1. Qu'est-ce qu'un capteur de temps de vol (ToF) ?

Qu'est-ce qu'une caméra à temps de vol ? Est-ce la caméra qui capture le vol de l'avion ? Est-ce que cela a quelque chose à voir avec les avions ? Eh bien, c'est encore loin d'être le cas !

Le temps de vol (ToF) mesure le temps nécessaire à un objet, une particule ou une onde pour parcourir une certaine distance. Saviez-vous que le système sonar des chauves-souris fonctionne sur le même principe ? Le système de temps de vol est similaire !

Il existe de nombreux types de capteurs de temps de vol, mais la plupart sont des caméras de temps de vol et des scanners laser, qui utilisent une technologie appelée lidar (détection et télémétrie par la lumière) pour mesurer la profondeur de différents points d'une image en l'éclairant avec de la lumière infrarouge.

Les données générées et capturées à l'aide de capteurs ToF sont très utiles car elles peuvent fournir la détection des piétons, l'authentification des utilisateurs basée sur les caractéristiques faciales, la cartographie de l'environnement à l'aide d'algorithmes SLAM (localisation et cartographie simultanées), et plus encore.

Ce système est en réalité largement utilisé dans les robots, les voitures autonomes et même aujourd'hui dans votre appareil mobile. Par exemple, si vous utilisez un Huawei P30 Pro, un Oppo RX17 Pro, un LG G8 ThinQ, etc., votre téléphone est équipé d'une caméra ToF !

Une caméra ToF

2. Comment fonctionne le capteur de temps de vol ?

Nous allons maintenant vous présenter brièvement ce qu'est un capteur de temps de vol et comment il fonctionne.

ToFCes capteurs utilisent de minuscules lasers pour émettre de la lumière infrarouge. Cette lumière se réfléchit sur tout objet et revient au capteur. En mesurant le temps écoulé entre l'émission de la lumière et son retour au capteur après réflexion sur l'objet, le capteur peut déterminer la distance entre l'objet et lui.

Aujourd'hui, nous allons explorer deux façons dont la technologie ToF utilise le temps de trajet pour déterminer la distance et la profondeur : l'utilisation d'impulsions de synchronisation et l'utilisation du déphasage des ondes modulées en amplitude.

Utiliser des impulsions temporisées

Par exemple, le procédé consiste à illuminer une cible avec un laser, puis à mesurer la lumière réfléchie à l'aide d'un scanner. La vitesse de la lumière est ensuite utilisée pour extrapoler la distance de l'objet et calculer précisément la distance parcourue. De plus, la différence de temps de retour et de longueur d'onde du laser permet de créer une représentation numérique 3D précise de la cible et de ses caractéristiques de surface, et d'en cartographier visuellement les détails.

Comme vous pouvez le constater ci-dessus, un faisceau laser est émis puis réfléchi par l'objet et renvoyé au capteur. Grâce au temps de retour du laser, les caméras ToF (temps de vol) sont capables de mesurer des distances précises en un temps très court, compte tenu de la vitesse de la lumière. (Le temps de vol est converti en distance.) Voici la formule utilisée par un analyste pour calculer la distance exacte d'un objet :

(vitesse de la lumière x temps de vol) / 2

ToF convertit en distance

Comme vous pouvez le constater, le chronomètre se déclenche lorsque la lumière est éteinte. Dès que le récepteur reçoit le signal de retour, il renvoie le temps. En soustrayant deux fois ce temps, on obtient le « temps de trajet » de la lumière. La vitesse de la lumière étant constante, la distance peut être facilement calculée à l'aide de la formule ci-dessus. De cette manière, il est possible de déterminer la position de chaque point à la surface de l'objet.

Utilisez le déphasage de l'onde AM

Ensuite, leToFOn peut également utiliser des ondes continues pour détecter le déphasage de la lumière réfléchie afin de déterminer la profondeur et la distance.

Déphasage par ondes AM

En modulant l'amplitude, il crée une source de lumière sinusoïdale de fréquence connue, permettant au détecteur de déterminer le déphasage de la lumière réfléchie à l'aide de la formule suivante :

où c est la vitesse de la lumière (c = 3 × 10^8 m/s), λ est une longueur d'onde (λ = 15 m) et f est la fréquence, chaque point sur le capteur peut être facilement calculé en profondeur.

Tout cela se déroule à une vitesse fulgurante, puisque nous travaillons à la vitesse de la lumière. Imaginez la précision et la rapidité de mesure de ces capteurs ! Prenons un exemple : la lumière se propage à 300 000 kilomètres par seconde. Si un objet se trouve à 5 mètres de vous, le temps entre l’émission de la lumière par l’appareil photo et son retour est d’environ 33 nanosecondes, soit seulement 0,000000033 seconde ! Incroyable ! De plus, les données capturées vous offrent une représentation numérique 3D précise pour chaque pixel de l’image.

Quel que soit le principe utilisé, une source lumineuse éclairant toute la scène permet au capteur de déterminer la profondeur de chaque point. On obtient ainsi une carte des distances où chaque pixel représente la distance jusqu'au point correspondant dans la scène. Voici un exemple de graphique de profondeur ToF :

Exemple de graphique de portée ToF

Maintenant que nous savons que le système ToF fonctionne, pourquoi est-il performant ? Pourquoi l'utiliser ? À quoi sert-il ? Rassurez-vous, l'utilisation d'un capteur ToF présente de nombreux avantages, mais aussi certaines limitations.

3. Les avantages de l'utilisation des capteurs de temps de vol

Mesure précise et rapide

Comparativement à d'autres capteurs de distance comme les capteurs à ultrasons ou laser, les capteurs à temps de vol (ToF) sont capables de composer une image 3D d'une scène très rapidement. Par exemple, une caméra ToF ne peut le faire qu'une seule fois. De plus, le capteur ToF détecte les objets avec précision et rapidité, et n'est pas affecté par l'humidité, la pression atmosphérique ni la température, ce qui le rend adapté à une utilisation aussi bien en intérieur qu'en extérieur.

longue distance

Les capteurs ToF, utilisant des lasers, permettent de mesurer avec une grande précision de longues distances. Leur polyvalence leur permet de détecter des objets proches ou éloignés, de formes et de tailles diverses.

Il est également flexible dans le sens où vous pouvez personnaliser l'optique du système pour des performances optimales, en choisissant les types d'émetteur et de récepteur ainsi que les lentilles pour obtenir le champ de vision souhaité.

Sécurité

Inquiet que le laser duToFLe capteur risque-t-il d'endommager vos yeux ? Rassurez-vous ! De nombreux capteurs ToF utilisent désormais un laser infrarouge de faible puissance comme source lumineuse, piloté par des impulsions modulées. Ce capteur répond aux normes de sécurité laser de classe 1, garantissant ainsi son innocuité pour les yeux.

rentable

Comparés à d'autres technologies de numérisation de profondeur 3D telles que les systèmes de caméras à lumière structurée ou les télémètres laser, les capteurs ToF sont beaucoup moins chers.

Malgré toutes ces limitations, la technique ToF reste très fiable et constitue une méthode très rapide pour la capture d'informations 3D.

4. Limites du ToF

Bien que la technique ToF présente de nombreux avantages, elle a aussi ses limites. Parmi ces limites, on peut citer :

• Lumière diffusée

Si des surfaces très brillantes sont très proches de votre capteur ToF, elles peuvent diffuser trop de lumière vers votre récepteur et créer des artefacts et des réflexions indésirables, car votre capteur ToF n'a besoin de réfléchir la lumière qu'une fois la mesure prête.

• Réflexions multiples

Lorsqu'ils sont utilisés sur des angles et des formes concaves, les capteurs ToF peuvent provoquer des réflexions indésirables, car la lumière peut rebondir plusieurs fois, faussant ainsi la mesure.

• Lumière ambiante

L'utilisation d'une caméra ToF en extérieur, en plein soleil, peut s'avérer difficile. En effet, la forte intensité lumineuse sature rapidement les pixels du capteur, empêchant ainsi la détection de la lumière réfléchie par l'objet.

• La conclusion

capteurs ToF etObjectif ToFElle peut être utilisée dans une multitude d'applications : cartographie 3D, automatisation industrielle, détection d'obstacles, véhicules autonomes, agriculture, robotique, navigation intérieure, reconnaissance gestuelle, numérisation d'objets, mesures, surveillance et réalité augmentée ! Les applications de la technologie ToF sont infinies.

Vous pouvez nous contacter pour tout besoin en objectifs ToF.

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