[Lentille] - Débutant - Question a propos des lentilles sur télémètres laser ?

[Vincent PETIT]

Bonjour,
J'aimerai, pour un projet perso, expérimenter un télémètre par une triangulation laser.
Ayant été professionnel de l'électronique un bon moment, je ne devrais pas rencontrer de problème insurmontable de ce côté là (microcontrôleur, programmation, capteur, dimensionnement des composants etc...). En revanche mon problème est en optique.

Ce que je souhaiterai faire, c'est ceci :

Je comprends que l'angle de retour du laser et lié à la distance de l'obstacle, que je peux le calculer via le capteur et en fonction des caractéristiques de la lentille de réception.

J'ai déjà le capteur qui est un réseau de 128x1 photodiodes et qui ressemble à celui de l'image.



Je pense qu'il me faut un filtre, sur le capteur, pour isoler la longueur d'onde de la diode laser sinon je vais être gêné par la lumière ambiante puisque mon capteur est sensible sur les longueurs d'ondes allant de 400 à 1000nm ?
Où trouve t-on de tels filtres ? Y a t-il des sites spécialisés ? Avez vous des prix ?
Quel est le rôle de la lentille pour la diode laser ?
Comment dimensionne t-on une lentille ? Je sais que la distance lentille/capteur important mais je n'en sais pas beaucoup plus.
Y a t-il des sites spécialisés pour des lentilles ? Avez vous des prix ? Ou encore, savez vous dans quel objet puis je en récupérer une pour faire un essai ?

Comme c'est pour un projet perso et aussi par grande curiosité, je n'ai pas de contrainte de taille ni d'exigences particulières autrement dit je ne souhaite pas mesurer au millimètre prés.

En cherchant sur le net, j'ai trouvé beaucoup de choses théorique dont ce site http://www.julight.it/electro-optical-sensing/ qui explique 3 techniques de calcul de distance. Je connaissais le calcul du temps de vol mais sur une courte distance c'est mission impossible. Une mesure de durée entre l'impulsion émise et celle reçue n'est pas faisable car ça va beaucoup trop vite. Idem si un tente d'alimenter la diode laser en sinusoïdale pour essayer de mesurer la différence de phase (retard) entre l'émission et la réception.

Par contre, il parle aussi de l’interférométrie.

Mais je n'ai aucune idée de ce que le photo détecteur va recevoir en fonction de la distance ? Si jamais quelqu'un pourrait m'éclairer... de son miroir, je lui en serais reconnaissant.

D'avance merci.
Vincent
-----

[LPFR]

Bonjour.
Un capteur de 128 pixels ce n’est pas terrible. Ceux utilisés dans les scanners (p.e. imprimantes) ont beaucoup plus de pixels (au moins 2048).

La lentille côté laser sert à fabriquer un faisceau au peu près parallèle. Tous les pointeurs laser en ont une.
Côté capteur, elle sert à former l’image du monde sur le capteur, de sorte que le point de réflexion du laser tombe toujours sur la ligne de photodiodes.
Si l’orientation du système lentille+capteur est telle que l’image d’une réflexion infiniment lointaine tombe sur l’extrémité (haute dans l’image) du capteur, les images des réflexions plus proches tomberont sur des pixels de plus en plus bas.
Avec la position du pixel éclairé, il suffit de faire un peu de trigonométrie pour calculer la distance.
Le seul problème est alors être sur que le pixel pris est le bon, et non un autre éclairé par une source externe. Dans ce cas, un filtre qui ne laisse paser que la lumière de la couleur du laser peut aider. Il y a d’autres méthodes plus compliquées et plus sures (comme moduler la lumière du laser).

La dernière méthode est celle de l’interféromètre de Michelson.
Elle n’est pas à la portée de bricoleurs. Il faut des bancs et des composants optiques de haute précision et des utilisateurs connaisseurs.
Au revoir.

[fabang]

Chez Edmun scientifique tu trouveras lentilles, filtres, miroir etc...
Si ti lis attentivement la datasheet des diodes laser, tu verras que le faisceau est légèrement divergent et qu'une lentille (ou plusieurs genre triplet) de correction est nécessaire.
Le signal optique de retour est assez faible, et une modulation permet de le retrouver dans le bruit ambiant par filtrage. La résolution tu télémètre est largement amélioré par une analyse sub-pixel, en effet la tache projetée couvre toujours plusieurs pixels.

[LPFR]

Re.
Petite observation : le faisceau d’une diode laser est sacrément divergent.
Beaucoup plus qu’un fusil à canon scié.
L’angle d’ouverture est de l’ordre de 40-70°.
Et ceci est du simplement aux dimensions réduites de l’ouverture de sortie (de l’ordre du µm.
Sans lentille, on aurait du mal à faire la différence avec une LED ordinaire.
A+

[A voir en vidéo sur Futura]

[Vincent PETIT]

Tout d'abord merci a vous deux pour les explications et conseils.

-> Pour la lentille d'émission, je suppose qu'il faut une lentille de Fresnel puisqu'il faut que je rende parallèle le faisceau laser ?
-> Concernant la lentille de réception, je ne suis pas sur mais je dirai qu'il me faut une lentille convergente. Il me faudra placer mon capteur judicieusement entre le Foyer l'image et la lentille pour qu'il soit pleinement fonctionnel ?

Quel type de lentille convergente serait le mieux adapté ? Bi-convexe ? Plan convexe ? Y a t-il des subtilités ?

Je prends bonne note de la médiocrité de mon capteur 128x1 pixels néanmoins je pense (j'espère) pouvoir valider mon projet même si je ne peux mesurer que sur 2m par exemple. Ensuite je serai que pour avoir plus de précision et de portée, il suffira de jouer avec la qualité du capteur / lentille etc... Je me répète mais je ne cherche pas concurrencer un produit en particulier car des télémètres laser bas de gammes, aux performances raisonnables, ne coûtent plus très cher aujourd'hui. Je voudrai faire ce projet par pure curiosité (j'ai un sérieux problème avec les sciences en générales... je veux toujours tout expérimenter bref...)

Je suis allé voir chez http://www.edmundoptics.fr/ effectivement il y a tout ce qu'il me faut mais j'ai l'impression que c'est du matériel professionnel et de qualité. On ne peut pas trouver ça sur des sites genre Aliexpress ? Même si la qualité n'est pas au rendez vous ce n'est pas gênant pour moi



Pour l'interféromètre de Michelson effectivement, ce n'est pas du tout à ma portée. C'est dommage car dans ma boîte à idée (qui déborde de partout), je voulais m'essayer à un détecteur de gaz, monoxyde de carbone par exemple, avec l'aide du théorème de Beer Lambert et le phénomène d’absorption spectrale. J'avais pensé que c'était possible avec l’interférométrie.

Merci d'avance,
Vincent

[LPFR]

Re.
Pour l’émission, surtout pas une lentille de Fresnel. Elles sont inappropriées pour des lumières cohérentes qu’elles rendent incohérentes.
Ce sont de simples lentilles en plastique moulé. Vous imaginez bien que des pointeurs à 1 € n’utilisent pas des lentilles de chez Edmund Scientific.
On en vendait (vend ?) chez Conrad.
Pour la réception c’est un appareil photo avec, à la place d’un capteur bidimensionnel, un capteur monodimensionnel. Il faut une simple lentille, encore moins sophistiquée que les lentilles des webcams, car la lumière à détecter est monochromatique et il n’y a pas de problèmes d’achromatisme.
A+

[Vincent PETIT]

Merci pour cette précision, c'est ce que j'attendais comme conseil.
Dans ce cas, que me conseillerez vous comme lentille pour l'émission ?

Pour la lentille de réception, je vais me tourner vers une lentille convergente (plan convexe peut être) bas de gamme en verre, je pendrai une lentille assez grande pour pouvoir mettre au point pus simplement.
J'en ai vu chez Aliexpress mais je reviendrai vers vous pour conseil avant l'achat.

Si d'autres idées ou conseils vous viennent, je suis preneur.
D'avance merci.

[LPFR]

Re.
Pour l’émission, je vous conseille d’utiliser un pointeur laser tout fait.
Vous ne ferez, en aucun cas, aussi bien ni aussi bon marché que ceux que l’on trouve chez Aliexpress ou eBay.

Pour les lentilles en réception, prenez une lentille de Webcam (avec filtre IR). On en trouve aussi chez les mêmes vendeurs et beaucoup d’autres (pour quelques euros). Il voua faudra choisir la focale de sorte que l’image de la zone d’où proviendront les réflexions soit projetée sur le réseau de diodes. (Encore un peu de géométrie et trigo).
A+

[Vincent PETIT]

Je vous remercie, dans ce cas je pense avoir tous les éléments pour commencer une expérimentation.
Je vais commander ça au plus vite en espérant que je trouve une lentille de webcam avec ces spécs (au pire je commanderai une webcam pour la démonter)

Encore merci.
J'ouvrirai un autre poste si je rencontre d'autres problèmes et en parallèle je vais me documenter sur les interféromètres.
A+

[LPFR]

Bonjour.
Regardez cet exemple :
http://www.dx.com/p/replacement-fixe...8#.Vwp3CEL97qQ
(j’ai déjà acheté chez ce type d’objets chez ce revendeur)
Il n’est pas dit si l’objectif comporte ou non un filtre IR. Mais dans une des photos on voit un petit carré à l’arrière de l’objectif : c’est le filtre IR.
(Je ne pense pas que cet exemple ait la bonne focale pour votre projet).
Au revoir.

[Vincent PETIT]

Bonjour et merci pour votre implication.
Je vois déjà beaucoup mieux quoi chercher par contre je me rends compte que les vendeurs ne donnent pas beaucoup d'informations sur leurs produits. J'en ai trouvé des similaires mais sans informations ou bien avec des distances focales exprimées en degrés ? Degrés d'ouverture ?

J'ai trouvé ceci chez DX
http://www.dx.com/p/aluminum-alloy-1...s-black-147785
Distance focale 1.2cm, ce qui me laisse un peu de marge pour avancer mon capteur vers la lentille. Je suppose qu'il y a un filtre IR eu égard de la finalité initiale du produit

Est ce que ceci peut fonctionner ?
http://fr.aliexpress.com/item/Wholes...8-c3009237c23e
C'est juste la lentille plan convexe avec distance focale de 1.6cm (bien entendu il me faut un filtre en plus)

Merci.
Vincent

[LPFR]

Re.
Vous ne pouvez pas choisir la focale en fonction de ce qui vous arrange côté mécanique. Il faut choisir la focale de telle sorte que les deux extrémités du capteur « voient », chacune, les deux extrémités de la zone que vous voulez mesurer.

Faites un dessin qui vous servira de support au calcul géométrique et trigonométrique.
Dessinez la ligne du faisceau laser. Marquez les extrémités du segment correspondant à la zone que vous voulez mesurer.
Dessinez le segment correspondant aux photodiodes du capteur. Reliez les extrémités de ces deux avec des droites segments de sorte que les droites se croisent. La focale que vous devez choisir est la distance entre le point d’intersection des deux droites et le segment de photodiodes. Vous avez intérêt à ce que le capteur soit bien symétrique par rapport aux droites. La distance se mesure avec la perpendiculaire au capteur.

L’angle que forment ces droites est l’angle donné par le constructeur. C’est l’angle qui détermine la zone de la scène que la camera « voit ». En degrés, évidement.
Cet angle est relié à la focale par les dimensions du capteur. En général ¼ de pouce.

Si c’est la première fois que vous achetez à l’étranger voici quelques conseils :

 Cliquez pour afficher

Ne donnez jamais le numéro de votre carte bancaire (sauf à Aliexpress qui est une boite sérieuse). Payez en utilisant Paypal. C’est gratuit. Si vous n‘êtes pas livré, Paypal vous rembourse. Surtout cela veut dire que Paypal connaît le sérieux du vendeur et prend le risque.
Et chez Paypal, ne donnez pas votre compte bancaire. Uniquement la carte. De sorte qu’en cas de problème c’est la banque qui couvre les risques. Si vous permettez à Paypal de débiter votre compte, c’est tant pis pour vous.

La deuxième lentille est un mauvais choix. Vous aurez des problèmes pour la partie mécanique. Mais, surtout, une lentille pour LED n’est pas une lentille photographique. L’image de la tache du laser risque d’être pourrie.

Et si vous décidez d’acheter une Webcam pour la désosser, gardez la partie mécanique et ne remplacez que le circuit imprimé avec le capteur, en mettant le votre à sa place.
Au revoir.

[Vincent PETIT]

Vous avez raison, il faut que je fasse un dessin car je m'y perds un peu et ce sera nettement plus compréhensible.
Ce que je souhaite c'est ni plus ni moins, mesurer un angle d'incidence.

Merci pour le conseil, effectivement je n'ai jamais commandé en chine (aux US oui)

Je prends bonne note de l'erreur de prendre une lentille a LED.

A très vite.
Vincent

[Vincent PETIT]

Bonsoir,
Voici le schéma que j'ai fait (pas à l'échelle évidemment) est il correct ?
En tout cas ça me paraît d'un coup beaucoup moins compliqué et surtout plus parlant.

Étant donné que la distance LASER / CAPTEUR est connu, avec un peu de géométrie et de trigonométrie je peux normalement tout calculer.

Je suppose donc que la lentille se place devant le capteur + distance focale ?

Merci d'avance.
Sachant que je n'ai jamais fait d'optique, je trouve cet exercice très intéressant.

[LPFR]

Bonjour.
La lentille doit se trouver entre le capteur et la scène.
Les deux lignes rouges doivent se croiser devant le capteur. C’est à ce croisement que l’on place la lentille.
La ligne qui part de 2 m va vers le côté gauche du capteur est celle de 0,5 m vers le côté droit.
Au revoir.

[fabang]

Avec la lentille devant le capteur:
http://images.google.fr/imgres?imgur...A1MQMwg4KA4wDg

[Vincent PETIT]

Bonjour,
Merci pour votre patience et pour vos réponses.

Voilà mon nouveau schéma :



Et mettre la lentille exactement à l'intersection des deux droites (0.5m et 3m).

Est ce que ce schéma est bon pour que je puisse m'appuyer dessus pour les calculs ?
Encore merci à vous.

Cordialement,

[LPFR]

Re.
Oui. Le schéma est bon pour calculer la focale.

Par la suite, pour calculer la distance en fonction du pixel éclairé, vous trouverez peut-être des formules trigonométriques un peu lourdes.
Si vous acceptez d’avoir trois points d’étalonnage au lieu des deux extrémités uniquement, je peux vous donner une méthode qui ne demande que des multiplications et soustractions.
A+

[Vincent PETIT]

Ok pour la validation du schéma.

Étant donné que je compte traiter le signal, issu du capteur, avec un petit micro-contrôleur, je suis très intéressé par une formule plus "légère".
La méthode et la durée de l'étalonnage ne sont pas un problème puisque c'est pour un projet purement personnel.

Par contre, j'ai déjà des interrogations quant au diamètre du pointeur laser lorsqu'il éclairera mon capteur, qui lui est très petit. Je me doute bien que plusieurs pixels seront éclairés mais je n'arrive pas bien a appréhender l'envergure de ce problème. Sur mon schéma, j'ai mis la photo réelle de ce capteur, les 128 photodiodes sont disposées derrière une fenêtre de 8mm de long sur 1mm de haut.

Je vous remercie encore pour votre intérêt.
En toute franchise sans vous je n'aurai même pas un espoir.


ps : Suivant le résultat, je souhaite décliner les expériences en plusieurs phases :
phase 1 : Test de mesure de simple distance par triangulation
phase 2 : Afficher le résultat sur un écran et sous forme de point (pixel) d'un diamètre proportionnel à la distance
phase 3 : Faire tourner le système complet sur 360° par rapport a un axe vertical + affichage sur l'écran normalement j'obtiens une espèce de cartographie des obstacles aux alentours et dans le rayon d'action
phase 4 : Faire tourner le système complet sur 360° mais, en plus, par rapport a une axe vertical + affichage sur l'écran normalement j'obtiens une espèce de LIDAR basique et rudimentaire

[LPFR]

Re.
Pour la méthode tirée des propriétés projectives :
Prenez trous points de position connue A, C, et B entre les deux.
Il se projettent sur le capteur sur les pixels aux positions A’, B’ et C’.
Prenez le point X dont vous voulez connaître la position, qui se projette à la position X’ sur el capteur.
Et maintenant la conservation des rapports en projection :



XC est la longueur du segment qui va de X à C donc : coordonnée de C moins coordonné de X.
Cette conservation est indépendante de la direction de la droite qui contient ABC et celle qui contient A’B’C’
Pour déduire la coordonnée de x de X il vaut mieux transformer l’écriture et travailler avec les coordonnées : ainsi on remplace XC par c-x.
Maintenant vous pouvez sortie ‘x’ de l’expression. Et n’oubliez pas que la seule valeur qui change après avoir fait l’étalonnage est « x’ ». Le reste ce sont des constants.

Comme vous dites il est possible que l’image de la tache du laser éclaire plusieurs pixels. Dans ce cas, vous pouvez calculer le « centre de gravité » de la tache, en prenant uniquement les pixels bien éclairés (au dessus d’un seuil).
A+

[fabang]

Dans les écartomètres optique on floute légèrement la tache projectée (légère défocalisation) pour être sur qu'elle couvre plusieurs pixels, c'est le barycentre des pixels couverts qui donne la position exacte, la position est alors une valeur sub-pixel ce qui augmente la résolution.

[Vincent PETIT]

LPFR,
Merci pour l'astuce de calcul, cela sera bien mieux adapté à mon micro MSP430.

fabang,
Merci pour cette solution, je vais donc exploiter ce principe. Avec ce capteur je sortirai 128 valeurs analogiques, images de l'intensité lumineuse sur chaque photodiode, donc et pour l'analyse, en traçant une courbe reliant tout ces points je devrais m'attendre a voir un extrême (un peu à l'image d'une courbe de gauss) enfin j'espère car si cela ressemble plus a un rectangle, je devrai faire différemment.

Largeur du rectangle = grosseur de la tâche, je pourrai quand même exploiter ce phénomène.

Je vais commander la lentille (voir l'objectif) comme sur votre lien LPFR http://www.dx.com/p/replacement-fixe...m#.Vw1WzFSjl7h mais avec une focale que je peux maintenant calculer.

Mais quels métiers faites vous pour avoir une telle connaissance sur ce domaine ?

A bientôt,
Si vous avez d'autres suggestions je suis à l'écoute et encore merci.

[fabang]

Il faut aussi se pencher sur la problématique de la sensibilité. Partir de la puissance du laser (limitée par la réglementation), l'albédo de la cible (diffusion en partie lambertienne, réflexion c'est plus rare) sensibilité du capteur à la longueur d'onde choisie, distribution de l'énergie de la tache optique sur n pixels, tout cela afin d'avoir une idée de la plage des niveaux électriques à traiter sur le capteur.

[Vincent PETIT]

Bonjour,
Je comptais acheter un pointeur laser 5mW (650nm) pour faire un premier essai. La doc constructeur de mon capteur https://ams.com/jpn/content/download...heet_EN_v1.pdf indique une sensibilité max (100%) pour une longueur d'onde de 808nm mais pour des longueurs d'onde de l'ordre de 635nm et 650nm (pointeurs laser low cost) j'aurai une sensibilité de 80%, ce qui me semble acceptable sachant que j'ai la possibilité d'amplifier le niveau électrique de chaque photodiode en prenant garde aux bruits.

Ensuite cette doc constructeur me donne des unités que je ne sais pas exploiter et je n'ai jamais eu à le faire d'ailleurs :

Responsivity en V/µJ/cm2 c'est un rendement ?
Saturation exposure en nJ/cm2 je ne sais pas ce que c'est.
Les données dans la doc sont données pour un Ee (the incident irradiance) de 11µW/cm2 je ne sais pas non plus ce que c'est.

En ce qui concerne le calcul il y a des choses que je ne sais pas faire (manque d'informations et connaissances) :

La puissance du laser = 5mW Mais quelle luminosité a t-il ?
L'albédo de la cible visée (Wikipédia donne une fourchette pratique et simplifiée : objet blanc 100% à 80% de lumière réfléchie et objet noir 0% à 3% de la lumière réfléchie.) Donc c'est un coefficient a multiplier avec la luminosité du laser.
Je n'ai aucune idée, sauf en essayant, de la distribution de la tâche du laser sur les 128 photodiodes ?
J'imagine que l’environnement climatique influe aussi ? Pluie, brume, brouillard etc...

Dans le doute, je vais faire des essais.
D'avance merci.
Vincent

[fabang]

5mW correspond à une énergie de 5mJ par seconde. Si tu pilotes ton capteur pour faire 100 mesures par seconde, le temps d'exposition pourra atteindre 10ms, l'énergie totale émise durant cette période sera alors de 5mJ x 0,01s = 50µJ.
Quand tu éclaires un plan (la cible) on considère que la tache diffuse la lumière qu'elle reçoit dans une demi-sphère. A 1000cm de distance, la surface de cette sphère est de 2PIr2 soit 6,28E6cm2. La densité d'énergie reçue (pour un albédo de 100%) quand on se place à la surface de cette demi-sphère est donc de 50µJ/6,28E6 = 0,0079nJ/cm2. Si ton optique à une pupille de 0,5cm2 tu reçois 0,00395nJ. Si tu focalises cette tache sur un pixel, il reçoit ces 0,00395nJ. La surface d'un pixel est de 0,00003524cm2 cela est équivalent à une densité de 112nJ/cm2. On est à la limite de saturation (SE dans la datasheet). Dans la pratique il faut corriger de la longueur d'onde et considérer un albédo de 50%. Je prend 50nJ/cm2 comme ordre de grandeur, la réponse étant de 35V/µJ/cm2, tu auras une signal de 35V x 0,05µJ = 1,75V.
Tu pourras ajuster l'énergie reçue en jouant sur le temps d'exposition et sur l'ouverture de ton optique (voir diaphragme ou pupille) si elle est réglable.
A la saturation, faire attention au blooming (débordement sur les pixels voisins)

[Vincent PETIT]

Merci pour toutes ces explications.

Par contre il y a une chose qui m'échappe :

Quand tu éclaires un plan (la cible) on considère que la tache diffuse la lumière qu'elle reçoit dans une demi-sphère. A 1000cm de distance, la surface de cette sphère est de 2PIr2 soit 6,28E6cm2. La densité d'énergie reçue (pour un albédo de 100%) quand on se place à la surface de cette demi-sphère est donc de 50µJ/6,28E6 = 0,0079nJ/cm2.

Je pensais que dans le cas de l'utilisation d'un laser, où le faisceau est justement parallèle, le spot sur l'objet éclairé serait une demi sphère d'un rayon à peu prés équivalent à celui émit ?

Je n'arrive pas à retrouver les paramètres de votre calcul initial.
- A 10m (1000cm) la surface de la demi sphère (spot de lumière sur l'objet reçue) est de : (4*pi*r²) / 2
Vous considérez donc que le rayon est de 10m sur la surface de l'objet éclairé soit effectivement = 6283185,307cm² mais qu'elle était la condition de départ ? rayon d'émission et degrés d'ouverture pour avoir 10m de rayon a 10m de distance ?

Pour le reste, c'est très clair !!!!
Un filtre "spectrale" bien adapté (=longueur d'onde du laser)
Un diaphragme, ajoute une sorte de filtre "spaciale" qui peut réduire l'énergie sur les pixels concernés
Le temps d'exposition, sous entendu la vitesse de lecture du capteur, a ajuster.

D'avance merci.
Bien cordialement,
Vincent

[fabang]

Il existe des supports non diffusant ou la lumière est réfléchie dans une direction précise comme les miroirs (cas problématique pour les télémètres).
Quand tu éclaires un mur avec un pointeur laser, si la tache lumineuse est visible quelque soit la position de l'observateur c'est parce que la lumière est diffusée dans toutes les directions (demi-sphère).
Si l'observateur est à 10m de la cible, il est quelque part à la surface d'une demi-sphère de rayon 10m ayant pour centre la tache lumineuse. l'énergie qu'il reçoit est celle contenue dans la portion de la surface que sa pupille intercepte. A 20m la surface de la demi-sphère augmente d'un facteur 4, donc la densité d'énergie est diminuée d'un facteur 4.

[Vincent PETIT]

J'ai compris et c'est maintenant très clair.

Merci beaucoup pour le temps que tu as pris pour analyser la datasheet.