  • the two sub-beams SFi and SF2 (L or, i , L or, 2) are here the beams at the edge of the full light field of the reflected object beam L or , respectively illuminating the pixels Pi and P2 of the detector Det .
  • the lateral dimension of the intermediate image PI is given by the segment [S1S2], that is to say the lateral dimension of the intersection of the sub-beams SFi, SF2, at the intermediate image plane PL Emission cones of similar divergence of 3 source points are shown as an example.
  • the sub-beam L ref i which is the portion of the reference beam L ref which reaches the pixel considered Pi.
  • the configuration of FIG. 12B is advantageous from the point of view of structural accessibility.
  • the configuration of FIG. 12A is more optimal to ensure obtaining interference in flat tint on the matrix of pixels.
  • the angular difference between the reference beam L ref , i and the sub-beam SFi of the reflected object beam L or, i is smaller in the configuration 12A than in the configuration 12B.
  • FIG. 13 represents various elements of the imaging system D according to one embodiment, and demonstrates the effect of the speckle grains on the detection of the heterodyne signal.
  • the scene Obj observed always has in practice a certain degree of roughness. Since the imaging system D falls under coherent imaging, a speckle figure (laser granulation) is therefore formed in the image focal plane of the detector Det. The characteristic size of the speckle grains can then impact the quality of the measurement of the detected heterodyne signal.
  • the phase of the reflected object beam is substantially constant within a speckle grain, but is random between the different speckle grains.
  • the oscillations of the heterodyne signal generated by interference between the reflected object beam and the reference beam are at the same frequency for neighboring speckle grains, but are randomly out of phase between the speckle grains.
  • the photodiode which integrates all the contributions indifferently will provide an averaged signal with a weakened AC component, or even eliminated (for example in the case of two speckle grains in phase opposition: see fig. 11: case f d ⁇ a pix ).
  • f d is the average size of a speckle grain in the plane of the detector Det
  • a pix is the lateral size of a pixel (e.g. here of a microlens located above a photodiode) .
  • the diameter f d of the speckle grains is greater than the size a PiX of the photodetector (see fig. 11: case f d > a PiX )
  • the contrast of the oscillations is greater, and therefore more favorable to good detection of the heterodyne signal.
  • the surface (or the size) of the photodetector is less than the surface (or the average size) of the grains of the speckle.
  • the average speckle grain size f d in the image of a scattering object has a statistical average of 2x ⁇ xf # , where l is the wavelength of the laser source, and f # is the aperture number of the device.
  • Imaging optics the numerical aperture of the optical imaging device Im is adapted so that the average size f d of the speckle grains on the detector Det is greater than a characteristic dimension a pix of the photodetector of each pixel of the detector.
  • characteristic dimension is meant for example the side of a square photodetector (here the side of the associated microlens).
  • the following passage describes the parameters and the typical performances of the imaging system D according to one embodiment of the invention.
  • the value of the parameters used is not limiting and is given by way of example.
  • the desired distance resolution is 5cm, which sets the optical frequency deviation of the laser at 6 " ⁇ 3GHz.
  • the duration T of the optical frequency ramp of the source is therefore 20 ms.
  • the duration T of the ramp can be a sub-multiple of 20 ms, in order to be able to make several ramps in this duration T, to establish a measurement statistic and thus to improve the precision of the measurements.
  • this is only possible if the signal and signal to noise ratio are sufficient.
  • the slope of the ramp is 0.15 MHz / ps, which is a value easily accessible by modulating the injection current of a semiconductor laser.
  • FOV / 2 3.2x2.4mm.
  • the pixel size is then 5x5pm.
  • the aperture number f # of the optical imaging device Im is preferably greater than to 1.9, so as to have a characteristic speckle grain size f d in the image plane greater than the pixel size a PiX of the detector Det.
  • f # 2 is chosen with a Diaph pupil of the optical imaging device Im of 3.5 mm.
  • the power of the laser of the object beam L 0 is equal for example to lOmW, a value respecting the ocular safety standard at 1300nm.
  • a ratio of Ts equal to 95% / 5% is chosen between the powers emitted from the object / reference channels, which gives a power of 0.5 mW on the reference beam L ref .
  • the power fraction of the portion L or, i of the reflected object beam incident on each pixel P, with respect to the object power emitted is 10 15 .
  • This ratio is very low despite the relatively large opening of the optical imaging device Im, since a large part of the light of the object path is diffused outside the pupil of this optic, the portion passing through the pupil then being shared. between all the pixels P, of the detector Det.
  • the fraction of the power of the reference channel incident in each pixel is clearly greater, here of the order of 10 6 .
  • the photodetector Ph is an InGaAs photodiode with a quantum efficiency QE of 70% at 1300nm.
  • the integration time (inverse of the sampling frequency) is equal to one third of period 1 / Î R.
  • the following equation is used to calculate the flux of photons F on a pixel P, of the detector: with R the reflectance of the Lambertian scene, with Ts , T L o , T opt the transmission respectively of the optical separation device LS, of the optical recombination device SR, and of the optical imaging device Im, with f 0R ⁇ the diameter of the pupil of the optical imaging device Im, N PiX the number of pixels of the detector, and E sun the illumination of the sun.
  • the dominant noise is the noise of photons of the reference channel at the level of each of the pixels, corresponding to approximately 100 electrons (equal to / F dc ) in the integration time.
  • the ambient stray light photon noise F am b is lower (20 noise electrons with sunlight filtered through a 50nm wide bandpass filter centered on the laser wavelength).
  • the noise of the dark current about 10 electrons with a dark current of lpA
  • the read noise (a few electrons) are also much lower than the noise of photons. Under these conditions, the signal-to-noise ratio, of the order of 1 or even less, is compatible with the detection and counting of the peaks in the useful signal FAC- [0133] In the case of an imaging system of the type.
  • Single-point FMCW LIDAR which scans a scene (angular scan) with VGA resolution at video rate, having the same parameters as those used in the previous calculation, the signal to noise ratio is similar.
  • the detector should have a bandwidth of at least 10GHz, which is possible but restrictive, and the laser source should be able to be wavelength modulated at a frequency of several tens of MHz with a modulation amplitude of several GHz as explained previously.
  • the illumination device must scan the scene at a rate of several MHz.

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Abstract

L'invention porte sur un système d'imagerie (D) LIDAR cohérent comprenant : • une source laser; • un dispositif optique de séparation/recombinaison (SSR) adapté à séparer le rayonnement laser (L) en un faisceau de référence (Lref) et en un faisceau objet (Lo), et à superposer le faisceau de référence (Lref) à un faisceau objet réfléchi (Lor) par ladite scène, • un dispositif optique d'imagerie (Im) réalisant une image de la scène sur un détecteur (Det); • le détecteur (Det) comprenant une matrice de pixels Pi, iϵ[1,n] adaptés à détecter le faisceau objet réfléchi et le faisceau de référence qui forment ensemble un faisceau recombiné (Lrec) présentant une fréquence de battement représentative d'une distance de la scène éclairée; • ledit dispositif optique de séparation/recombinaison (SSR) est configuré pour former une image intermédiaire (PS) du faisceau de référence dans un plan image intermédiaire (PI) perpendiculaire audit axe optique.

Description

SYSTEME D'IMAGERIE LIDAR COHERENT
DOMAINE TECHNIQUE
[0001] La présente invention concerne le domaine de l'imagerie d'une scène à observer par un LIDAR cohérent et plus particulièrement dans le domaine de l'imagerie tridimensionnelle par lidar cohérent à détection hétérodyne.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
[0002] L'imagerie d'une scène par LIDAR (Light Détection and Ranging, en anglais) à détection hétérodyne tire parti de la nature de l'émission cohérente d'une source laser afin d'amplifier le signal utile réfléchi par la scène par un signal issu d'une voie de référence et cohérent avec le signal utile.
[0003] Dans la technique LIDAR de type FMCW, la fréquence optique de la source laser est modulée, par exemple avec une rampe linéaire périodique. La lumière issue de la source laser est divisée en deux voies. Une partie de la lumière (voie objet) est projetée sur un point de la scène où elle est rétrodiffusée, partiellement en direction d'un photodétecteur. L'autre partie (voie de référence) est envoyée vers le photodétecteur sans passer par la scène. Les deux voies interfèrent sur le photodétecteur et forment un signal hétérodyne. Les interférences produisent des battements dont la fréquence est proportionnelle au retard entre les deux voies, donc à la distance entre la scène et le photodétecteur. Plus précisément, pour une rampe linéaire, la fréquence de
2,Bz battement des oscillations est fR = — avec B l'excursion de fréquence optique (ou chirp) pendant la durée T de la rampe, z la distance, c la vitesse de la lumière. On déduit la distance z du nombre N
Ne c
(N = TXÎR) de périodes mesurées pendant la durée T : z « — 2 B . La résolution en distance est dz « — 2B .
Il est également possible de mesurer la fréquence de battement ÎR par analyse spectrale par transformée de Fourier du signal hétérodyne. La technique LIDAR de type FMCW est une technique de mesure hétérodyne optique dans la mesure où elle met en jeu plusieurs fréquences optiques.
[0004] Le signal hétérodyne (i.e. signal d'interférence) contient une composante continue généralement importante et inutile, qui est supprimée par un filtre électronique passe-haut si le photorécepteur est une photodiode. Dans les montages fibrés, il est pratique d'utiliser un coupleur 3dB qui fournit, à partir des deux voies objet et référence en entrée, deux signaux de sortie en opposition de phase qui éclairent deux photodiodes en série (photodiodes balancées). Le circuit de détection permet de faire la différence des deux photocourants, donc de supprimer le DC (mode commun) et de détecter la partie AC. La partie AC est généralement amplifiée en externe par un amplificateur trans-impédance (TIA) avant d'être traitée par une électronique externe, par exemple un oscilloscope, pour mesurer la fréquence de battement fR. Une fois la mesure effectuée, on change de point, c'est-à-dire qu'on réalise un balayage spatial séquentiel de la scène.
[0005] Cette technique est performante car la voie de référence ne subit pas les pertes importantes de rétrodiffusion, et sert à amplifier le signal reçu à l'aide du mélange interférométrique multipliant l'amplitude du signal utile. Cependant, l'image obtenue est par principe de type « rolling shutter », c'est-à-dire que la lecture des pixels est effectuée de façon séquentielle, étant donné qu'il est nécessaire de scanner la scène pour réaliser une image complète de cette dernière. Cette technique est donc perturbée par la distorsion d'images lorsque la scène comporte des objets en mouvement.
[0006] Un système d'imagerie LIDAR de type FMCW à balayage séquentiel est difficilement compatible avec une utilisation à cadence vidéo (typiquement 50Hz soit 20ms par image). Par exemple, pour une image de format QVGA (320x240 soit environ 76800 pixels), il faut changer de point toutes les 260ns et donc faire au moins une rampe en T=260ns, ce qui demande une fréquence de modulation du laser de plusieurs MHz, et même plusieurs dizaines de MHz avec des rampes linéaires. Ces valeurs sont en limite des capacités d'un laser à semiconducteur par modulation de son courant, et hors de portée d'un laser accordable par voie mécanique ou thermique. De plus, le photodétecteur doit pouvoir échantillonner le signal en respectant le théorème de Shannon, donc en pratique faire au moins 3 à 4 mesures par période l/fR = T/N = 0.26ns (par exemple pour une distance typique z=100m, en visant une résolution dz=10cm, donc N~1000), i.e. des mesures à des fréquences supérieures à la dizaine de GHz, ce qui impose une forte contrainte de rapidité et également de sensibilité sur le photodétecteur.
[0007] Une solution serait d'éclairer toute la scène de façon simultanée et de paralléliser la détection avec une matrice de détecteurs hétérodynes. Cependant, la parallélisation de la technique du LIDAR décrite ci-dessus avec traitement externe n'est pas envisageable à cause du flux de données énorme (data rate = 3 fR Nx Ny Res = (3z/dzT) Nx Ny Res ~ 100Gbit/s avec z=100m, dz=10cm, T=20ms, Nx=320, Ny=240, Res=8bits) correspondant à l'échantillonnage du photocourant à l'échelle d'une matrice complète à cadence de plusieurs GHz. C'est environ 3000 fois plus que le flux de données typique avec un capteur d'image standard de même résolution (data rate = 3 c 50Hz x Nx Ny Res).
[0008] Il est connu de réaliser de l'imagerie par LIDAR de type FMCW avec un système d'imagerie optique, comme décrit dans le document de Aflatouni et al. intitulé Nanophotonic cohérent imager, Opt. Express 23 (4), 5117-5125 (2015). Comme l'illustre la figure IA, la source laser Las est modulée en longueur d'onde par un modulateur Mod. La voie objet illumine l'objet à analyser O, et une lentille LO forme l'image de l'objet sur un imageur cohérent IC réalisé en optique intégrée, plus précisément sur une matrice de 4x4 réseaux de couplage optique Res. Comme l'illustre la figure IB, chaque réseau Res envoie la lumière couplée vers une photodiode PD à couplage latéral située en dehors de l'image, via un guide d'onde. La voie de référence est directement envoyée sur les photodiodes par une fibre optique Fib et par un réseau de guides d'ondes et de jonctions Y. La conversion du photocourant en tension est réalisée par un amplificateur trans-impédance TIA pour chacune des 16 photodiodes. Le filtrage électronique et le traitement des signaux sont effectués à l'extérieur de la puce dans un système électronique de détection SED. La détection FMCW donne accès à la distance en chaque point de l'image.
[0009] Cependant, cette configuration d'imageur LIDAR cohérent n'est pas facilement extensible à un grand nombre de pixels. Il faudrait en effet 2N guides d'onde (N pour la voie référence et N pour la voie objet) pour N pixels, c.a.d. 2 millions de guides pour un imageur à 1000x1000 pixels, ce qui pose d'importants problèmes de routage et de surface occupée. Pour augmenter artificiellement le nombre de pixels effectif de leur imageur, les auteurs recourent à la technique des prises de vue multiples avec translations mécaniques successives de l'imageur, ce qui n'est pas adapté à des scènes en mouvement.
[0010] De plus, l'architecture proposée est sensible aux grains de speckle générés par la diffusion de la lumière cohérente par la scène (l'image de l'objet dans le plan du capteur est entachée de grains de speckle, i.e. d'une granularité laser). Les battements dus à l'interférence entre la voie de référence et la voie objet affectée par les grains de speckle sont de même fréquence mais déphasés aléatoirement entre des grains de speckle voisins. Si les pixels sont plus gros que les grains de speckle, l'amplitude des oscillations résultantes est atténuée et peut devenir non détectable. Notons que, dans la configuration de Aflatouni et al. 2015, du fait de la taille des réseaux de diffraction indiquée (17xl7pm), et de la longueur d'onde de travail 1.55pm, il faudrait un nombre d'ouverture (f#) d'au moins 6 pour avoir des grains de speckle plus gros que les pixels. Cependant, une optique peu ouverte n'est pas favorable à la détection d'objets peu réfléchissants ou situés à des distances importantes et implique en contrepartie d'utiliser une source laser plus puissante.
[0011] Le document de Krause et al. intitulé Motion compensated frequency modulated continuous wave 3D cohérent imaging ladar with scannerless architecture, Appl. Opt., 51 (36), 8745- 8761 (2012), décrit une autre configuration d'un système d'imagerie LIDAR de type FMCW permettant d'obtenir une cartographie d'une scène éclairée. Il est en particulier adapté à éclairer toute la scène de manière instantanée, et comporte un détecteur matriciel. Cependant, il existe un besoin d'améliorer les performances d'un tel système d'imagerie.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0012] L'invention vise à remédier au moins en partie à certains inconvénients de l'art antérieur, et plus précisément de proposer un système d'imagerie LIDAR cohérent dont les performances sont améliorées. Ces performances peuvent se traduire par une meilleure qualité du faisceau recombiné (signal hétérodyne) détecté par les pixels du détecteur, par exemple en termes d'intensité du signal hétérodyne. Le système d'imagerie selon l'invention comporte une matrice de pixels au niveau de laquelle la scène, éclairée de manière simultanée, est imagée. Par ailleurs, chaque pixel du détecteur peut comporter un circuit électronique adapté à déterminer la fréquence du battement du faisceau recombiné (signal hétérodyne) détecté.
[0013] Un objet de l'invention peut être un système d'imagerie LIDAR cohérent comprenant : o une source laser configurée pour émettre un rayonnement laser présentant une fréquence optique modulée temporellement ; o un dispositif optique de séparation/recombinaison comprenant au moins :
■ un dispositif optique de séparation adapté à séparer spatialement le rayonnement laser en un faisceau dit faisceau de référence et en un faisceau dit faisceau objet dirigé vers une scène à observer/éclairer ;
■ un dispositif optique de recombinaison adapté à superposer spatialement le faisceau de référence à un faisceau objet réfléchi par ladite scène, dit faisceau objet réfléchi, de manière à former un faisceau recombiné, o un dispositif optique d'imagerie présentant un axe optique et réalisant une image de la scène sur un détecteur en focalisant le faisceau objet réfléchi, ledit détecteur comprenant une matrice d'une pluralité de pixels P,, i e [l,n], chacun des pixels comprenant un photodétecteur adapté à détecter une portion du faisceau objet réfléchi et une portion du faisceau de référence, le dispositif optique de séparation/recombinaison et le dispositif optique d'imagerie étant configurés pour que lesdites portions soient superposées spatialement de manière cohérente sur le pixel P,, ledit pixel pouvant comprendre un circuit électronique de traitement adapté à calculer la fréquence F, d'un battement de la portion du faisceau objet réfléchi détectée avec la portion du faisceau de référence détectée ; o ledit dispositif optique de séparation/recombinaison étant en outre configuré pour former une image intermédiaire (virtuelle ou réelle) du faisceau de référence dans un plan perpendiculaire audit axe optique, dit plan image intermédiaire, ledit plan intermédiaire étant disposé de manière à tendre vers la génération des franges d'interférence en teinte plate, obtenues par interférence entre lesdites portions, sur chaque pixel P, éclairé, o un processeur relié au détecteur et à la source laser et configuré pour déterminer une distance de points de la scène, imagés sur lesdits pixels et construire une image de distance de ladite scène, à partir de la fréquence de battement F, calculée et associée à chaque pixel P, et à partir de la fréquence optique modulée du rayonnement laser.
[0014] Selon des modes particuliers de l'invention : le dispositif optique de séparation/recombinaison est configuré de manière à ce qu'une position du plan image intermédiaire sur l'axe optique dudit dispositif optique d'imagerie soit comprise dans un segment de l'axe optique correspondant à la projection sur l'axe optique d'une zone d'intersection entre des sous-faisceaux du faisceau objet réfléchi, lesdits sous- faisceaux étant des faisceaux de bordure de champ de pleine lumière ; le dispositif optique de séparation/recombinaison est configuré de manière à ce que le plan image intermédiaire soit confondu avec un plan comprenant une pupille ou un diaphragme dudit dispositif optique d'imagerie ; le dispositif optique de séparation/recombinaison est configuré de manière à ce qu'une dimension latérale de ladite image intermédiaire soit inférieure ou égale à une dimension latérale de l'intersection desdits sous-faisceaux audit plan image intermédiaire ; le système d'imagerie comprend un dispositif optique de mise en forme, agencé sur le trajet du rayonnement laser ou du faisceau objet adapté à qu'un faisceau issu du dispositif optique de mise en forme présente une illumination uniforme sur une zone prédéterminée de la scène à observer ; une ouverture numérique du dispositif optique d'imagerie est adaptée pour qu'un diamètre <pg des grains de speckle sur le détecteur soit supérieur à une dimension caractéristique apix du photodétecteur de chaque pixel du détecteur ; le dispositif optique de séparation/recombinaison est configuré pour que, sur chaque pixel P,, un axe de propagation de ladite portion du faisceau objet réfléchi forme avec un axe de propagation de ladite portion du faisceau de référence un angle Q tel que q < l/2 apix, avec apix une dimension caractéristique du photodétecteur de chaque pixel du détecteur et l la longueur d'onde du rayonnement laser ; la source laser est configurée pour que ladite fréquence optique soit modulée par une rampe linéaire périodique d'excursion B et de durée T, et pour qu'une longueur de cohérence du rayonnement laser soit deux fois supérieure à une distance prédéterminée maximale zmax entre la scène à observer et le dispositif ; le calcul de la fréquence du battement est simultané pour tous les pixels dudit détecteur, chaque pixel P, comprenant une couche dite d'interconnexion dans un matériau diélectrique transparent au faisceau recombiné, ladite couche comprenant des interconnexions métalliques reliées au circuit électronique, ladite couche d'interconnexion étant agencée d'un côté du photodétecteur opposé à un côté détectant ladite portion du faisceau objet réfléchi et ladite portion du faisceau de référence, ledit circuit électronique associé au pixel P, étant configuré pour collecter un photocourant généré dans le photodétecteur représentatif dudit battement, pour le convertir en tension puis pour: substituer une composante DC du signal représentatif dudit battement par une valeur de tension fixe prédéterminée, générant un signal électrique dit signal substitué ; puis amplifier ledit signal substitué, générant un signal amplifié ; détecter, à l'aide d'un comparateur, des pics, ou des fronts montants ou descendants du signal amplifié, procéder à un comptage du nombre de périodes détectées, transmettre au processeur un signal représentatif dudit comptage du nombre de périodes détectées, ledit processeur déterminant la distance d'un point de la scène en calculant le nombre N de périodes détectées pendant la durée T de la modulation de la fréquence optique à partir dudit signal représentatif comptage ; une fréquence d'échantillonnage du pixel est supérieure à deux fois, préférentiellement trois fois une fréquence FR max, correspondant à la fréquence du battement associé à un objet de la scène situé à la distance prédéterminée maximale zmax, et telle que FR max = 2Bzmax/cT, avec c la vitesse de la lumière ; le dispositif optique de séparation comprend un circuit d'optique intégré, dit premier circuit d'optique intégré, dans lequel ledit rayonnement laser est couplé, au moins un guide d'onde dudit premier circuit intégré guidant ledit faisceau de référence, le premier circuit optique intégré comprenant en outre une pluralité de guides d'onde comprenant chacun au moins un réseau de diffraction, dit réseau objet, de manière à former le faisceau objet ; le dispositif optique de recombinaison comprend un circuit d'optique intégré, dit deuxième circuit d'optique intégré, dans lequel ledit faisceau de référence est couplé au moyen d'un élément optique, le deuxième circuit optique intégré comprenant au moins un guide d'onde comprenant au moins un réseau de diffraction dit réseau de référence, le réseau de référence couplant le faisceau de référence vers l'espace libre et vers le dispositif optique d'imagerie, le deuxième circuit d'optique intégré étant agencé dans ledit plan image intermédiaire de manière à ce que le réseau de référence forme l'image intermédiaire ; l'élément optique est une fibre optique (FO), guidant ledit faisceau de référence issu du premier circuit optique intégré vers ledit deuxième circuit d'optique intégré ; le dispositif optique de séparation/recombinaison comprend un circuit d'optique intégré dans lequel ledit rayonnement laser est couplé, ledit circuit d'optique intégré comprenant le dispositif optique de séparation et ledit dispositif optique de recombinaison , le dispositif optique de séparation comprenant une pluralité de guides d'onde du circuit d'optique intégré et comprenant chacun au moins un réseau de diffraction, dit réseau objet, lesdits réseaux objets couplant le faisceau objet vers l'espace libre et la scène à observer, au moins un guide d'onde dudit circuit intégré dit guide d'onde référence guidant ledit faisceau de référence vers ledit dispositif optique de recombinaison comprenant au moins un réseau de diffraction, dit réseau de référence, situé sur ledit guide d'onde de référence, le circuit d'optique intégré étant agencé dans ledit plan image intermédiaire, de manière à ce que le réseau de référence forme l'image intermédiaire ; le dispositif optique de séparation/recombinaison comprend en outre un dispositif optique intermédiaire, agencé après le dispositif optique de séparation, et avant le dispositif optique de recombinaison (SR), le dispositif optique intermédiaire étant adapté à focaliser le faisceau de référence et former ladite image intermédiaire.
[0015] Un autre objet de l'invention est une méthode d'imagerie par un système d'imagerie LIDAR cohérent, comprenant les étapes suivantes : émettre un rayonnement laser par une source laser présentant une fréquence optique modulée temporellement ; séparer spatialement, par un dispositif optique de séparation d'un dispositif optique de séparation/recombinaison, le rayonnement laser en un faisceau dit faisceau de référence et en un faisceau dit faisceau objet dirigé vers une scène à éclairer/observer ; superposer spatialement, par un dispositif optique de recombinaison du dispositif optique de séparation/recombinaison, un faisceau objet réfléchi par ladite scène, dit faisceau objet réfléchi, et le faisceau de référence, de manière à former un faisceau recombiné (signal hétérodyne) ; réaliser, par un dispositif optique d'imagerie, une image de la scène sur un détecteur en focalisant le faisceau objet réfléchi, ledit détecteur comprenant une matrice d'une pluralité de pixels P,, ie[l,n] ; détecter, sur chaque pixel, une portion du faisceau objet réfléchi et une portion du faisceau de référence qui forment ensemble une portion d'un faisceau recombiné (signal hétérodyne) présentant une fréquence de battement représentative d'une distance de la scène éclairée ; o ledit dispositif optique de séparation/recombinaison étant configuré pour former une image, dite intermédiaire, du faisceau de référence dans un plan perpendiculaire audit axe optique, dit plan image intermédiaire, la position du plan image intermédiaire sur l'axe optique étant comprise dans un segment suivant l'axe optique correspondant à la projection sur l'axe optique d'une zone d'intersection entre des sous-faisceaux du faisceau objet réfléchi, lesdits sous-faisceaux étant des faisceaux de bord de champ de pleine lumière ; déterminer, par un processeur relié au détecteur et à la source laser, une distance de points de la scène, imagés sur lesdits pixels et construire une image de distance de ladite scène, à partir de la fréquence de battement associée à chaque pixel et à partir de la fréquence optique modulée du rayonnement laser.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0016] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemples, et qui représentent, respectivement :
Les figures IA et IB, déjà décrites, sont des vues schématiques d'un système d'imagerie LIDAR de l'art antérieur ; la figure 2 est une vue schématique d'un système d'imagerie selon un mode de réalisation de l'invention ; les figures 3A et 3B sont des vues schématiques et partielles de deux exemples du système d'imagerie selon un mode de réalisation, permettant d'obtenir une cartographie de distance de toute la scène éclairée, dans une configuration en optique en espace libre (fig.3A) et dans une configuration en optique guidée (fig.3B) ; les figures 4A à 4D sont des vues schématiques et partielles du dispositif optique d'imagerie et de la matrice de pixels, illustrant : o fig.4A : pour deux pixels d'extrémité opposés et situés en bordure de la matrice de pixels : les rayons d'extrémité du faisceau objet réfléchi, et les rayons d'extrémité d'une source lumineuse équivalente du faisceau de référence ; o fig.4B : les rayons de bord de champ de pleine lumière du faisceau objet réfléchi, mettant en évidence une zone centrale située au niveau du diaphragme d'ouverture ; o fig.4C : pour un pixel d'extrémité situé en bordure de la matrice de pixels : les rayons d'extrémité du faisceau objet réfléchi, et les rayons d'extrémité d'une source lumineuse équivalente du faisceau de référence, celle-ci étant située en amont du diaphragme d'ouverture ; o fig.4D : les mêmes rayons que ceux illustrés sur la fig.4C, dans le cas où la source lumineuse équivalente est située dans le plan du diaphragme d'ouverture ;
Les figures 5A et 5B sont des vues schématiques, respectivement, d'un dispositif optique de séparation et d'un dispositif optique de recombinaison selon un mode de réalisation de l'invention ;
La figure 6 est une vue schématique d'un système d'imagerie selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
La figure 7 est une vue schématique d'un système d'imagerie selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ;
La figure 8 est une vue schématique d'un système d'imagerie selon une première variante de réalisation de l'invention ;
La figure 9 est une vue schématique d'un système d'imagerie selon une deuxième variante de réalisation de l'invention ;
La figure 10 est une vue schématique d'un pixel du système d'imagerie selon un mode de réalisation de l'invention ;
La figure 11 est une illustration du recouvrement du faisceau objet et du faisceau de référence sur des pixels du détecteur ;
Les figures 12A et 12B sont une illustration du recouvrement du faisceau objet et du faisceau de référence sur le détecteur, pour un dispositif optique d'imagerie de type 'triple Gauss', dont le plan image intermédiaire est situé respectivement sur le plan du diaphragme d'ouverture et en amont du plan du diaphragme d'ouverture (ici avant le premier groupe de lentille du dispositif optique d'imagerie de type triple Gauss) ;
La figure 13 est une vue schématique d'un système d'imagerie selon un mode de réalisation de l'invention mettant en évidence l'impact sur l'intensité du signal hétérodyne détecté que peuvent avoir les grains de speckle en fonction de leur taille.
DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
[0017] Sur les figures et dans la suite de la description, les mêmes références représentent des éléments identiques ou similaires. De plus, les différents éléments ne sont pas représentés à l'échelle de manière à privilégier la clarté des figures. Par ailleurs, les différents modes de réalisation et variantes ne sont pas exclusifs les uns des autres, et peuvent être combinés entre eux. Sauf indication contraire, les termes « sensiblement », « environ », « de l'ordre de » signifient à 10% près, et de préférence à 5% près. Par ailleurs, les termes « compris entre ... et ... » et équivalents signifient que les bornes sont incluses, sauf indication contraire.
[0018] La figure 2 représente une vue schématique d'un système d'imagerie D LIDAR cohérent selon un mode de réalisation de l'invention. Le système d'imagerie D permet d'acquérir une image de distance instantanée d'une scène à éclairer/observer Obj en réalisant une interférence d'une voie objet (faisceau objet réfléchi Lor par la scène) avec une voie de référence (faisceau de référence Lref) sur une matrice de pixels à l'aide d'un dispositif optique d'imagerie Im réalisant une image de la scène.
[0019] Notons que le système d'imagerie D est dit « LIDAR » (acronyme de Light Détection and Ranging, en anglais) dans la mesure où il est adapté à fournir une cartographie de la distance (ou image de distance) d'une scène éclairée par un signal optique cohérent. Dans le cadre de l'invention, le système imageur éclaire toute la scène de manière instantanée par un signal optique continu, et acquiert simultanément l'image de la scène éclairée pour en déterminer la distance. Le système imageur selon l'invention se distingue ainsi des systèmes LIDAR (de type à mesure par temps de vol (TOF, pour Time Of Flight, en anglais) ou même de type FMCW), dans laquelle la scène est « scannée », i.e. balayée spatialement par un signal optique.
[0020] Notons également que le système d'imagerie D est dit à détection hétérodyne dans la mesure où, pour déterminer la distance de la scène éclairée, on détermine une fréquence dite de battement d'un signal hétérodyne (faisceau recombiné) formé par l'interférence entre un faisceau de référence d'un oscillateur local et un faisceau rétrodiffusé/réfléchi par la scène éclairée, ces deux faisceaux optiques étant cohérents entre eux. Le faisceau de référence et le faisceau projeté sur la scène sont en effet tous deux issus d'un même signal optique primaire (rayonnement laser L) émis par la source laser. La détection hétérodyne est de type FMCW dans la mesure où le signal primaire est un signal continu et modulé en fréquence.
[0021] L'imageur (détecteur Det) peut être de type global shutter où tous les pixels P, sont lus au même instant. Le système imageur peut alors fournir une image de distance instantanée. En variante, il peut être de type rolling shutter, et donc présenter une lecture séquentielle des pixels Pi, par exemple ligne par ligne, où tous les pixels P, d'une même ligne sont lus simultanément.
[0022] Le système d'imagerie D comprend une source laser SL configurée pour émettre un rayonnement laser L présentant une fréquence optique FL modulée temporellement. La source laser est configurée pour qu'une longueur de cohérence de la source soit deux fois supérieure, préférentiellement 10 fois supérieure à une distance prédéterminée maximale zmax entre l'objet le plus éloigné de la scène et le système d'imagerie D. En effet, le système d'imagerie D étant un LIDAR cohérent, la longueur de cohérence lc de la source laser est supérieure à la différence de chemin optique entre la voie objet et la voie de référence - qui est approximativement la distance aller- retour entre la scène à observer Obj et le système d'imagerie D, (moins le chemin optique du faisceau de référence entre la lame de séparation et la lame de recombinaison) - afin de réaliser une détection cohérente.
[0023] La voie de référence est le trajet suivi par le faisceau de référence Lref entre la source laser SL et le détecteur matriciel Det. La voie objet est le trajet aller suivi par le faisceau objet L0 à partir de la source laser SL jusqu'à la scène, plus le trajet retour suivi par le faisceau objet réfléchi/rétrodiffusé Lor par la scène jusqu'au détecteur matriciel Det.
[0024] Le rayonnement laser L émis par la source laser SL est un signal primaire, cohérent, continu et modulé en fréquence. Il est modulé en fréquence, par exemple ici de manière linéaire, à partir d'une fréquence de départ fo sur une période de répétition T avec une largeur de bande B. Le signal est ici un signal chirpé, c'est-à-dire une onde sinusoïdale dont la fréquence instantanée évolue linéairement au cours du temps.
[0025] La source laser SL peut être, dans le cas d'une émission dans le domaine du proche infrarouge (entre 0.7 et 2pm), de type à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL, pour Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, en anglais) qui a généralement une longueur de cohérence de l'ordre du mètre, voire être du type à émission par la tranche (EEL, pour Edge Emitting Laser, en anglais) qui peut avoir une longueur de cohérence de l'ordre de la dizaine voire centaine de mètres.
[0026] Des éléments optiques passifs peuvent être situés sur le trajet optique du rayonnement laser L (signal primaire), entre la source laser SL et dispositif optique de séparation/recombinaison SSR. Ainsi, une lentille de mise en forme peut être située en sortie de la source laser SL, et permet de collimater le faisceau optique tout en en élargissant sa dimension latérale, par exemple à un diamètre de quelques millimètres. De plus, un dispositif de filtrage spatial peut être présent pour supprimer les hautes fréquences spatiales. Ainsi, le rayonnement laser L peut se propager de manière collimatée, avec un profil éventuellement gaussien et un diamètre de l'ordre de quelques millimètres, par exemple 5mm.
[0027] Le système d'imagerie D comprend un dispositif optique de séparation/recombinaison SSR comprenant au moins : o un dispositif optique de séparation LS adapté à séparer spatialement le rayonnement laser L en deux voies : une voie de référence à laquelle est associée un faisceau de référence Lref, et une voie objet à laquelle est associée un faisceau objet L0 dirigé vers la scène à éclairer Obj ; o un dispositif optique de recombinaison SR adapté à superposer spatialement le faisceau de référence Lref à un faisceau objet réfléchi par la scène, dit faisceau objet réfléchi Lor, de manière à former un faisceau recombiné Lrec (signal hétérodyne).
[0028] Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif optique de séparation est configuré pour que la répartition de l'intensité du rayonnement lumineux du faisceau de référence ef et du faisceau objet L0 soit approximativement égale à 10%/90% (en sortie du dispositif optique de séparation LS). D'autres valeurs de ratio d'intensités peuvent être choisies pour optimiser les performances photométriques du système d'imagerie D, notamment suivant les caractéristiques de la scène (par exemple, réflexion lambertienne ou spéculaire) et du système d'imagerie D (par exemple les facteurs de séparation et de recombinaison du dispositif optique de séparation et de recombinaison).
[0029] Le système d'imagerie D est donc adapté à projeter une partie du rayonnement laser L en direction d'une scène qui est à éclairer de manière instantanée. Par « scène », on entend la scène éclairée par le faisceau objet L0. Ainsi, toute la scène est éclairée instantanément par le faisceau objet L0, qui présente donc une ouverture angulaire propre à éclairer toute la scène instantanément. De préférence, la scène est en outre éclairée uniformément, c'est-à-dire que le faisceau objet L0 présente une intensité dont la distribution angulaire est constante.
[0030] Ainsi, dans le but d'éclairer la scène de manière instantanée et ici uniformément, le système d'imagerie D peut assurer une mise en forme du faisceau objet L0. Pour cela, il peut comporter au moins un élément optique adapté à rendre divergent le faisceau objet L0. L'ouverture angulaire du faisceau objet L0 est telle que toute la scène est éclairée uniformément par le faisceau objet L0. Elle est de préférence sensiblement égale à l'angle de champ du dispositif optique d'imagerie Im (par exemple égal à 20° environ). De plus, il peut comporter au moins un élément optique adapté à rendre la distribution angulaire de l'intensité constante, pour obtenir un profil plat de l'intensité, et non plus un profil gaussien. Bien entendu, les différents éléments optiques peuvent être distincts ou confondus.
[0031] Le système d'imagerie D comprend en outre un dispositif optique d'imagerie Im adapté à réaliser l'imagerie de la scène à observer Obj sur un détecteur Det en focalisant le faisceau objet réfléchi L0,r. Le détecteur Det est placé approximativement dans le plan focal image du dispositif optique d'imagerie Im. Autrement dit, la scène éclairée et le plan de réception du détecteur matriciel Det sont conjugués, à la profondeur de champ près. Selon un mode de réalisation, le dispositif optique d'imagerie Im possède une focale largement inférieure à la distance typique entre la scène et le détecteur Det, afin que la scène soit considérée à l'infini du point de vue du dispositif d'optique d'imagerie Im. Le dispositif optique d'imagerie Im est un objectif comprenant un diaphragme d'ouverture Diaph définissant la pupille physique du système. Comme détaillé plus loin, il permet de réaliser une superposition spatiale cohérente du faisceau objet réfléchi Lor avec le faisceau de référence Lref (correspondant à l'oscillateur local) sur le détecteur Det, améliorant ainsi la qualité du signal hétérodyne détecté. Notons que le dispositif optique d'imagerie Im permet l'utilisation d'une voie commune pour réaliser une image de la scène et pour faire interférer la voie objet et la voie de référence. Cela permet une plus grande compacité du système d'imagerie D par rapport aux lidars de l'art antérieur utilisant une recombinaison par guides d'onde.
[0032] Le dispositif optique d'imagerie Im présente des éléments optiques en espace libre, et comporte au moins une lentille et un diaphragme d'ouverture qui définit la pupille physique. Notons que le diaphragme d'ouverture peut ne pas être un objet physique distinct d'une lentille, mais peut être défini par le contour de la lentille. Le dispositif optique d'imagerie Im comporte un axe optique AO orthogonal au plan de réception du détecteur matriciel Det. Il est ici adapté à recevoir le faisceau objet réfléchi Lor ainsi que le faisceau de référence Lref, pour permettre leur transmission en direction du détecteur matriciel Det suivant un même axe optique AO et permettre ainsi une meilleure superposition des deux faisceaux optiques, améliorant ainsi la combinaison des deux faisceaux optiques par interférence, ce qui permet d'améliorer l'intensité du signal hétérodyne.
[0033] Selon un mode de réalisation, le dispositif optique d'imagerie Im est formé d'une lentille ou une pluralité de lentilles, par exemple un triple Gauss (cf. fig. 12A et 12B). Dans le cas où le dispositif optique d'imagerie Im comprend une pluralité de lentilles, le faisceau de référence Lref possède au moins une lentille du dispositif optique d'imagerie Im en commun avec le faisceau objet réfléchi Lor. De cette manière, le dispositif optique d'imagerie Im permet de réaliser la superposition cohérente du faisceau objet réfléchi Lor avec le faisceau de référence Lref sur le détecteur Det.
[0034] Le système d'imagerie D est adapté à ce que tous les pixels P, du détecteur matriciel Det reçoivent le faisceau de référence Lref. Ceci va de pair avec le fait que tous les pixels P, reçoivent également le signal objet réfléchi Lor. Aussi, le faisceau recombiné Lrec (signal hétérodyne) se forme au niveau de chaque pixel P,, de sorte qu'une image de distance pourra être déterminée à partir de toute la matrice de pixels P,. A titre d'exemple, un diffuseur et éventuellement une lentille convergente peuvent mettre en forme le faisceau de référence Lref selon une ouverture angulaire prédéfinie. Ces éléments optiques sont alors disposés entre les dispositifs optiques LS et SR. L'ouverture angulaire est préalablement définie, en tenant compte des différents éléments optiques du dispositif optique d'imagerie Im, pour que le faisceau de référence Lref éclaire effectivement chaque pixel P,. Notons que la lentille convergente n'est pas nécessaire entre les systèmes LS et SR, en aval du diffuseur : il suffit de positionner correctement le diffuseur sur le trajet du faisceau de référence Lref, en tenant compte de son cône de diffusion, du diamètre du faisceau de référence Lref incident sur le diffuseur, de l'ouverture du dispositif optique d'imagerie Im et de la taille de la matrice de pixels P, du détecteur Det. En variante (configuration en optique guidée décrite plus loin), des réseaux de diffraction peuvent être dimensionnés de sorte que le faisceau de référence Lref présente une ouverture angulaire permettant d'éclairer tous les pixels P,.
[0035] Le diffuseur situé entre les systèmes LS et SR et le plan de réception du détecteur matriciel Det ne sont pas conjugués, pour ainsi éviter que l'image du diffuseur ne se forme sur le détecteur matriciel Det, ce qui pourrait dégrader la qualité du signal hétérodyne à détecter. En revanche, le diffuseur peut être conjugué à un plan dit intermédiaire situé au niveau ou à proximité du diaphragme d'ouverture du dispositif optique d'imagerie Im, de manière à former une source lumineuse équivalente du faisceau de référence Lref, comme expliqué en détail plus loin.
[0036] Le détecteur Det est un détecteur matriciel. Il comprend une matrice d'une pluralité de pixels P,, avec i allant de 1 à n. Chacun des pixels P, comprend un photodétecteur Ph adapté à détecter une portion Lor,i du faisceau objet réfléchi Lor, et une portion Lref,i du faisceau de référence Lref, toutes les deux focalisées par le dispositif optique d'imagerie Im sur le pixel P,. Le plan de réception du détecteur matriciel Det est situé dans un plan conjugué de la scène par le dispositif optique d'imagerie Im (à la profondeur de champ près). Autrement dit, l'image de la scène se forme dans le plan de réception du détecteur matriciel Det. Chaque pixel P, est destiné à recevoir le faisceau de référence Lref et le faisceau objet réfléchi Lor, lesquels interfèrent entre eux pour former un signal dit hétérodyne (faisceau recombiné Lrec). Le détecteur peut être de type CMOS ou CCD.
[0037] Notons que le signal hétérodyne comporte une composante constante DChet (destinée à être filtrée) et une composante alternative périodique AChet(t) qui forme le signal utile. Cette composante alternative présente une fréquence de battement ici égale à Bt/T et donc à 2BD/cT, c étant la vitesse de la lumière. Ici t est un retard entre le faisceau objet réfléchi Lor et le faisceau de référence Lref, B la bande passante et T la période de la modulation de fréquence du signal primaire (rayonnement laser L). La détermination de la fréquence de battement permet donc d'obtenir la distance entre la scène et le détecteur matriciel Det.
[0038] Les pixels P, peuvent être formés d'une microlentille disposée en regard d'une photodiode. Chaque pixel P, présente une dimension latérale dpx définie par la taille des microlentilles, alors que la zone photosensible des photodiodes présente une dimension latérale dPd. Ici, on considère que le plan de détection est le plan dans lequel s'étendent les microlentilles.
[0039] Chaque pixel P, du détecteur Det peut comprendre un circuit électronique de traitement CE adapté à calculer la fréquence F, de battement du signal hétérodyne, c'est-à-dire du faisceau recombiné Lrec formé de l'interférence entre la portion du faisceau objet réfléchi détectée Lorjavec la portion du faisceau de référence détectée Lref,i- Le calcul de la fréquence du battement est de préférence simultané pour tous les pixels P, du détecteur Det (voir plus loin). Cela permet de réaliser une image de distance instantanée de la scène (« global shutter ») sans avoir besoin de scanner la scène point par point.
[0040] Pour cela, chaque pixel P, peut comporter une photodiode, par exemple de type pn, pin ou à avalanche, et un dispositif de conversion optique/électrique de manière à convertir le signal hétérodyne détecté en un signal électrique, par exemple une tension électrique. Le dispositif de conversion peut comporter un filtre pour filtrer la composante continue DChet du signal hétérodyne détecté et ne garder que la composante alternative AChet ; un amplificateur de l'amplitude du signal hétérodyne filtré, un détecteur et compteur des variations périodiques du signal hétérodyne filtré, pour ainsi déterminer une valeur de la fréquence de battement du signal hétérodyne. La valeur de fréquence déterminée par chaque pixel P, peut ensuite être transmise à une unité de calcul qui en déduit une cartographie de distance. La fréquence de battement peut être déterminée de manière simultanée pour tous les pixels P,, de manière à obtenir une cartographie de distance (image de distance) instantanée de la scène alors éclairée (approche de type global shutter). Comme indiqué précédemment, le système imageur 1 peut également présenter un fonctionnement en mode rolling shutter et donc présenter une lecture séquentielle des pixels P,, par exemple ligne par ligne, où tous les pixels P, d'une même ligne sont lus simultanément.
[0041] Ainsi, en fonctionnement, la source laser émet le signal primaire cohérent, continu et modulé en fréquence (rayonnement laser L), dont une partie (faisceau objet L0) est projetée sur la scène pour l'éclairer de manière instantanée. Une partie (faisceau de référence Lref) du signal primaire est transmis en direction du détecteur matriciel Det. Le dispositif optique d'imagerie Im reçoit le faisceau objet réfléchi Lor et forme l'image de la scène éclairée sur la matrice de pixels P,. Il reçoit ici également le faisceau de référence Lref, qui est transmis en direction de la matrice de pixels Pi. Le faisceau de référence Lref et le faisceau objet réfléchi Lor interfèrent et forment en chaque pixel P, un faisceau recombiné Lrec, c'est-à-dire le signal hétérodyne. Chacun des pixels P, détermine avantageusement la fréquence de battement fR du signal hétérodyne détecté, et la cartographie de distance de la scène éclairée est ensuite déterminée. [0042] Les figures 3A et 3B sont des vues schématiques et partielles d'un système d'imagerie D LIDAR à détection hétérodyne de type FMCW, adapté à déterminer une image de distance d'une scène éclairée de manière instantanée par un signal optique continu et modulé en fréquence. Le système d'imagerie D présente ici une configuration en espace libre (fig.3A) ou une configuration en optique guidée (fig.3B). Il s'agit ici d'exemples donnés à titre illustratif, étant entendu que des combinaisons et variantes de ces configurations sont possibles.
[0043] Dans l'exemple de la fig.3A (optique en espace libre), le système d'imagerie D comporte une source laser SL et une lentille 12 de mise en forme permettant de collimater le faisceau optique tout en en élargissant sa dimension latérale. Le dispositif optique de séparation LS comporte une lame semi-réfléchissante ou un cube séparateur, ici un cube séparateur 31, qui transmet une partie du signal primaire (rayonnement laser L), qui devient le faisceau objet L0, et réfléchit une partie du signal primaire, qui devient le faisceau de référence Lref.
[0044] Un élément optique 21, ici un diffuseur en transmission, est ici disposé en aval du cube séparateur 31, et est adapté à rendre divergent le faisceau objet L0. L'ouverture angulaire du faisceau objet L0 est ici telle que toute la scène est éclairée uniformément par le faisceau objet L0. Le profil d'intensité du faisceau objet L0 passe d'un profil gaussien à un profil plat. De plus, le même diffuseur 21 rend ici divergent le faisceau objet L0. Une lentille (non représentée) peut être située en aval du diffuseur (ou en amont de celui-ci) de sorte que l'ouverture angulaire présente une valeur prédéfinie, ici une valeur sensiblement égale à l'angle de champ du dispositif optique d'imagerie Im. Le dispositif optique de recombinaison SR comporte ici un cube combineur 34 assurant la transmission du faisceau de référence Lref et celle du faisceau objet réfléchi Lor en direction du détecteur Det, suivant le même axe optique. Le dispositif optique d'imagerie Im comporte ici un ensemble de lentilles 41, 43 et un diaphragme d'ouverture 42 (qui définit la pupille physique) adaptés à faire l'image de la scène éclairée sur le plan de réception du détecteur Det.
[0045] Par ailleurs, le dispositif optique de séparation/recombinaison SSR comporte ici un diffuseur 32 et une lentille 33 situées entre le cube séparateur 31 et le cube combineur 34. Le diffuseur 32 est adapté à rendre constante la distribution angulaire de l'intensité, pour ainsi obtenir un profil plat de l'intensité du faisceau de référence Lref, et non pas un profil gaussien. Le diffuseur 32 et la lentille 33 mettent en forme le faisceau de référence Lref selon une ouverture angulaire prédéfinie, en tenant compte des différents éléments optiques présents, pour que le faisceau de référence Lref éclaire effectivement tous les pixels du détecteur Det. Une telle lentille 33 n'est pas indispensable pour cela. Notons par ailleurs que le diffuseur 32 et le plan de détection ne sont pas conjugués, pour que l'image du diffuseur 32 ne se forme pas sur le détecter Det. Le dispositif optique de séparation/recombinaison SSR est en outre configuré pour former une image, dite intermédiaire PS, du faisceau de référence dans un plan perpendiculaire audit axe optique, dit plan image intermédiaire PI. Autrement dit, le diffuseur 32 est situé dans un plan conjugué avec le plan image intermédiaire PI, pour former l'image intermédiaire PS (source lumineuse équivalente), laquelle est située dans le segment [MM'] (et donc dans la zone centrale Zc) décrit plus loin.
[0046] Dans l'exemple de la fig.3B (optique guidée), le système d'imagerie D comporte un même substrat 2 fonctionnalisé. Ce dernier comporte un guide d'onde couplé à la source laser SL, qui s'étend jusqu'à une première matrice 22 de réseaux de diffraction (dispositif optique de séparation LS). Cette matrice 22 assure la projection du faisceau objet L0 en direction de la scène. Le guide d'onde propage le faisceau de référence Lref jusqu'à une deuxième matrice 35 de réseaux de diffraction (dispositif optique de recombinaison SR) qui assure la projection du faisceau de référence Lref vers le détecteur Det, en passant par le dispositif optique d'imagerie Im. Ici, la deuxième matrice 35 et le substrat 2 sont transparents au faisceau objet réfléchi Lor, de sorte qu'il est transmis et superposé au faisceau de référence Lref. Ici également, le dispositif optique de séparation/recombinaison SSR est configuré pour former l'image intermédiaire PS du faisceau de référence dans un plan image intermédiaire PI perpendiculaire audit axe optique. Autrement dit, la deuxième matrice de réseaux 35 est située dans un plan conjugué avec le plan image intermédiaire PI, pour former l'image intermédiaire PS (source lumineuse équivalente), laquelle est située dans le segment [MM'] (et donc dans la zone centrale Zc). Alternativement, la matrice de réseaux 35 est située dans le plan image intermédiaire PI et forme donc elle-même l'image intermédiaire PS (i.e. la source lumineuse équivalente du faisceau de référence Lref).
[0047] Par ailleurs, les inventeurs ont constaté que les performances du système d'imagerie D sont optimisées lorsqu'on limite voire évite la présence de franges d'interférence produites par la superposition cohérente du faisceau objet réfléchi Lor avec le faisceau de référence Lref au sein de chaque pixel P,. En effet, de telles franges peuvent conduire à l'atténuation des oscillations résultantes du battement du signal hétérodyne, dans la mesure où les pixels P, intègrent indifféremment toutes les contributions. Pour limiter voire éviter l'apparition de ces franges, le système d'imagerie D selon l'invention est configuré pour que les fronts d'ondes des deux portions incidentes Lor,i et Lref soient similaires ou identiques en chacun des pixels P,. Cela permet de limiter ainsi la génération de franges d'interférence entre ces deux faisceaux optiques incidents.
[0048] Aussi, selon l'invention, le dispositif optique de séparation/recombinaison SSR est configuré pour former une image, dite intermédiaire PS, du faisceau de référence Lref dans un plan perpendiculaire à l'axe optique AO, dit plan image intermédiaire PL De plus, la position du plan image intermédiaire PI sur l'axe optique AO est comprise dans un segment [MM'] de l'axe optique correspondant à la projection sur l'axe optique d'une zone d'intersection (appelée zone centrale Zc sur les fig.4A à 4D, 11 et 12A-12B) entre des sous-faisceaux du faisceau objet réfléchi Lor, lesdits sous-faisceaux étant des faisceaux de bord de champ de pleine lumière. Le fait de former une image du faisceau de référence Lref dans le plan image intermédiaire PI revient à former une source lumineuse équivalente (image intermédiaire PS) du faisceau de référence Lref. La source lumineuse équivalente PS est donc située dans le segment [MM'], et est avantageusement contenue dans une zone centrale Zc des rayons du faisceau objet réfléchi Lor de bord de champ de pleine lumière.
[0049] La source lumineuse équivalente PS présente en chaque point un angle d'émission du signal de référence au moins égal à l'angle de champ du dispositif optique d'imagerie Im, de sorte que chaque point de la source lumineuse équivalente PS (chaque point source) éclaire tous les pixels P,. Par ailleurs, la source lumineuse équivalente PS peut avantageusement présenter une dimension latérale au moins égale à celle de la zone centrale Zc des rayons du signal objet rétrodiffusé de bord de champ de pleine lumière.
[0050] Les figures 4A à 4D illustrent une configuration du système d'imagerie D, dans laquelle on forme une source lumineuse équivalente PS du faisceau de référence Lref dans un plan intermédiaire PI situé au niveau ou à proximité du diaphragme d'ouverture Diaph. Sur ces figures sont représentés le plan de réception du détecteur matriciel Det, le dispositif optique d'imagerie Im (lentilles 41, 43 et diaphragme d'ouverture Diaph), et la source lumineuse équivalente PS du faisceau de référence Lref·
[0051] Aussi, le dispositif optique de séparation/recombinaison SSR réalise l'image du faisceau de référence Lref dans le plan intermédiaire PL Le diffuseur 32 (fig.3A) ou la matrice de réseaux 35 (fig.3B) est donc situé dans un plan qui est conjugué au plan intermédiaire PI (ou la matrice de réseaux 35 est elle-même située dans le plan intermédiaire PI). Le positionnement longitudinal de la source lumineuse équivalente PS suivant l'axe optique AO et sa dimension latérale peuvent être déterminés par les propriétés optiques et les dimensions du diffuseur 32 (fig.3A) ou de la matrice de réseaux 35 (fig.3B), et éventuellement par des éléments optiques additionnels de mise en forme. L'angle d'émission équivalent peut être déterminé par celui du diffuseur 32 (fig.3A) ou celui de la matrice de réseaux (fig.3B) (et par d'éventuels éléments optiques additionnels de mise en forme).
[0052] Le front d'onde du faisceau de référence Lref incident en chaque pixel P, est alors rendu plus proche, voire identique à celui du faisceau objet réfléchi Lor, en termes de forme et de direction principale. On limite ainsi la génération de franges d'interférence entre ces deux faisceaux optiques, ces franges d'interférence étant susceptibles d'entraîner une dégradation de la qualité du signal hétérodyne détecté. En d'autres termes, le matrice de pixels P, du détecteur Det fait office de diaphragme de champ. [0053] On définit l'angle de champ FOV ( Field Of View, en anglais) du dispositif optique d'imagerie Im comme étant l'angle dans lequel le détecteur matriciel Det est sensible au faisceau objet réfléchi Lor au travers du dispositif optique d'imagerie Im. Il est défini ici comme étant l'angle, mesuré au centre de la pupille de sortie, entre deux rayons incidents du faisceau objet réfléchi Lor passant par un même point central de la pupille de sortie et arrivant sur deux pixels d'extrémité opposés l'un à l'autre vis-à-vis de l'axe optique AO. Un pixel d'extrémité est un pixel P, situé en bordure de la matrice de pixels. Par ailleurs, la pupille de sortie est l'image du diaphragme d'ouverture par les lentilles situées en aval de ce dernier. Ici, le point central est situé dans le plan du diaphragme d'ouverture.
[0054] Ensuite, comme l'illustre plus précisément la fig.4B, on définit une zone centrale Zc d'intersection des rayons de bord de champ de pleine lumière (SF1 et SF2 indiqués sur les fig.ll, 12A, 12B) (unvignetted field, en anglais, selon le terme utilisé dans l'ouvrage de J. E. Greivenkamp intitulé Field Guide to Geometrical Optics, SPIE Press, Bellingham, WA (2004)). Elle est définie ici comme étant la zone délimitée latéralement par l'intersection des rayons de bord de champ de pleine lumière, c'est-à-dire des rayons du faisceau objet réfléchi Lor passant au niveau le contour du diaphragme d'ouverture Diaph et arrivant sur des pixels d'extrémité de la matrice de pixels. Ces pixels d'extrémité sont ceux situés sur la bordure de la matrice de pixels, c'est-à-dire les pixels les plus éloignés de l'axe optique AO. Cette zone centrale Zc prend la forme de deux cônes partageant la même base délimitée par le contour du diaphragme d'ouverture Diaph. Les sommets des cônes sont M et M', situés sur l'axe optique AO, respectivement en amont et en aval du diaphragme d'ouverture Diaph. Ils sont les points d'extrémités longitudinales de la zone centrale Zc.
[0055] La fig.4A illustre de manière détaillée et partielle, en coupe longitudinale, le dispositif optique d'imagerie Im et le plan de réception selon une variante de réalisation, dans laquelle la source lumineuse équivalente PS du faisceau de référence Lref est située dans la zone centrale Zc, ici en amont du diaphragme d'ouverture Diaph. La zone centrale Zc est illustrée plus précisément sur la fig.4B.
[0056] On représente, pour les deux pixels d'extrémité Pxa et Pxb, d'une part les rayons de bord de champ de pleine lumière du faisceau objet réfléchi Lor (en traits pleins), et d'autre part les rayons provenant de deux extrémités opposées de la source lumineuse équivalente PS et reçus par chacun des pixels d'extrémité (en traits pointillés).
[0057] Ainsi, pour ce qui concerne le pixel d'extrémité Pxa, il reçoit ici les deux rayons Lori a, Lor2 a du faisceau objet réfléchi Lor passant par la bordure du diaphragme d'ouverture Diaph (dans le plan longitudinal), ainsi que les deux rayons Lrefi a, Lref2a du faisceau de référence Lref provenant de la bordure de la source lumineuse équivalente PS (et bien entendu tous les rayons Lor qui sont entre les rayons Lori a, Lor2a, et tous les rayons Lref qui sont entre les rayons Lrefi a, Lref2a). Les rayons Lori a et Lrefi a passent tous les deux par la même bordure du diaphragme d'ouverture Diaph et sont donc superposés. En ce qui concerne les rayons reçus par le deuxième pixel d'extrémité Pxb, on ne les détaille pas dans la mesure où la situation est similaire.
[0058] le dispositif optique de séparation/recombinaison SSR est adapté de sorte que la source lumineuse équivalente PS présente, en chacun de ses points, un cône de divergence (ou d'émission équivalente) qui couvre toute la matrice de pixels P,. Aussi, chacun des pixels P, reçoit effectivement le faisceau de référence Lref en plus du faisceau objet réfléchi Lor. Le signal hétérodyne se forme donc bien en chaque pixel P,.
[0059] La source lumineuse équivalente PS étant positionnée entre les points M et M', et présentant une dimension latérale au moins égale à celle de la zone centrale Zc, le cône de réception du faisceau de référence Lref est sensiblement identique au cône de réception du faisceau objet réfléchi Lor, ceci en chaque pixel P,.
[0060] La fig.4B est identique à la fig.4A à ceci près que les rayons du faisceau de référence Lref a et Lref b provenant de la source lumineuse équivalente PS ne sont pas représentés. On met ici en évidence la zone centrale Zc définie latéralement et longitudinalement par les rayons de bord de champ de pleine lumière Lori a, Lor2 a et Lori b, Lor2 b (ici dans un plan longitudinal). Le point M en amont du diaphragme d'ouverture Diaph est situé sur l'axe optique AO et est à l'intersection des rayons Lori a et Lor2 b, alors que le point M' en aval du diaphragme d'ouverture Diaph est situé sur l'axe optique AO et est à l'intersection des rayons Lor2a et Lori b. La dimension latérale la plus importante de la zone centrale Zc est située dans le plan du diaphragme d'ouverture Diaph.
[0061] La fig.4C est identique à la fig.4A, à ceci près que l'on considère uniquement les rayons reçus par le pixel Pxa, à savoir les rayons compris entre les rayons Lori a et Lor2a du faisceau objet réfléchi Lor, et les rayons compris entre les rayons Lrefi a et Lref2a du faisceau de référence Lref. Chaque point de cette source lumineuse équivalente PS éclaire au moins tout le plan de réception, et ici uniquement le plan de réception. Ainsi, un même pixel P, reçoit, en plus du faisceau objet réfléchi Lor, le faisceau de référence Lref provenant de tous les points de la source lumineuse équivalente PS.
[0062] On met ici en évidence le fait que l'on a réduit la différence entre les fronts d'onde de ces faisceaux optiques par rapport au cas où la source lumineuse équivalente PS serait située hors de la zone centrale Zc : on a réduit en particulier la valeur de l'angle d'écart 0a entre les directions principales de ces fronts d'onde qui sont incidents sur le pixel Pxa. Une direction principale est définie comme étant la direction moyenne du cône angulaire du faisceau incident (faisceau de référence Lref ou faisceau objet réfléchi Lor) au niveau du pixel P, considéré, ici au niveau du pixel d'extrémité Pxa.
[0063] Ainsi, le fait de former une source lumineuse équivalente PS du faisceau de référence Lref dans la zone centrale Zc permet de réduire l'angle d'écart q, au niveau du pixel P, considéré. On augmente ainsi la dimension des interfranges qui peuvent se former entre le faisceau objet réfléchi Lor et le faisceau de référence Lref. La dimension des interfranges est, au premier ordre, de l'ordre de Â/2sin0i, où l est la longueur d'onde des signaux optiques incidents. Le fait d'avoir des cônes angulaires des faisceaux optiques (faisceau de référence Lref et faisceau objet réfléchi Lor) incidents en chaque pixel P, qui soient très similaires voire identiques entre eux permet également d'augmenter la dimension de l'interfrange.
[0064] Autrement dit, il est avantageux que, sur chaque pixel P,, un axe de propagation de la portion Lor,i du faisceau objet réfléchi Lor soit colinéaire ou sensiblement colinéaire à un axe de propagation de la portion Lref du faisceau de référence Lref. Dans le cas où les faisceaux objet réfléchi Lor et de référence Lref sont approximativement des ondes planes au niveau de chaque pixel P, et si les directions de propagation de ces deux ondes font un angle Q, le pas des franges sur le capteur étant alors de 2 s lin , la condition pour avoir moins d'un interfrange par pixel (teinte plate) se traduit par q < l avec aPiX la taille de pixel, soit par exemple Q < 7° pour ! = 1300nm et
Figure imgf000022_0001
apix = 5pm. Comme indiqué plus loin, on tend ainsi à obtenir des franges d'interférence en « teinte plate ».
[0065] On améliore ainsi l'intensité détectée du signal hétérodyne. En effet, un angle d'écart Q, important entre les directions principales des fronts d'onde et/ou un écart entre les cônes angulaires des faisceaux optiques incidents conduisent à réduire la taille des interfranges, qui peut alors être de l'ordre de la taille dpx des pixels P,, voire moins. Aussi, durant le temps d'acquisition des photodétecteurs, le fait que plusieurs franges d'interférence (zones brillantes et zones sombres) soient présentes à l'échelle de chaque pixel P, peut se traduire par une dégradation de la qualité de la détection du signal hétérodyne.
[0066] Il est particulièrement avantageux que la source lumineuse équivalente PS soit située au plus près du diaphragme d'ouverture Diaph, et que sa largeur soit au moins égale et de préférence sensiblement égale à celle de la zone centrale Zc, donc ici à celle de l'orifice du diaphragme d'ouverture Diaph.
[0067] A ce titre, la fig.4D illustre une variante de la configuration illustrée sur la fig.4C, dans laquelle la source lumineuse équivalente PS est située ici sensiblement dans le plan du diaphragme d'ouverture Diaph. On remarque que, au niveau du pixel Pxa, les rayons d'extrémité Lori a et Lrefi a sont confondus, comme le sont les rayons Lor2a et Lref2a- Il en est de même pour les rayons qui définissent les directions principales de ces signaux. L'angle d'écart 0a est alors sensiblement nul. De plus, comme la source lumineuse équivalente PS couvre sensiblement toute la surface du diaphragme d'ouverture Diaph, les cônes angulaires des deux faisceaux optiques incidents en chaque pixel sont sensiblement égaux. Aussi, les fronts d'onde du faisceau objet réfléchi Lor et du faisceau de référence Lref sont sensiblement identiques. L'interfrange présente alors une dimension qui peut dépasser les dimensions de la matrice de pixels P,, de sorte que l'on peut considérer qu'il n'y a alors pas de franges d'interférence entre ces faisceaux optiques susceptibles de dégrader la qualité du signal hétérodyne détecté par chaque pixel P,. On parle alors de franges d'interférence « en teinte plate ». Les performances du diapositif d'imagerie D sont alors encore améliorées.
[0068] Un processeur UT est relié au détecteur et à la source laser afin de déterminer la distance des points de la scène imagés sur les pixels et afin de construire une image de distance instantanée de la scène. Cette construction de la scène est réalisée à partir de la fréquence de battement F, calculée et associée à chaque pixel P, et à partir de la modulation de la fréquence optique du rayonnement laser. Par image de distance, on entend ici une cartographie de la distance des différents points de la scène observée correspondant chacun à un pixel différent.
[0069] Le système d'imagerie D peut ainsi déterminer une image de distance instantanée (ou « global shutter » en anglais) où tous les points de la scène sont mesurés simultanément avec un début et une fin de mesure identiques pour tous les pixels (à condition que le détecteur Det le permette). En outre, le système d'imagerie D ne nécessite pas de moyens de « beam-steering » pour scanner la scène à cadence rapide. Pour un fonctionnement à cadence vidéo, la durée de la mesure peut aller jusqu'à 20ms, ce qui relâche les contraintes à la fois sur la rapidité de l'imageur et la modulation de la fréquence optique à fournir par la source laser. A paramètres égaux par ailleurs, à la cadence vidéo, on obtient sur la voie objet le même flux de photons sur chacun des pixels de l'imageur FMCW que sur le photodétecteur de chaque pixel du système d'imagerie D (voir figure 13 et passages rattachés), mais avec l'avantage d'images non déformées pour des scènes en mouvement.
[0070] Ainsi, l'invention propose un système d'imagerie D active de distance, de grande résolution spatiale (nombre de points dans l'image donné par le nombre de pixels), robuste par rapport à la lumière parasite ambiante, éventuellement de type « global shutter » et pouvant fonctionner à cadence vidéo. [0071] Selon un mode de réalisation, le système d'imagerie D comprend un filtre optique passe bande, placé devant le détecteur ou devant chaque pixel du détecteur destiné à la détection de la distance, par exemple en cas d'acquisition d'images de type RGB-z et centré sur la longueur d'onde d'émission du laser afin de filtrer une grande partie de la lumière parasite ambiante.
[0072] La source lumineuse équivalente (image intermédiaire) PS du faisceau de référence Lref est réalisée dans le plan intermédiaire PI selon différentes variantes. Selon une première variante, la source lumineuse équivalente PS est réalisée à l'aide de réseaux de diffraction dans un circuit d'optique intégré compris dans le dispositif optique de recombinaison générant une pluralité de « points source » dans le plan intermédiaire PI. Dans ce mode de réalisation, la source lumineuse équivalente PS est donc réelle. Selon une deuxième variante, la source lumineuse équivalente PS est réalisée à l'aide d'un dispositif optique intermédiaire, dans l'espace libre, réalisant l'image intermédiaire du faisceau de référence Lref. La source lumineuse équivalente PS est ici l'image du faisceau de référence Lref focalisé par une lentille ou un groupe de lentille image. Dans ce mode de réalisation, la source lumineuse équivalente PS est généralement virtuelle.
[0073] La figure 5A présente un mode de réalisation de l'invention dans lequel le dispositif optique de séparation LS comprend un premier circuit d'optique intégrée Oli afin de réduire l'encombrement vertical du dispositif. Le rayonnement laser L est couplé dans un guide d'onde réalisé avec un matériau d'indice plus élevé que le substrat du circuit d'optique intégré. Le premier circuit optique intégré O comprend une pluralité de guides d'onde comprenant chacun au moins un réseau de diffraction, dit réseau objet réalisant la séparation des deux voies référence/objet. En effet, les réseaux objets sont adaptés de manière à extraire verticalement (ou plus généralement, extraire hors du plan du circuit OU) une partie de la lumière du guide d'onde, formant le faisceau objet L0, l'autre partie continuant sa propagation dans au moins un guide d'onde et formant le faisceau de référence Lref. L'utilisation d'une pluralité de réseaux de diffraction permet d'améliorer l'uniformité ou d'ajuster le front d'onde du faisceau objet L0, en respectant une condition de phase entre les différents réseaux afin de pouvoir former une superposition cohérente du faisceau de référence Lref et du faisceau objet réfléchi Lor sur le détecteur Det. Cependant, selon un mode de réalisation, le premier circuit d'optique intégré Oli comprend un seul réseau de diffraction sur un seul guide d'onde.
[0074] Le dispositif optique de projection Proj peut être adapté à projeter la lumière sur la scène à éclairer dont on va ensuite former l'image sur le détecteur, par exemple une scène de forme rectangulaire. De préférence, le dispositif optique de projection Proj éclaire la scène selon un cône d'ouverture angulaire sensiblement égale à l'angle de champ du dispositif optique d'imagerie Im (qui est déterminé par sa distance focale et la taille de l'imageur). Ainsi, quelle que soit la distance de la scène, son image correspond à la taille de l'imageur.
[0075] De plus, le dispositif optique de projection Proj est préférentiellement adapté à éclairer la scène de façon uniforme, pour assurer par la suite un éclairement et un rapport signal sur bruit uniforme sur le détecteur, en particulier dans le cas où scène est lambertienne. Par sensiblement uniforme, on entend ici que l'écart-type de l'intensité lumineuse sur la scène est par exemple inférieur à 25% de la moyenne de l'intensité lumineuse. Selon un mode de réalisation, le dispositif optique de projection Proj comprend un dispositif optique classique à deux étages formé d'une première lentille de collimation LPi, et d'une seconde lentille LP2 qui fait l'image de la première lentille sur la scène (par exemple, la première lentille est approximativement au foyer objet de la seconde lentille LP2 pour s'affranchir de l'image de la source sur la scène qui est quasiment à l'infini). La source laser SL est au foyer objet de la lentille de collimation LPi. Dans ce mode de réalisation, l'ensemble de lentilles LPi, LP2 est replié pour réduire l'encombrement vertical du dispositif optique de projection Proj et comprend donc deux miroirs Mil, et M12 disposés à 45°.
[0076] Dans ce mode de réalisation, le système d'imagerie D comprend en outre un dispositif optique de mise en forme DOE (Diffractive Optical Elément ) comportant des motifs périodiques, dont la période est de l'ordre de la longueur d'onde du rayonnement laser. Le dispositif optique DOE est disposé après le dispositif optique de projection Proj afin d'améliorer l'uniformité de l'éclairement de la scène. Alternativement, le dispositif optique DOE peut être omis et la mise en forme du faisceau peut être effectuée par le dispositif optique de projection Proj. Le dispositif optique de projection Proj et le dispositif optique de mise en forme DOE peuvent être utilisés seuls ou en combinaison dans tous les modes de réalisation de l'invention.
[0077] La figure 5B représente une vue schématique d'un dispositif optique de recombinaison SR selon un mode de réalisation l'invention. Dans ce mode de réalisation, le dispositif optique de recombinaison SR comprend un circuit d'optique intégré OI2, dit deuxième circuit d'optique intégré, afin de réduire l'encombrement vertical du dispositif optique SR. Le faisceau de référence Lref est couplé dans le deuxième circuit d'optique intégré OI2 au moyen d'un élément optique FO (non représenté). Le deuxième circuit d'optique intégré OI2 comprend au moins un guide d'onde et au moins un réseau de diffraction dit réseau de référence RR permettant d'extraire la lumière en direction du détecteur Det au travers d'au moins une partie du dispositif optique d'imagerie Im. Le réseau de référence RR permet de générer l'équivalent d'un point source constituant l'image intermédiaire PS sur la voie de référence, à proximité du diaphragme d'ouverture du dispositif optique d'imagerie Im. Ainsi, le deuxième circuit d'optique intégré OI2 est agencé dans ledit plan image intermédiaire PI de manière à ce que le réseau de référence RR forme l'image intermédiaire PS.
[0078] Le réseau de référence RR est ici un réseau de type High ContrastGrating (HCG), qui permet de découpler la lumière préférentiellement d'un seul côté du guide d'onde (sur la figure 5B, vers le dispositif optique d'imagerie Im). Les dimensions latérales du réseau de référence RR sont réduites (environ quelques longueurs d'onde du rayonnement laser L) pour permettre une divergence appropriée du faisceau de référence Lref issu du réseau de référence RR et un large éclairement de la pupille pour éclairer la totalité du détecteur Det. Le faisceau objet réfléchi Lor n'est que peu affecté par l'insertion d'un guide d'onde et du réseau RR dans le trajet de la lumière. En effet, le contraste d'indices de réfraction des réseaux et des guides d'onde reste faible, et les réseaux de diffraction ne sont pas imagés sur le détecteur Det. Le guide d'onde n'est pas situé dans un plan conjugué du détecteur Det, et n'impacte donc pas la formation de l'image sur le détecteur Det. Dans le cas où on le positionne à l'intérieur du dispositif optique d'imagerie Im, le substrat sur lequel est réalisé le guide d'onde peut être inséré entre deux lentilles du dispositif optique d'imagerie Im, lorsque ce dernier comprend au moins deux lentilles.
[0079] Selon un mode de réalisation, le guide d'onde et le réseau RR du deuxième circuit d'optique intégré O sont réalisés sur une surface de la ou d'une des lentilles du dispositif optique d'imagerie Im. Les pertes par diffraction du flux sont alors faibles dans la mesure où le guide d'onde est de faible dimension latérale et n'est pas imagé sur le détecteur Det, et la surface du réseau RR est faible par rapport à la surface de la pupille.
[0080] Dans une variante de réalisation, le faisceau de référence Lref est recombiné avec le faisceau objet réfléchi Lor par une pluralité de réseaux de diffraction de référence. Il existe alors une relation de phase entre les réseaux de référence afin qu'ils soient adaptés pour créer un front d'onde sur les pixels du détecteur Det dont la tangente en chaque point ne fait pas un angle supérieur à l par rapport à la tangente du front d'onde du faisceau objet réfléchi Lor. Pour cela, les guides du circuit OI2 sont avantageusement monomodes. Selon un mode de réalisation, le circuit OI2 comprend des déphaseurs actifs ou non dans les guides d'onde ou en sortie du réseau de référence. Chaque réseau de diffraction se comporte comme une source secondaire. Les réseaux sont disposés régulièrement pour former une matrice de lignes et colonnes, de préférence de même période. De manière préférentielle, la lumière diffractée par l'ensemble des réseaux forme des motifs lumineux régulièrement espacés dans le plan du détecteur Det, avec un motif par pixel. L'avantage d'avoir une pluralité de réseaux de référence est de pouvoir mieux répartir les motifs lumineux, mieux contrôler l'uniformité de l'éclairage du détecteur par les points sources secondaires et de mieux ajuster le front d'onde du faisceau de référence Lref par rapport au front d'onde du faisceau objet réfléchi Lor sur le détecteur Det.
[0081] Alternativement, selon un autre mode de réalisation, le faisceau de référence Lrefguidé est découplé en direction de l'espace libre vers le dispositif optique d'imagerie Im à l'aide d'une lame semi-réfléchissante comprise dans le guide d'onde et orientée ici à 45° de l'axe de propagation dans le guide d'onde. L'avantage du mode de réalisation avec un réseau est de réduire les pertes de flux sur la voie de référence par rapport au mode de réalisation avec une lame semi-réfléchissante.
[0082] Dans cet exemple, le dispositif optique de recombinaison SR permet de réduire l'épaisseur totale du système d'imagerie D puisqu'on remplace un composant micro-optique volumineux (par exemple une lame semi-réfléchissante dont l'encombrement vertical est approximativement égal au diamètre de la pupille d'entrée du dispositif optique d'imagerie Im) par un simple substrat d'épaisseur proche ou inférieure au millimètre.
[0083] La figure 6 illustre une vue schématique d'un système d'imagerie D selon un premier mode de réalisation de l'invention. Ce mode de réalisation combine le dispositif optique de séparation LS de la figure 5A et le dispositif optique de recombinaison SR de la figure 5B. Une fibre optique FO est adaptée pour guider le faisceau de référence Lref issu du premier circuit d'optique intégré Oli vers le deuxième circuit d'optique intégré O . L'utilisation des deux circuits d'optiques intégrés Oli, OI2 permet de réduire l'encombrement vertical du système d'imagerie D. De plus, le système d'imagerie D comprend ici le dispositif optique de projection Proj et le dispositif optique de mise en forme DOE afin d'obtenir une illumination uniforme sur la scène. Selon un autre mode de réalisation, le deuxième circuit d'optique intégré OI2 comprend une pluralité de réseaux de référence.
[0084] La figure 7 présente un système d'imagerie D selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Ce deuxième mode de réalisation est proche de celui de la figure 6, à l'exception que le premier circuit d'optique intégré Oli et le deuxième circuit d'optique intégré O ne forment plus qu'un seul circuit d'optique intégré OI3 qui comprend alors le dispositif optique de séparation LS et ledit dispositif optique de recombinaison SR. Dans ce mode de réalisation, le dispositif optique de séparation/recombinaison comprend donc le circuit d'optique intégré OU dans lequel le rayonnement laser L est couplé. Au moins un guide d'onde du circuit intégré dit guide d'onde référence GR guide le faisceau de référence Lref vers le dispositif optique de recombinaison SR comprenant au moins un réseau de référence RR, situé sur le guide d'onde de référence. Le circuit d'optique intégré OI3 est agencé dans ledit plan image intermédiaire de manière à ce que le réseau de référence forme l'image intermédiaire PS. Le dispositif optique de recombinaison SR comprend ici une pluralité de réseaux de références. Alternativement, selon un autre mode de réalisation, le dispositif optique de recombinaison SR comprend un seul réseau de référence.
[0085] Ce mode de réalisation possède l'avantage d'éviter les pertes de flux provoquées par le couplage/découplage du faisceau de référence Lref dans la fibre optique FO du système d'imagerie D de la figure 6. De plus, cette disposition permet de réduire la complexité du système et son encombrement.
[0086] Dans les modes de réalisation des figures 5B, 6 et 7, le ou les réseaux de référence RR sont configurés pour que la divergence des points sources soit égale ou sensiblement égale à l'angle entre les sous-faisceaux SF1, SF2 (cf. fig.ll) du faisceau objet réfléchi Lor de bord de champ de pleine lumière du dispositif optique d'imagerie Im, dans l'espace où est situé le plan des points sources, c'est-à-dire dans le plan intermédiaire PI. Cette condition permet d'optimiser la photométrie du système.
[0087] La figure 8 présente une vue schématique d'un système d'imagerie D selon la deuxième variante de réalisation de l'invention. Dans cette deuxième variante, le dispositif optique de séparation/recombinaison SSR comprend en outre un dispositif optique intermédiaire SI, agencé après le dispositif optique de séparation LS, et avant le dispositif optique de recombinaison SR. Ce dispositif optique intermédiaire SI est adapté à focaliser le faisceau de référence Lref et à former l'image intermédiaire PS (source lumineuse équivalente) dans le plan intermédiaire PI. Selon un mode de réalisation, ce dispositif optique intermédiaire SI est une lentille ou un ensemble de lentilles. Plus précisément, le dispositif optique intermédiaire SI permet de mettre en forme le faisceau de référence Lref en le faisant converger vers le dispositif optique d'imagerie Im, de sorte que le faisceau de référence Lref éclaire l'intégralité du détecteur Det, et de manière à ce que les fronts d'onde des faisceaux objet réfléchi Lor et de référence Lref au niveau de chaque pixel soient similaires voire identiques. Aussi, dans ce mode de réalisation, le dispositif optique de séparation LS et le dispositif optique de recombinaison SR peuvent être un cube séparateur ou une lame séparatrice. Par ailleurs, un assemblage similaire à celui du mode de réalisation de la figure 5A, formé d'un dispositif optique de projection Proj et d'un élément optique de mise en forme DOE, permet d'éclairer la scène de façon sensiblement uniforme.
[0088] Alternativement, selon un autre mode de réalisation de cette deuxième variante, l'ensemble formé par le dispositif optique de projection Proj et l'élément optique de mise en forme DOE est placé en aval du dispositif optique de séparation LS, sur le trajet du faisceau objet L0.
[0089] La figure 9 illustre une vue schématique d'un système d'imagerie D selon un autre mode de réalisation de cette deuxième variante de l'invention. Ce mode de réalisation est identique à celui de la figure 8 à l'exception du fait qu'ici le dispositif optique d'imagerie Im est vertical et le détecteur Det est horizontal, afin de gagner en encombrement horizontal au niveau du système d'imagerie D complet. Cela permet notamment de positionner le dispositif optique de recombinaison SR entre les dispositifs optiques de projection Proj et d'imagerie Im. De plus, le dispositif optique de séparation LS peut ici être une lame séparatrice remplaçant le second miroir Mi2 orienté ici à 45°, ce qui évite de devoir la positionner au-dessus du dispositif optique de projection Proj.
[0090] Alternativement, selon un autre mode de réalisation, la source laser SL est configurée pour émettre verticalement, pour gagner encore plus en encombrement horizontal. Le premier miroir Mil du dispositif optique de projection Proj replié est alors supprimé et la source laser SL émet le rayonnement laser verticalement en direction du dispositif optique de séparation LS au travers de la lentille de collimation LPi. Ce mode de réalisation est compatible avec une distance focale plus longue puisque l'épaisseur du dispositif optique d'imagerie Im n'est pas limitée par la largeur du système d'imagerie D. Ainsi, la résolution angulaire est plus grande, donnant accès à davantage de détails dans l'image (mais avec un champ de vision plus limité).
[0091] Le système d'imagerie D utilise la technique FMCW, et la source laser fonctionne donc en émission continue (continuous wave en anglais). La source laser SL peut ici être configurée pour que la fréquence optique soit modulée par une rampe linéaire périodique d'excursion B et de durée T. Dans ce mode de réalisation, le détecteur est une matrice de pixels spécialisés pour la détection hétérodyne FMCW avec photodétection et traitement du signal intégrés dans chaque pixel, qui fournit la fréquence des battements à l'issue du temps trame (20ms pour le temps trame de la cadence vidéo).
[0092] Comme l'illustre la figure 10, chaque pixel comprend avantageusement, en dessous d'une couche photodétectrice CP comprenant le photodétecteur Ph, une couche dite d'interconnexion BE dans un matériau diélectrique transparent au faisceau recombiné. La couche d'interconnexion BE comprend des interconnexions métalliques Met reliées au circuit électronique CE et au processeur UT.
[0093] La couche d'interconnexion BE est agencée d'un côté du photodétecteur Ph opposé à un côté détectant ladite portion Lor,i du faisceau objet réfléchi Lor et la portion Lref du faisceau de référence Lref (configuration BSI pour back-side illumination). Le circuit électronique associé au pixel P, est configuré pour collecter le signal de photoélectron généré dans le photodétecteur Ph et représentatif du battement, pour le convertir en tension puis pour : o substituer une composante DC du signal hétérodyne représentatif du battement par une valeur de tension fixe prédéterminée (et de la valeur moyenne du courant d'obscurité), et générer un signal électrique dit signal substitué ; puis o amplifier ledit signal substitué, et générer ainsi un signal dit amplifié ; o détecter, à l'aide d'un comparateur, des pics, ou des fronts montants ou descendants du signal amplifié ; o procéder à un comptage Sig du nombre N de périodes Te détectées dans le signal amplifié.
[0094] Différentes techniques de détection de pics peuvent être mises en œuvre comme par exemple, par exemple une comparaison par rapport à un niveau prédéterminé, ou une comparaison d'un échantillon avec ses deux plus proches voisins, cette méthode étant plus robuste par rapport aux bruits basse fréquence.
[0095] Les interconnexions métalliques transmettent au processeur un signal représentatif du comptage du nombre de périodes détectées. Le processeur est alors configuré pour déterminer la distance z d'un point de la scène associé au pixel P, en calculant le nombre N de périodes Te détectées pendant la durée T de la modulation de la fréquence optique à partir du signal représentatif du comptage. En effet, comme expliqué précédemment, pour une rampe linéaire, la
2,Bz fréquence des oscillations est fR = Le nombre N {N « TfR, avec fR = 1/Te ) de périodes
Figure imgf000030_0001
mesurées pendant la durée T permet de calculer la distance d'un point de la scène z = Nc/2B. La résolution en distance est dz « — .
2 B [0096] Le pixel P, détecte ainsi le signal hétérodyne sinusoïdal représentatif du battement dont la durée est le temps trame de la sinusoïde de plus haute fréquence FR max correspondant à la fréquence du battement associé à un objet de la scène situé à la distance prédéterminée maximale Zmax, telle que : FR max = 2Bzmax/cT, avec c la vitesse de la lumière dans le vide.
[0097] Afin d'éviter le sous-échantillonnage, selon le théorème de Shannon, la fréquence d'échantillonnage du pixel P, est supérieure à deux fois, préférentiellement trois fois la fréquence FR,max. Le couplage optique dans le photodétecteur présent dans chaque pixel P, est essentiellement vertical, c'est-à-dire que la lumière des voies référence et objet se propage dans l'épaisseur de la couche photodétectrice CP.
[0098] Le flux de données en sortie du détecteur Det peut être similaire à celui d'un capteur d'image standard fonctionnant à cadence vidéo, l'information d'illumination étant remplacée par l'information de fréquence. [0099] Selon un mode de réalisation, la lumière incidente sur le pixel P, est focalisée sur le photodétecteur par une microlentille ML si le facteur de remplissage du pixel P, est inférieur à 1. Un tel facteur peut être souhaitable afin d'éviter le crosstalk (étalement de la lumière) entre pixels adjacents du détecteur Det. Dans ce cas, des éléments sont agencés dans la couche photodétectrice CP, entre chaque pixel P,, afin d'individualiser des zones de la couche photodétectrice. Les microlentilles peuvent être jointives, accolées à une surface de la matrice de pixel et adaptées pour optimiser une collection du faisceau objet réfléchi Lor et du faisceau de référence Lref sur les pixels.
[0100] Selon un mode de réalisation, la source laser SL est un laser à émission par la tranche (EEL pour edge emitting laser en anglais), ou une diode laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL pour vertical-cavity surface-emitting laser en anglais) et le photodétecteur est une photodiode ou une photodiode à avalanche. Alternativement, selon un autre mode de réalisation, la source laser est un laser à cascade quantique (QCL) et le photodétecteur est une matrice de bolomètres ou un photodétecteur infrarouge de type tellurure de mercure-cadmium (MCT). Les lasers EEL ou VCSEL sont préférentiellement utilisés pour une émission laser à une longueur d'onde inférieure à 3pm, et les QCLs sont préférentiellement utilisés pour une émission laser à une longueur d'onde supérieure à 3pm.
[0101] Le tableau suivant présente, à titre non limitatif, différentes technologies adaptées à la réalisation du système d'imagerie D des différents modes de réalisation de l'invention :
Figure imgf000031_0001
[0102] Par optique en espace libre, on entend la propagation d'un faisceau optique au travers de lentilles, lames et cubes séparateurs. Par optique intégrée, on entend la propagation d'un faisceau optique par des guides d'onde, et des réseaux de diffraction des circuits d'optique intégrée.
[0103] La figure 11 présente une illustration du recouvrement du faisceau objet réfléchi Lor par le faisceau de référence Lref sur le détecteur Det, dans un mode de réalisation du système d'imagerie D. Par souci de clarté, le dispositif optique d'imagerie Im est une lentille mince, avec un diaphragme d'ouverture Diaph situé sur cette lentille. Cette figure est similaire à la fig.4B. [0104] On considère deux pixels Pi et P du détecteur Det en bord de champ. Il s'agit de pixels d'extrémité, dans le sens où ils sont situés en bordure de la matrice de pixels. On définit les sous faisceaux SFi et SF comme les faisceaux de bord de champ du faisceau objet réfléchi Lor illuminant respectivement le pixel Pi et le pixel P du détecteur. Le dispositif optique de séparation/recombinaison SSR est configuré de sorte que les positions longitudinale (c'est-à-dire celle du plan image intermédiaire PI) et latérale de l'image intermédiaire PS par rapport à l'axe optique conduisent à ce que la direction des rayons du faisceau de référence Lref tendent le mieux possible vers celle des rayons du faisceau objet réfléchi Lor.
[0105] Le sous-faisceau SFi (également appelé Lor,i) est la portion du faisceau objet réfléchi Lor qui illumine le pixel PI. C'est un sous-faisceau parallèle et incliné par rapport à l'axe optique, issu d'un point source de la scène considéré situé par exemple à l'infini du point de vue du dispositif optique d'imagerie Im.
[0106] Le sous faisceau Lref, est la portion du faisceau de référence Lref qui parvient au pixel considéré Pi. Chaque rayon de ce sous-faisceau est issu d'un point source différent. Dans l'espace objet du dispositif optique d'imagerie Im, ces rayons sont parallèles au sous-faisceau incliné du faisceau objet réfléchi Lor puisqu'ils traversent le même dispositif optique d'imagerie Im.
[0107] Aussi, la position longitudinale de l'image intermédiaire PS sur l'axe optique AO est donc comprise dans le segment [MM']. Le segment [MM'] a été défini plus haut en lien avec les fig.4A à 4D. Le faisceau de référence Lref issu du dispositif optique de séparation/recombinaison SSR a au moins une lentille du dispositif optique d'imagerie Im en commun avec le faisceau objet réfléchi Lor afin que ces deux faisceaux puissent être superposés sur le détecteur Det. Plus précisément, le segment [MM'] correspond à la projection sur l'axe optique de la zone centrale Zc des deux sous- faisceaux SFi, SF du faisceau objet réfléchi de bord de champ de pleine lumière. Ici, le plan image intermédiaire PI est situé en amont du diaphragme d'ouverture Diaph du dispositif optique d'imagerie Im.
[0108] Des points sources de l'image intermédiaire PS (source lumineuse équivalente) qui seraient placés dans le plan intermédiaire PI mais au-delà, de part et d'autre du segment [S1S2] n'éclaireraient que partiellement le détecteur Det. De même, les points sources d'une image intermédiaire qui serait située trop en amont du point M sur l'axe optique AO n'éclaireraient que partiellement le détecteur Det.
[0109] La dimension latérale de l'image intermédiaire PS du point de vue de la photométrie (pour limiter les pertes sur la voie de référence) est avantageusement inférieure ou égale à la dimension latérale de l'intersection des sous-faisceaux SFi, SF , au plan image intermédiaire PI. Une dimension avantageuse est représentée par le segment [S1S2]
[0110] Le recouvrement des spectres angulaires du faisceau objet réfléchi Lor et du faisceau de référence Lref sur un pixel donné est plus important si l'ouverture AP du dispositif optique d'imagerie Im est faible par rapport à son angle de champ de la voie objet réfléchi FOV, cet angle de champ étant égal à la divergence du faisceau objet réfléchi Lor. Ces deux spectres angulaires sont centrés pour le pixel du détecteur Det situé sur l'axe optique AO.
[0111] Si le plan image intermédiaire PI est situé dans le plan de la lentille mince avec un diamètre égal à la pupille, les fronts d'onde des faisceaux objet réfléchi Lor et de référence Lref sont confondus. Comme indiqué plus haut, la qualité du signal hétérodyne détecté est alors fortement améliorée.
[0112] Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif optique de séparation/recombinaison SSR est configuré de sorte qu'une divergence du faisceau de référence Lref issu du dispositif optique de séparation/recombinaison SSR est égale à l'angle formé par lesdits sous-faisceaux SFi, SF au plan image intermédiaire PL Ainsi, le faisceau de référence Lref issu du dispositif optique de séparation/recombinaison SSR éclaire l'intégralité des pixels du détecteur Det. Le dispositif optique de recombinaison SR est configuré pour que le ou les réseaux de référence forment des points sources avec une divergence égale à l'angle de champ du faisceau objet réfléchi Lor au plan image intermédiaire PL
[0113] Selon l'invention, le dispositif optique de séparation/recombinaison SSR est configuré pour que le plan image intermédiaire PI soit situé à proximité ou confondu avec un plan comprenant une pupille ou un diaphragme d'ouverture Diaph du dispositif optique d'imagerie Im, pour améliorer l'uniformité de l'éclairage sur le détecteur mais également améliorer la qualité du signal hétérodyne détecté.
[0114] Selon un mode de réalisation, le plan intermédiaire PI est confondu avec un plan comprenant une pupille ou un diaphragme d'ouverture Diaph du dispositif optique d'imagerie Im. Ce mode de réalisation permet de minimiser l'angle moyen du front d'onde du faisceau objet réfléchi Lor et celui du front d'onde du faisceau de référence Lref sur chaque pixel. Ainsi, l'écart angulaire entre le faisceau objet réfléchi Lor et le faisceau de référence Lref sur chaque pixel est suffisament faible pour générer des franges en teinte plate. Par « teinte plate », on entend ici qu'il n'existe pas de frange visible sur les pixels. Autrement dit, l'interfrange est grand par rapport à la taille des pixels (ici à la taille des microlentilles).
[0115] Le plan image intermédiaire PI peut toutefois être situé en amont du dispositif optique d'imagerie Im et de sa pupille. Cette position permet une plus grande accessibilité de l'image intermédiaire PI, ce qui peut être avantageux dans le cas d'une configuration en optique guidée du système d'imagerie D (cf. fig. 5B, 6 et 7).
[0116] Le plan image intermédiaire PI peut également être situé en aval de la pupille du dispositif optique d'imagerie Im, tout en gardant au moins une lentille du dispositif optique d'imagerie Im en commun entre le faisceau objet réfléchi Lor et le faisceau de référence Lref, afin manière à générer une source lumineuse équivalente PI (ici virtuelle).
[0117] Les figures 12A et 12B illustrent un exemple de recouvrement du faisceau objet réfléchi Lor et du faisceau de référence Lref sur le détecteur Det, pour un dispositif optique d'imagerie Im de type triple Gauss. Le plan image intermédiaire PI est situé respectivement sur le plan du diaphragme d'ouverture Diaph et avant du premier groupe de lentilles du dispositif optique d'imagerie Im. Il est entendu que le dispositif optique d'imagerie Im n'est pas limité à un triple Gauss mais peut être tout autre objectif connu de l'homme de l'art.
[0118] Les deux sous-faisceaux SFi et SF2 (Lor,i, Lor,2) sont ici les faisceaux en bord de champ de pleine lumière du faisceau objet réfléchi Lor, illuminant respectivement les pixel Pi et P2 du détecteur Det. La dimension latérale de l'image intermédiaire PI est donnée par le segment [S1S2], c'est-à-dire la dimension latérale de l'intersection des sous-faisceaux SFi, SF2, au plan image intermédiaire PL Des cônes d'émission de divergence similaire de 3 points sources sont illustrés à titre d'exemple. Est également représenté le sous faisceau Lref,i qui est la portion du faisceau de référence Lref qui parvient au pixel considéré Pi. Comme mentionné précédemment, la configuration de la figure 12B est avantageuse d'un point de vue de l'accessibilité structurelle du plan image intermédiaire PI (en particulier dans la configuration en optique guidée), alors que la configuration de la figure 12A est plus optimale pour assurer l'obtention d'interférences en teinte plate sur la matrice de pixels. En effet, l'écart angulaire entre le faisceau de référence Lref,i et le sous-faisceau SFi du faisceau objet réfléchi Lor,i est plus faible dans la configuration 12A que dans la configuration 12B.
[0119] La figure 13 représente différents éléments du système d'imagerie D selon un mode de réalisation, et met en évidence l'effet des grains de speckle sur la détection du signal hétérodyne. La scène Obj observée présente toujours en pratique un certain degré de rugosité. Le système d'imagerie D relevant de l'imagerie cohérente, il se forme donc une figure de speckle (granulation laser) dans le plan focal image du détecteur Det. La taille caractéristique des grains de speckle peut alors impacter la qualité de la mesure du signal hétérodyne détecté. La phase du faisceau objet réfléchi est sensiblement constante à l'intérieur d'un grain de speckle, mais est aléatoire entre les différents grains de speckle. Ainsi, les oscillations du signal hétérodyne générées par interférence entre le faisceau objet réfléchi et le faisceau de référence sont à la même fréquence pour des grains de speckle voisins, mais sont déphasées aléatoirement entre les grains de speckle.
[0120] Aussi, si plusieurs grains de speckle sont présents dans un seul pixel, la photodiode qui intègre indifféremment toutes les contributions va fournir un signal moyenné avec une composante AC affaiblie, voire même supprimée (par exemple dans le cas de deux grains de speckle en opposition de phase : cf. fig. 11 : cas fd < apix). Ici, fd est la taille moyenne d'un grain de speckle dans le plan du détecteur Det, et apix est la taille latérale d'un pixel (par ex. ici d'une microlentille située au-dessus d'une photodiode). A l'inverse, dans le cas où le diamètre fd des grains de speckle est supérieur à la taille aPiX du photodétecteur (cf. fig. 11 : cas fd > aPiX), le contraste des oscillations est plus important, et donc plus favorable à une bonne détection du signal hétérodyne.
[0121] Aussi, dans un mode de réalisation de l'invention, la surface (ou la taille) du photodétecteur est inférieure à la surface (ou la taille moyenne) des grains du speckle. La taille moyenne fd de grain du speckle dans l'image d'un objet diffuseur a une moyenne statistique de 2xÂxf#, où l est la longueur d'onde de la source laser, et f# est le nombre d'ouverture du dispositif optique d'imagerie Im. Ainsi, dans ce mode de réalisation de l'invention l'ouverture numérique du dispositif optique d'imagerie Im est adaptée de sorte que la taille moyenne fd des grains de speckle sur le détecteur Det est supérieure à une dimension caractéristique apix du photodétecteur de chaque pixel du détecteur. Par dimension caractéristique, on entend par exemple le côté d'un photodétecteur carré (ici le côté de la microlentille associée).
[0122] Le passage suivant décrit les paramètres et les performances typiques du système d'imagerie D selon un mode de réalisation de l'invention. La valeur des paramètres utilisée n'est pas limitative et est donnée à titre d'exemple.
[0123] Dans cet exemple, on suppose que la distance prédéterminée maximale de la scène par rapport au détecteur Det est z = 10m. On suppose que la résolution en distance souhaitée est de 5cm, ce qui fixe l'excursion de la fréquence optique du laser à 6 « ~3GHz.
Figure imgf000035_0001
[0124] Afin de travailler en cadence vidéo, on souhaite réaliser une image de distance de la scène en l/50Hz=20ms au maximum. La durée T de la rampe de fréquence optique de la source est donc 20ms. Alternativement, la durée T de la rampe peut être un sous-multiple de 20ms, pour pouvoir faire plusieurs rampes dans cette durée T, établir une statistique de mesures et ainsi améliorer la précision des mesures. Cependant, cela n'est possible que si le signal et le rapport signal sur bruit sont suffisants.
[0125] La pente de la rampe est 0.15 MHz/ps, qui est une valeur facilement accessible par modulation du courant d'injection d'un laser à semi-conducteur. La fréquence des oscillations qui seront détectées par les pixels du détecteur est fR = — ~10kHz : la période de ces oscillations 1/Î
Figure imgf000036_0001
R = 100ps.
[0126] Dans le cas d'un champ de vision FOV de 26x19° (32° en diagonale) et un dispositif optique d'imagerie Im de f = 7mm de distance focale, la taille minimale du détecteur Det est alors égale à 2xfxtan(FOV/2) = 3.2x2.4mm. Pour un format VGA (640x480 pixels), la taille de pixel est alors de 5x5pm.
[0127] Dans le cas d'une longueur d'onde l du laser de 1300nm (avec, par exemple, un détecteur en germanium ou InGaAs), le nombre d'ouverture f# du dispositif optique d'imagerie Im est de préférence supérieur à 1.9, pour ainsi avoir une taille caractéristique fd de grain de speckle dans le plan image supérieure à la taille aPiX de pixel du détecteur Det. On choisit par exemple f# = 2 avec une pupille Diaph du dispositif optique d'imagerie Im de 3.5mm.
[0128] La puissance du laser du faisceau objet L0 est égale par exemple à lOmW, une valeur respectant la norme de sécurité oculaire à 1300nm. On choisit par exemple un ratio de Ts égal à 95%/5% entre les puissances émises des voies objet/référence, ce qui donne une puissance de 0.5mW sur le faisceau de référence Lref.
[0129] En considérant un facteur de réflectance diffuse de la scène Obj lambertienne de 20% et un dispositif optique de recombinaison qui est un cube semi-réfléchissant avec un ratio de TLO égal à 95%/5% en recombinaison, la fraction de puissance de la portion Lor,i du faisceau objet réfléchi incidente sur chaque pixel P, par rapport à la puissance objet émise est 1015. Ce rapport est très faible malgré l'ouverture relativement importante du dispositif optique d'imagerie Im, puisqu'une grande partie de la lumière de la voie objet est diffusée en dehors de la pupille de cette optique, la portion traversant la pupille étant ensuite partagée entre tous les pixels P, du détecteur Det. La fraction de la puissance de la voie de référence incidente dans chaque pixel est nettement supérieure, de l'ordre ici de 106. [0130] On suppose à présent que le photodétecteur Ph est une photodiode en InGaAs avec une efficacité quantique QE de 70% à 1300nm. De plus, afin de respecter le théorème de Shannon, le temps d'intégration (inverse de la fréquence d'échantillonnage) est égal à un tiers de période 1/ÎR. L'équation suivante permet de calculer le flux de photons F sur un pixel P, du détecteur : avec R la réflectance de la scène lambertienne, avec Ts,TLo,Topt la transmission respectivement du dispositif optique de séparation LS, du dispositif optique de recombinaison SR, et du dispositif optique d'imagerie Im, avec f0Rί le diamètre de la pupille du dispositif optique d'imagerie Im, NPiX le nombre de pixel du détecteur, et Esun l'éclairement du soleil.
[0131] Après détection du signal hétérodyne, la composante continue DC du signal détecté (c'est- à-dire le signal électronique du flux moyen incident de la voie objet et de la voie de référence sur le pixel) obtenu pendant le temps d'intégration est FDc = 13000 électrons. La composante alternative AC, i.e. le signal utile FAC, (le signal électronique représentatif du battement) modulé à la fréquence fRmax, porteur de l'information de distance, varie entre 15 et 140 électrons suivant le positionnement (imprévisible) des temps d'intégration dans le signal sinusoïdal.
[0132] Le bruit dominant est le bruit de photons de la voie de référence au niveau de chacun des pixels, correspondant à environ 100 électrons (égal à /Fdc ) dans le temps d'intégration. Le bruit de photons de la lumière parasite ambiante Famb est plus faible (20 électrons de bruit avec la lumière du soleil filtrée au travers d'un filtre passe-bande de largeur 50nm centré sur la longueur d'onde du laser). Le bruit du courant d'obscurité (environ 10 électrons avec un courant d'obscurité de lpA) et le bruit de lecture (quelques électrons) sont eux aussi bien plus faibles que le bruit de photons. Dans ces conditions, le rapport signal sur bruit, de l'ordre de 1 voire inférieur, est compatible avec la détection et le comptage des pics dans le signal utile FAC- [0133] Dans le cas d'un système d'imagerie de type LIDAR FMCW mono-point qui scanne une scène (balayage angulaire) avec une résolution VGA à cadence vidéo, possédant les mêmes paramètres que ceux utilisé dans le calcul précédent, le rapport signal sur bruit est similaire. Cependant, le détecteur devrait avoir une bande passante d'au moins 10GHz, ce qui est possible mais contraignant, et la source laser devrait pouvoir être modulée en longueur d'onde à une fréquence de plusieurs dizaines de MHz avec une amplitude de modulation de plusieurs GHz comme expliqué précédemment. De plus, le dispositif d'illumination doit effectuer un balayage de la scène à une cadence de plusieurs MHz. Ces valeurs sont difficilement compatibles avec les technologies actuelles.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système d'imagerie (D) LIDAR cohérent comprenant : o une source laser (SL) configurée pour émettre un rayonnement laser (L) présentant une fréquence optique (FL) modulée temporellement ; o un dispositif optique de séparation/recombinaison (SSR) comprenant au moins :
• un dispositif optique de séparation (LS) adapté à séparer spatialement le rayonnement laser
(L) en un faisceau dit faisceau de référence (Lref) dirigé vers un dispositif optique d'imagerie (Im), et en un faisceau dit faisceau objet (L0) dirigé vers une scène à éclairer (Obj) ;
• un dispositif optique de recombinaison (SR) adapté à superposer spatialement le faisceau de référence (Lref) à une partie du faisceau objet réfléchi par ladite scène, dite faisceau objet réfléchi (Lor) ; o le dispositif optique d'imagerie (Im) présentant un axe optique (AO), réalisant une image de la scène éclairée sur un détecteur (Det) en focalisant le faisceau objet réfléchi (Lor), o le détecteur (Det) comprenant une matrice de pixels P,, ie[l,n], chacun des pixels P, comprenant un photodétecteur (Ph) adapté à détecter une portion (Lor,i) du faisceau objet réfléchi (Lor) et une portion (Lref,i) du faisceau de référence (Lref) qui forment ensemble une portion d'un faisceau recombiné (Lrec) présentant une fréquence de battement représentative d'une distance de la scène éclairée ; o un processeur (UT) relié au détecteur (Det) et à la source laser (SL), et configuré pour déterminer une distance de points de la scène, imagés sur lesdits pixels et construire une image de distance de ladite scène, à partir de la fréquence de battement (F,) associée à chaque pixel P, et à partir de la fréquence optique modulée du rayonnement laser ; o caractérisé en ce que :
• ledit dispositif optique de séparation/recombinaison (SSR) est en outre configuré pour former une image, dite intermédiaire (PS), du faisceau de référence (Lref) dans un plan perpendiculaire audit axe optique, dit plan image intermédiaire (PI), la position du plan image intermédiaire (PI) sur l'axe optique (AO) étant comprise dans un segment (MM') suivant l'axe optique correspondant à la projection sur l'axe optique d'une zone d'intersection (Zc) entre des sous-faisceaux du faisceau objet réfléchi (Lor), lesdits sous-faisceaux étant des faisceaux de bord de champ de pleine lumière.
2. Système d'imagerie (D) selon la revendication 1, dans lequel ledit dispositif optique de séparation/recombinaison (SSR) est configuré de sorte que le plan image intermédiaire (PI) est confondu avec un plan comprenant une pupille ou un diaphragme d'ouverture dudit dispositif optique d'imagerie (Im).
3. Système d'imagerie (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel ledit dispositif optique de séparation/recombinaison (SSR) est configuré de sorte qu'une dimension latérale de ladite image intermédiaire (PS) est inférieure ou égale à une dimension latérale de l'intersection desdits sous-faisceaux dans le plan image intermédiaire (PI).
4. Système d'imagerie (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit dispositif optique de séparation/recombinaison (SSR) est configuré de manière à ce qu'une divergence du faisceau de référence (Lref) issu du dispositif optique de séparation/recombinaison est égale à un angle formé par lesdits sous-faisceaux dans le plan image intermédiaire (PI).
5. Système d'imagerie (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif optique de séparation/recombinaison (SSR) est configuré de sorte que, pour chaque pixel Pi, un axe de propagation de ladite portion (Lor,i) du faisceau objet réfléchi (Lor) forme, avec un axe de propagation de ladite portion (Lref,i) du faisceau de référence, un angle Q tel que Q < Â/(2xapix), avec aPix une dimension caractéristique du photodétecteur de chaque pixel du détecteur, et l la longueur d'onde du rayonnement laser (L).
6. Système d'imagerie (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comprenant un dispositif optique de mise en forme (DOE), disposé sur le trajet du rayonnement laser ou du faisceau objet (L0), et configuré pour qu'un faisceau issu du dispositif optique de mise en forme (DOE) présente une illumination uniforme de la scène à observer.
7. Système d'imagerie (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif optique d'imagerie (Im) présente une ouverture numérique telle qu'un diamètre fd de grains de speckle sur le détecteur (Det) est supérieur à une dimension caractéristique aPiX du photodétecteur de chaque pixel P, du détecteur (Det).
8. Système d'imagerie (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la source laser (SL) est configurée de sorte que ladite fréquence optique est modulée par une rampe linéaire périodique d'excursion B et de durée T, et pour qu'une longueur de cohérence du rayonnement laser soit deux fois supérieure à une distance prédéterminée maximale zmax entre la scène à éclairer (Obj) et le système d'imagerie (D).
9. Système d'imagerie (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel chaque pixel P, comprend un circuit électronique de traitement (CE) adapté à calculer la fréquence F, d'un battement de la portion du faisceau recombiné (Lrec).
10. Système d'imagerie (D) selon la revendication 9, dans lequel, le calcul de la fréquence du battement F, étant simultanée pour tous les pixels P, dudit détecteur (Det), chaque pixel P, comprenant une couche dite d'interconnexion dans un matériau diélectrique transparent au faisceau recombiné (Lrec), ladite couche d'interconnexion comprenant des interconnexions métalliques (Met) reliées au circuit électronique (CE), ladite couche d'interconnexion étant agencée d'un côté du photodétecteur opposé à un côté détectant ladite portion (Lor,i) du faisceau recombiné (Lrec), ledit circuit électronique associé au pixel P, étant configuré pour collecter un photocourant généré dans le photodétecteur (Ph) représentatif de la fréquence de battement F,, pour le convertir en tension, puis pour : o substituer une composante DC du signal représentatif de la fréquence de battement par une valeur de tension fixe prédéterminée, générant un signal électrique dit signal substitué ; puis o amplifier ledit signal substitué, générant un signal amplifié ; o détecter, à l'aide d'un comparateur, des pics, ou des fronts montants ou descendants du signal amplifié, o procéder à un comptage (Sig) du nombre de périodes détectées, transmettre au processeur un signal représentatif dudit comptage du nombre de périodes détectées, o ledit processeur déterminant la distance d'un point de la scène en calculant le nombre N de périodes détectées pendant la durée T de la modulation de la fréquence optique à partir dudit signal représentatif du comptage.
11. Système d'imagerie (D) selon la revendication 9 ou 10, dans lequel une fréquence d'échantillonnage du pixel est supérieure à deux fois, préférentiellement trois fois, une fréquence FR,max correspondant à la fréquence du battement associé à un objet de la scène situé à une distance prédéterminée maximale zmax, et telle que FR max = 2Bzmax/cT, avec c la vitesse de la lumière.
12. Système d'imagerie (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le dispositif optique de séparation (LS) comprend un circuit d'optique intégré, dit premier circuit d'optique intégré, dans lequel ledit rayonnement laser est couplé, au moins un guide d'onde dudit premier circuit intégré guidant ledit faisceau de référence (Lref), le premier circuit optique intégré comprenant en outre une pluralité de guides d'onde comprenant chacun au moins un réseau de diffraction, dit réseau objet, de manière à former le faisceau objet (L0).
13. Système d'imagerie (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel le dispositif optique de recombinaison (SR) comprend un circuit d'optique intégré, dit deuxième circuit d'optique intégré (OI2), dans lequel ledit faisceau de référence (Lref) est couplé au moyen d'un élément optique (FO), le deuxième circuit optique intégré comprenant au moins un guide d'onde comprenant au moins un réseau de diffraction dit réseau de référence (RR), le réseau de référence couplant le faisceau de référence vers l'espace libre et vers le dispositif optique d'imagerie (Im), le deuxième circuit d'optique intégré (OI2) étant agencé dans ledit plan image intermédiaire de manière à ce que le réseau de référence forme l'image intermédiaire (PS).
14. Système d'imagerie (D) selon les revendications 12 et 13, dans lequel ledit élément optique est une fibre optique (FO), guidant ledit faisceau de référence issu du premier circuit optique intégré vers ledit deuxième circuit d'optique intégré.
15. Système d'imagerie (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le dispositif optique de séparation/recombinaison comprend un circuit d'optique intégré dans lequel ledit rayonnement laser est couplé, ledit circuit d'optique intégré comprenant le dispositif optique de séparation (LS) et ledit dispositif optique de recombinaison (SR), o le dispositif optique de séparation (LS) comprenant une pluralité de guides d'onde du circuit d'optique intégré et comprenant chacun au moins un réseau de diffraction, dit réseau objet, lesdits réseaux objets couplant le faisceau objet vers l'espace libre et la scène à observer, o au moins un guide d'onde dudit circuit intégré dit guide d'onde référence (GR) guidant ledit faisceau de référence (Lref) vers ledit dispositif optique de recombinaison (SR) comprenant au moins un réseau de diffraction, dit réseau de référence (RR), situé sur ledit guide d'onde de référence, le circuit d'optique intégré étant agencé dans ledit plan image intermédiaire demanière à ce que le réseau de référence forme l'image intermédiaire (PS).
16. Système d'imagerie (D) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le dispositif optique de séparation/recombinaison comprend en outre un dispositif optique intermédiaire (SI), agencé après le dispositif optique de séparation (LS), et avant le dispositif optique de recombinaison (SR), le dispositif optique intermédiaire (SI) étant adapté à focaliser le faisceau de référence et former ladite image intermédiaire.
17. Méthode d'imagerie par un système d'imagerie (D) LIDAR cohérent, comprenant les étapes suivantes : o émettre un rayonnement laser (L) par une source laser (SL) présentant une fréquence optique (FL) modulée temporellement ; o séparer spatialement, par un dispositif optique de séparation (LS) d'un dispositif optique de séparation/recombinaison (SSR), le rayonnement laser (L) en un faisceau dit faisceau de référence (Lref) et en un faisceau dit faisceau objet (L0) dirigé vers une scène à éclairer (Obj) ; o superposer spatialement, par un dispositif optique de recombinaison (SR) du dispositif optique de séparation/recombinaison (SSR), un faisceau objet réfléchi par ladite scène, dit faisceau objet réfléchi (Lor), et le faisceau de référence (Lref) ; o réaliser, par un dispositif optique d'imagerie (Im), une image de la scène sur un détecteur (Det) en focalisant le faisceau objet réfléchi, ledit détecteur (Det) comprenant une matrice d'une pluralité de pixels P,, ie[l,n] ; o détecter, sur chacun des pixels P,, une portion (Lor,i) du faisceau objet réfléchi (Lor) et une portion (Lref,i) du faisceau de référence (Lref) qui forment ensemble une portion d'un faisceau recombiné (Lrec) présentant une fréquence de battement représentative d'une distance de la scène éclairée ;
• ledit dispositif optique de séparation/recombinaison (SSR) étant configuré pour former une image, dite intermédiaire (PS), du faisceau de référence (Lref) dans un plan perpendiculaire audit axe optique, dit plan image intermédiaire (PI), la position du plan image intermédiaire (PI) sur l'axe optique (AO) étant comprise dans un segment (MM') suivant l'axe optique correspondant à la projection sur l'axe optique d'une zone d'intersection entre des sous- faisceaux du faisceau objet réfléchi (Lor), lesdits sous-faisceaux étant des faisceaux de bord de champ de pleine lumière ; déterminer, par un processeur (UT) relié au détecteur (Det) et à la source laser (SL), une distance de points de la scène, imagés sur lesdits pixels et construire une image de distance de ladite scène, à partir de la fréquence de battement (F,) associée à chaque pixel (P,) et à partir de la fréquence optique modulée du rayonnement laser.
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