Une introduction à la détection par temps de vol. Partie 2 : Capteurs ToF indirects
Cet article est le deuxième d’une série de deux présentant les principes fondamentaux de la technologie du temps de vol. Dans le premier article, nous avons présenté les bases de la technologie du temps du vol (ou Time-of-Flight), et son fonctionnement. Dans cet article, nous expliquons plus en détail le fonctionnement des capteurs à temps de vol (ToF) indirects.
Les capteurs à temps de vol (ToF) mesurent les distances en utilisant le temps que mettent les photons à voyager entre deux points, de l’émetteur du capteur à une cible, puis de nouveau au récepteur du capteur. Les capteurs à temps de vol directs et indirects offrent tous deux des avantages spécifiques dans des contextes particuliers. Tous deux peuvent mesurer simultanément l’intensité et la distance pour chaque pixel d’une scène.
Les capteurs ToF directs envoient de courtes impulsions de lumière qui ne durent que quelques nanosecondes et mesurent ensuite le temps nécessaire pour qu’une partie de la lumière émise revienne. Les capteurs ToF indirects envoient une lumière continue et modulée et mesurent la phase de la lumière réfléchie pour calculer la distance d’un objet.
Qu'est-ce qu'une phase et comment nous aide-t-elle à calculer le temps de vol ?
La lumière est constituée d’ondes avec des pics et des creux qui se répètent dans un cycle régulier au fil du temps (voir figure 2). La phase d’une onde décrit l’endroit du cycle où se trouve l’onde et est généralement exprimée sous forme d’angle, 360° représentant un cycle complet, 180° un demi-cycle, etc.
La lumière émise par la plupart des sources, y compris la source d’éclairage d’un capteur à temps de vol direct, consiste en une lumière qui se trouve dans de nombreuses phases différentes, qualifiées de “déphasées”.
Les capteurs à temps de vol indirects émettent une lumière modulée qui a une fréquence déterminée et qui est dans la même phase. La fréquence de l’onde détermine la distance nécessaire à l’onde émise pour accomplir un cycle complet. Par exemple, une onde de 10 MHz met 30 m pour effectuer un cycle complet et revenir à sa phase initiale.
Avec une modulation à 10 MHz, la distance maximale mesurable pour l’aller-retour de la lumière IR dans une période T (avant repliement) peut être extraite de la relation : distance = vitesse x temps.
Comme nous mesurons l’aller-retour de la lumière, nous devons diviser par 2 pour obtenir la distance maximale mesurable : 30 m/2 ⇒ 15 m
Lorsqu’un objet réfléchit la lumière modulée, celle-ci revient vers le capteur qui détecte le déphasage de la lumière renvoyée. Connaissant la fréquence de la lumière émise, le déphasage de la lumière de retour et la vitesse de la lumière, le capteur peut calculer la distance de l’objet.
Si nous dirigeons un TeraRanger Evo 60 m avec une lumière modulée à 10 MHz vers une cible située à 7,5 m, l’onde atteindra la cible et sera réfléchie vers le capteur, parcourant 15 m au total et accomplissant un demi-cycle d’onde, le déphasage est donc de 180°. Si la cible est ensuite déplacée à 15 m du capteur, l’onde parcourra 30 m au total et effectuera un cycle d’onde complet, ce qui correspond à une phase de 360°.
L’inconvénient de cette méthode est qu’il peut y avoir une certaine ambiguïté au niveau de la portée, de sorte que la fréquence de modulation de l’onde émise doit être sélectionnée avec soin. Si vous pointez un capteur Time-of-Flight indirect générique sur une cible située à 22,5 m et que vous utilisez un signal de 10 MHz, l’onde parcourra 45 m au total, avec un déphasage de 180°. Le capteur calculerait une distance de 7,5 m car il ne sait pas que l’onde a effectué un cycle supplémentaire. En revanche, le TeraRanger Evo est doté d’une double fréquence qui empêche l’ambiguïté de la portée.
Comment les capteurs mesurent-ils la lumière de retour ?
Nos capteurs mesurent la lumière de retour en quatre points différents. En utilisant ces quatre mesures, le capteur peut reconstruire l’onde de retour et déterminer le déphasage par rapport à l’onde émise.
Facteurs environnementaux susceptibles d'affecter les performances des capteurs ToF indirects
Comme toute technologie, le temps de vol indirect présente des avantages et des limites. La lumière peut se réfléchir sur plusieurs objets différents, à des distances différentes et avec une réflectivité différente. Par conséquent, le capteur recevra de la lumière avec des phases et des intensités différentes, mais ne saura pas que la lumière provient de deux objets. Les ondes sont combinées grâce au “principe de superposition” et le capteur calcule une distance qui est une moyenne des distances dans son champ de vision.
La superposition des phases d’ondes signifie également qu’il faut faire preuve d’une grande prudence lorsque l’on recouvre de verre les capteurs ToF indirects. Aucun matériau n’est transparent à 100 % et la lumière provenant du capteur sera diffusée par le verre, une partie revenant au capteur, ce qui entraînera la superposition de la lumière revenant du verre et d’un objet cible.
Si votre application exige que votre capteur à temps de vol soit recouvert d’une vitre, vous devez vous assurer que la vitre ne reflète pas la lumière émise par votre capteur. Nos ingénieurs peuvent vous aider à trouver la meilleure solution.
Les avantages et les applications du temps de vol indirect
Malgré certaines limitations, le temps de vol indirect offre une série d’avantages significatifs, notamment une résolution plus élevée que le temps de vol direct, l’utilisation d’une lumière à basse fréquence et une illumination lente. Elle peut également être mise à l’échelle des caméras 3D multipixels relativement facilement.
Le temps de vol indirect est une technologie puissante et rentable. Grâce à des années de recherche et de développement de produits, Terabee a mis au point des technologies qui repoussent les limites du Time-of-Flight indirect et direct pour offrir une précision et une portée accrues dans des modules compacts. De plus, les technologies du temps de vol de Terabee sont sans danger pour les yeux et leur prix est compétitif, ce qui représente une grande valeur ajoutée pour les clients.
Les capteurs à temps de vol indirects ont un large éventail d’applications potentielles, notamment la construction de systèmes anti-collision plus sûrs pour la robotique et la transformation de mouvements physiques en données numériques pour des applications telles que le comptage de véhicules pour les parkings intelligents et le comptage de personnes pour l’optimisation des bâtiments intelligents.
Contactez-nous pour parler à un expert de vos défis et exigences en matière de comptage de personnes selon le principe du temps de vol. Contactez-nous dès aujourd’hui !
Si vous souhaitez savoir comment déployer des solutions de comptage de personnes dans votre établissement, contactez un membre de l’équipe Terabee.
