Réalisation d'un télémètre laser avec des APDs et des PLDs
La cible en vue - Télémètre laser
Le marché des télémètres laser ne cesse de croître. Développés pour des applications haut de gamme dans le domaine militaire et industriel, les capteurs laser sont aujourd'hui plus abordables que jamais grâce à leur entrée dans les produits grand public. Au cœur de la mesure optique de la distance se trouvent des diodes laser et des photodiodes de haute qualité et d'un bon rapport qualité-prix.
Les capteurs laser comme produit de masse
Beyond Borders
La mesure de la distance et l'orientation sans contact peuvent déjà être observées dans la nature. Un exemple bien connu est celui de la chauve-souris, qui est capable de s'orienter dans l'obscurité absolue. Pour ce faire, elle utilise l'écholocation ; le mammifère détermine la distance et la direction des obstacles à partir des signaux réfléchis.
En s'inspirant de la nature, on a cherché des méthodes qui permettraient à l'homme d'utiliser ce type de localisation. Ces systèmes de localisation peuvent également être utilisés par les machines et les aveugles pour s'orienter. Un développement innovant de VISTAC, par exemple, est une canne longue à laser (Figure 1), qui sert d'aide à la mobilité pour les personnes souffrant de graves déficiences visuelles et les aveugles. Un capteur laser, composé d'une diode laser et d'un détecteur, est intégré dans la canne.
Le faisceau laser est élargi de manière à identifier les obstacles situés exactement au-dessus de la canne, dans la zone de la tête et de la poitrine de la personne malvoyante, et qui ne seraient pas identifiés simplement en les touchant avec la canne. Si la lumière réfléchie par un obstacle est mesurée, le dispositif de signalisation commence à vibrer. De cette manière, comme dans l'exemple de la nature ci-dessus, l'information oui/non est transmise pour l'orientation spatiale.
L'industrie automobile tire également parti de cette technologie et offre davantage de confort et de sécurité grâce aux systèmes d'aide à la conduite. En 2005, plus de 40 000 personnes ont perdu la vie sur les routes européennes. Un programme d'e-sécurité lancé par la Commission européenne vise à réduire de moitié le nombre d'accidents d'ici 2010. Les systèmes d'avertissement de distance (voir figure 2), les assistants de maintien dans la voie et les systèmes de freinage d'urgence pour les véhicules circulant trop près sont autant d'exemples d'applications de sécurité routière.
Toutes les informations sur l'environnement de conduite, les systèmes d'alerte précoce ou les aides au stationnement augmentent la sécurité routière. D'un point de vue juridique, l'introduction de systèmes d'aide à la conduite supplémentaires doit encore faire l'objet d'un examen très attentif. Par exemple, qui sera tenu pour responsable si un système fonctionne mal et provoque un accident ?
Ce problème ne se pose pas pour les utilisateurs qui souhaitent mesurer rapidement et sans contact des distances allant jusqu'à plusieurs kilomètres à l'aide d'un télémètre laser moderne. Il peut s'agir d'un petit télémètre laser portable ou d'un télémètre intégré dans une lunette de visée ou des jumelles. Ces systèmes sont utilisés, par exemple, par les golfeurs qui veulent améliorer leur handicap ou par les chasseurs qui veulent viser leur cible avec précision. Vous n'avez pas non plus à vous soucier de votre vue, car le laser à semi-conducteur dans l'optique de visée répond aux exigences de la classe de sécurité laser 1.
L'élément de base du télémètre laser est la mesure optique de la distance basée sur le principe du temps de vol des impulsions (« TOF »). Cet outil sans contact permet de mesurer des distances et des vitesses allant de quelques centimètres à des kilomètres.
Durée de pulse – Principe de fonctionnement
Beyond Borders
Dans la mesure du temps de vol, une impulsion lumineuse modulée dans le temps est émise de manière très focalisée par un émetteur optique. Le temps d'arrivée de la lumière réfléchie est utilisé pour déterminer le temps de vol Δt de la lumière.
À partir de là, la distance l est déterminée à l'aide de la vitesse de la lumière c. Comme la lumière parcourt deux fois le trajet, la distance doit être divisée par deux. Le pouvoir de réfraction n du milieu environnant réduit la vitesse de la lumière.
L'avantage de cette méthode est la brièveté du temps de réponse. La plage de mesure du TOF est comprise entre 1 mètre et plusieurs dizaines de kilomètres. L'inconvénient est la nécessité de mesurer à des intervalles très courts (nanosecondes à picosecondes). Il est donc difficile d'obtenir une résolution supérieure à quelques centimètres. Pour réduire les exigences en matière de mesure du temps, on utilise des méthodes dans lesquelles le faisceau laser lui-même est modulé en fréquence ou modulé par un signal à haute fréquence.
Le laser en tant qu'émetteur
Beyond Borders
La plupart des diodes laser sont conçues pour émettre une puissance d'onde continue (CW) de quelques mW à plusieurs watts. Ces diodes laser ne peuvent être suralimentées que dans une mesure limitée. Si la puissance optique dépasse la valeur maximale spécifiée, même pendant une courte période, la lumière intense détruit le résonateur interne de la diode.
En revanche, les diodes laser pulsées (PLD) sont conçues pour des surcharges courtes et fortes et sont donc idéales pour les mesures de temps de vol. Pour obtenir des performances optimales, les diodes doivent être pilotées avec un rapport cyclique très faible, de l'ordre de 0,1 %. Cela signifie qu'une impulsion de 100 ns, par exemple, est suivie d'une "pause" de 100 µs. Pour obtenir des séquences d'impulsions dans la gamme des kHz, l'impulsion optique doit donc être très courte. En règle générale, on génère des impulsions de quelques 10 ns avec des temps de montée très courts. Pour ce faire, la diode doit être alimentée par une forte impulsion de courant (de l'ordre d'un à deux chiffres d'ampères). Générer de telles impulsions n'est pas une tâche facile. Elle nécessite notamment des transistors de commutation spéciaux et un câblage court.
La longueur d'onde d'émission est un critère important dans le choix d'une diode laser pulsée. Selon le matériau de base utilisé pour les couches actives, différentes longueurs d'onde d'émission peuvent être générées. La longueur d'onde de 905 nm, invisible à l'œil humain, s'est imposée pour les télémètres laser dans les secteurs de la consommation, de l'industrie et de l'automobile. Un détecteur au silicium, dont la sensibilité maximale se situe à cette longueur d'onde (voir ci-dessous), convient comme récepteur.
Technologie "multi-jonction" pour une performance maximale
Beyond Borders
Le matériau utilisé est l'AlGaAs. La structure AlGaAs des diodes laser à 905 nm est connue depuis de nombreuses années pour sa fiabilité, ses propriétés de faisceau et sa stabilité à la température. Avec une efficacité de 1 W/A, les émetteurs individuels atteignent jusqu'à 40 W.
Des puissances plus élevées peuvent être obtenues grâce à la technologie "multi-jonction" développée par LASER COMPONENTS. Dans ce cas, plusieurs diodes laser sont empilées de manière épitaxiale dans une puce, de sorte que la distance entre deux émetteurs n'est que d'environ 4 µm. Il est ainsi possible d'obtenir jusqu'à 75 W avec une seule diode, en fonction de la taille de la bande. Des puissances de crête plus élevées ne peuvent être obtenues qu'avec des structures empilées (figure 4c) : Des puissances de crête de 220 W avec une longueur d'impulsion de 100 ns ; avec des impulsions plus courtes, des "éclairs de lumière" de plus de 400 W sont également possibles.
Outre la longueur d'onde et les spécifications électro-optiques, la fiabilité est un critère important pour sélectionner la bonne PLD. Comme pour les autres sources lumineuses, et en particulier les lasers à semi-conducteurs, la durée de vie des PLD dépend également des conditions d'utilisation. Les PLD peuvent être fortement surchargées avec des impulsions courtes de quelques ns ou à de faibles fréquences de répétition sans être endommagées. Alors qu'une seule impulsion laser suffit pour des applications militaires telles que la détonation optique de munitions, les scanners de sécurité dans l'industrie nécessitent une utilisation garantie 24 heures sur 24 pendant des années.
La formule empirique suivante, basée sur des années d'expérience et de mesures, est utilisée pour calculer le taux de défaillance moyen des PLD à 905 nm :
MTTF= k x {P/L}-6x tw-2 x F-1 x f(T)
Les dispositions suivantes s'appliquent :
- Po/L in mW/µm (puissance de crête optique / longueur de l'émetteur)
- tw in ns (Longueur d'impulsion)
- F in kHz (Fréquence de répétition)
- f(T) = 1 @ 25 °C (Facteur de multiplication en fonction de la température du boîtier)
- k = Constante, en fonction du matériau du laser (par exemple : 1,7 x 1021 pour les PLD de 905 nm de Laser Components)
Le boîtier dans lequel la puce PLD est installée contribue également à la fiabilité et aux performances. Jusqu'à présent, les applications sensibles au prix devaient compter sur des diodes laser pulsées dans des boîtiers en plastique.
Avec la série 905DxxUA, LASER COMPONENTS propose des diodes laser pulsées à bas prix / haut de gamme dans un boîtier métallique TO56 hermétiquement scellé. En fonction de la conception et de la structure de la puce, la puissance de crête varie de 5 W à 75 W. Les avantages du boîtier métallique avec fenêtre en verre sont évidents :
- La fenêtre en verre permet d'obtenir des caractéristiques de rayonnement propres
- Positionnement très précis de la puce dans le boîtier
- Bon comportement thermique
- Fiabilité maximale
- Bonne capacité de surmultiplication
- Faibles inductances et donc temps de montée courts
Le récepteur
Beyond Borders
Les photodiodes PIN en silicium ou les photodiodes à avalanche (APD) sont généralement placées du côté du récepteur dans les systèmes de mesure de distance par laser afin de détecter les courtes impulsions lumineuses des PLD. Elles sont sensibles dans la gamme spectrale allant de 400 nm à 1100 nm et leur sensibilité maximale se situe à environ 900 nm. La durée de vie de ces composants n'est pratiquement pas critique. Si elles sont manipulées correctement, les photodiodes à avalanche ne présentent pratiquement aucun signe de vieillissement.
Dans les photodiodes PIN classiques, les photons incidents génèrent des paires électron-trou, également appelées porteurs de charge, qui produisent un photocourant mesurable. L'énergie des photons incidents a donc été convertie en énergie électrique. Les APD vont encore plus loin. Contrairement aux photodiodes PIN « normales », une avalanche de charges est déclenchée lorsque des photons arrivent sur une APD.
Les diodes à avalanche sont donc particulièrement adaptées à l'amélioration de la sensibilité. La condition préalable est qu'une tension inverse soit appliquée à la diode APD afin d'élargir la zone de déplétion. Dans cette zone, les porteurs de charge libérés par la lumière sont accélérés dans le champ électrique de telle sorte qu'ils génèrent d'autres paires électron-trou par ionisation d'impact. Le courant généré est calculé comme suit :
(a) I = Ro x M x Ps
où Ro (A/W) est la sensibilité spectrale de l'APD, M est le gain interne et Ps (Watt) est la puissance lumineuse incidente. L'amplification de l'APD dépend de la tension inverse appliquée.
Sélection de produits
APDs et PLDs pour la mesure DE DISTANCE PAR LASER
1100 - 1700 nm
Efficacité maximale grâce à un excellent rapport signal/bruit.
Des barrettes APD linéaires permettant de nouvelles applications dans les radars à laser LIDAR et les systèmes de régulation automatique de la vitesse - ACC.
Record mondial de la plus courte durée d’impulsion pour la Diode Laser Pulsée QuickSwitch® à 905 nm.
Diodes laser pulsées avec pigtail fibre. Versions à 950 nm et 1550 nm disponibles.
Mono-émetteur à 850 nm 13 W
Diodes laser fonctionnant à 1550 nm jusqu’à 50 W
Emetteurs simples, blocs et diodes laser pulsées et à jonctions multiples allant jusqu’à 650 W.
APD avec une excellente efficacité quantique pour le comptage de photons.
Les détecteurs Si-APD sont destinées à la bande spectrale 260 nm à 1100 nm.
Photodiodes à Avalanche Optimisées pour le Nd:YAG
APDs avec préamplificateur ajusté intégré en boîtiers hermétiques compacts.
CES APDS ONT UNE GRANDE SENSIBILITÉ DANS LA GAMME DE LONGUEURS D'ONDE DUV/UV.
Cliquez ici
LASER COMPONENTS France - Votre partenaire compétent pour les composants optiques et optoélectroniques en France.
Bienvenue chez LASER COMPONENTS S.A.S., votre expert en composants photoniques. Notre large gamme de produits (détecteurs, diodes laser, modules laser, optiques, fibres optiques et autres) vaut chaque euro (€/EUR). Nos solutions sur mesure couvrent tous les domaines d'application imaginables : de la technique de détection à la technique médicale. Vous pouvez nous joindre ici :
45 Bis Route des Gardes
92190 Meudon
France
Tél.: +33 (0) 139 595 225
E-Mail: serviceclient(at)
