Une introduction à la détection par temps de vol. Partie 1 : Les fondamentaux
Cet article est le premier d’une série de deux présentant les principes fondamentaux de la technologie du temps de vol. Grâce à l’utilisation de la technologie par temps de vol (ou Time-of-Flight), qui signifie qu’aucune caméra n’est jamais utilisée, les informations personnelles sont entièrement protégées et toutes les données sont entièrement conformes au RGPD, le Règlement Général sur la Protection des Données.
Qu'est-ce que le principe du temps de vol ?
Les capteurs à Time-of-Flight (ToF), ou temps de vol, sont utilisés pour toute une série d’applications, notamment la navigation des robots, la surveillance des véhicules, le comptage de personnes et la détection des objets.
Les capteurs de distance ToF utilisent le temps que mettent les photons à voyager entre deux points pour calculer la distance entre les deux points.
Qu'est-ce qu'un photon ?
Les photons sont les particules élémentaires qui composent la lumière. Ils se présentent sous différentes longueurs d’onde, depuis les ondes radio de grande longueur qui vous apportent votre musique préférée, jusqu’aux rayons X de courte longueur d’onde et de forte énergie que les médecins utilisent pour voir à travers votre corps. Les capteurs ToF utilisent des longueurs d’onde situées au milieu du spectre électromagnétique, proches de la lumière visible.
Trois caractéristiques essentielles des photons doivent être prises en compte dans le cadre du Time-of-Flight (ToF) : les photons transportent de l’énergie ; ils se déplacent à une vitesse constante, généralement la vitesse de la lumière ; et ils se déplacent rarement seuls.
Le nombre de photons émis par les capteurs ToF est énorme. Nous pouvons estimer le nombre de photons utilisés par un capteur ToF lors d’une mesure en utilisant nos paramètres de mesure. Si nous utilisons un capteur TeraRanger Evo qui émet des photons à 940 nm, 100 mW pendant 50 μs, nous pouvons calculer le nombre de photons émis en une mesure :
Comment calculer les distances à partir du temps ?
Nous savons donc que les photons voyagent à la vitesse de la lumière, souvent abrégée en “c”. La vitesse de la lumière est incroyablement rapide : 300 000 km/s. En fait, il est impossible d’aller plus vite. Cela signifie qu’il faut très peu de temps aux photons pour parcourir de grandes distances.
Par exemple, un photon met huit minutes pour aller du soleil à la Terre, et 1,28 seconde pour aller de la lune à la Terre ! Pour avoir une idée du temps nécessaire pour parcourir des distances plus terrestres, il suffit à un photon de 33 ns pour parcourir 10 m, et de 3,3 ns pour parcourir 1 m. En règle générale, les photons se déplacent à une vitesse de 30 cm/ns.
Comment l'objet que vous détectez affecte-t-il vos mesures de temps de vol ?
L’objet touché par les photons possède inévitablement ses propres caractéristiques, et toutes les surfaces réfléchissent la lumière différemment. Lorsque la lumière frappe une surface, elle peut être absorbée, réfléchie ou transmise. La proportion de lumière réfléchie par la surface est appelée réflectance. Cependant, le facteur de réflexion ne dépend pas seulement de la surface, mais aussi du type de lumière réfléchie. Il faut donc être prudent : ne supposez pas que la réflectivité d’une surface est la même pour la lumière visible et la lumière proche de l’infrarouge ! (4)
Lorsqu’une surface réfléchit la lumière, celle-ci peut également être réfléchie de différentes manières.
Les surfaces irrégulières peuvent entraîner des complications importantes pour les mesures de Time-of-Flight, ou temps de vol, car il peut être difficile pour le capteur de comprendre quels photons proviennent de quel endroit.
Dans les espaces confinés, les photons peuvent également rebondir sur les murs et d’autres objets, ce qui rend la distance mesurée encore plus confuse.
Compte tenu de tous ces facteurs, quelle quantité de lumière parvient réellement au capteur ToF ?
Nos capteurs LED Evo ont un champ de vision au lieu d’une mesure ponctuelle, et la densité d’éclairage de la lumière diminue au fur et à mesure que la distance augmente. Ainsi, à une distance de 1 m, le capteur éclaire une zone d’environ 4 x 4 cm.
Supposons que l’objet ait une réflectance de 88 %. Cela signifie qu’environ 21 milliards de nos 24 milliards de photons sont réfléchis par la surface. Si la lumière est réfléchie de manière égale dans toutes les directions, les photons réfléchis forment une demi-sphère. La lentille de notre récepteur Evo mesure 1 cm2, ce qui représente 0,00000039 % de la surface de la demi-sphère lorsqu’elle atteint le détecteur. Ainsi, notre capteur Evo recevra environ 80 000 des 24 milliards de photons qu’il a émis !
L’art de fabriquer de bons capteurs Time-of-Flight, consiste à créer un capteur capable d’envoyer la lumière et de recevoir le plus grand nombre possible de photons en retour !
Comment l'environnement affecte-t-il vos mesures de temps de vol ?
Les capteurs à temps de vol sont sensibles à la lumière ambiante, car ils ne peuvent pas déterminer si les photons ont été émis par le capteur ou s’ils proviennent d’autres sources lumineuses. Les capteurs Time-of-Flight, ou temps de vol, ont tendance à mieux fonctionner à l’intérieur, où la lumière ambiante est faible ou inexistante. À l’extérieur, la lumière du soleil traverse l’atmosphère sous différents angles, en interagissant avec la poussière et la vapeur.
Par conséquent, les capteurs ToF extérieurs rencontrent un spectre lumineux caractéristique (voir Figure 5) avec des lacunes dans le spectre lumineux aux énergies où la vapeur d’eau, l’oxygène et le CO2 absorbent la lumière. En théorie, ces lacunes dans le spectre solaire sont des longueurs d’onde idéales pour le fonctionnement des capteurs ToF, car il y a moins d’interférences avec la lumière ambiante.
Dans le deuxième article de cette série “Introduction à la détection par temps de vol”, nous parlerons des deux variétés de ToF, la ToF directe et la ToF indirecte. Le ToF direct utilise de courtes impulsions lumineuses, et nous mesurons le temps nécessaire pour que chaque impulsion revienne au capteur afin de mesurer la distance par rapport à un objet.
Les capteurs ToF indirects émettent une onde continue de lumière modulée, et la phase de la lumière réfléchie est utilisée pour calculer la distance de l’objet. Restez à l’écoute pour la prochaine partie de cette série !
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Références et lectures complémentaires
1. ‘Time-of-Flight Cameras: Principles, Methods and Applications’ — M. Hansard, S. Lee, O. Choi, R.P. Horaud, Springer, 2013.
2. ‘Time of Flight Principle’ https://www.terabee.com/time-of-flight-principle/
3. ‘The Nature of Light’ — C. Roychoudhuri, A.F Kracklauer, K. Creath, CRC Press, 2017.
4. ‘Theory of Reflectance and Emittance Spectroscopy’ — B. Hapke, Cambridge University Press, 2012.
