Time of Flight : mesurer précisément la distance grâce à la lumière

Au cours des différents projets menés par Evosens en matière d’ingénierie optique, l’équipe a développé, modifié et intégré différents systèmes reposant sur l’analyse du temps de vol ou Time of Flight (Tof) pour les besoins de ses clients. Mais qu’est-ce que le Time of Flight et en quoi cette technologie intéresse de nombreux secteurs, de la défense à l’automobile, en passant par la santé ?

Time of flight : effectuer des mesures grâce à la lumière

La technologie Time of Flight est une technique de mesure du temps de vol, c’est à dire du temps de propagation d’un objet (onde ou particule) dans un milieu, pour aller d’un émetteur à un détecteur (capteur simple, caméra, …). Cette technologie s’applique aux ondes acoustiques (sonars), aux ondes radio (radar), aux déplacements d’ions (spectrométrie de masse) ou aux ondes optiques (lidar). Les analyses rendues possibles par le ToF sont nombreuses.

On peut ainsi évaluer :
• le temps entre l’impulsion émise et celle reçue
• la différence de phase
• l’interférométrie
• le décalage de fréquence du signal retour (effet Doppler-Fizeau)
• La détection cohérente (signal hétérodyne).

Grâce à ces mesures, le ToF permet de connaître une distance (télémétrie), de réaliser la représentation en 2D ou 3D d’un environnement (profilométrie, topographie), de mesurer la vitesse d’un objet (vélocimétrie) ou d’évaluer la masse de l’objet (spectrométrie de masse).

Dans le domaine de l’optique, la longueur d’onde la plus utilisée en environnement ouvert se situe dans le proche infrarouge (ou NIR entre 780 nm et 3 µm). Dans ce cas l’émetteur de lumière et le détecteur sont situés le plus proche possible l’un de l’autre. La lumière effectue alors un allez-retour entre l’émetteur et le détecteur. La mesure obtenue équivaut donc au double de la distance avec la cible.

Le Time of Flight au cœur des développements d’Evosens

Créer un éclairement lumineux intelligent dans un environnement médical

Evosens a conçu pour une entreprise du secteur médical un équipement permettant de maintenir un éclairement lumineux constant, malgré une distance variable entre l’émetteur et la cible. L’objectif est en effet de disposer du même niveau d’éclairage au niveau d’une zone (champ opératoire par exemple), que la source lumineuse soit proche ou lointaine, de manière à garantir un confort de travail pour les praticiens.

L’équipement est doté du capteur Espros EPC600XX. Il comprend une source infrarouge dimensionnée spécifiquement par Evosens, ainsi qu’une carte électronique de pilotage sur-mesure. Comme la distance de travail de l’équipement est courte (entre 0,5 et 3 m), l’équipe a choisi 2 LED à 850 nm émettant chacune 40mW.

Les challenges relevés par l’équipe pour la réalisation de ce projet ont été nombreux :

1. Garantir la sécurité oculaire des personnes situées dans l’environnement direct
2. Tenir compte dans l’adaptation de la lumière des perturbations liées à l’éclairage ambiant
3. Intégrer les variations engendrées par la température de fonctionnement
4. S’adapter aux différences de texture de la cible dans la mesure du signal.

Adapter et intégrer un module ToF pour garantir la sécurité oculaire d’un système d’éblouissement

Pour le besoin d’un client lié à la défense, l’équipe d’Evosens a eu l’occasion de concevoir un télémètre moyenne portée, pour une distance de travail comprise entre 50 m et 30 km. Afin de détecter les très faibles niveaux de signaux de retour (dynamique de détection de 45dB), de signaux très courts (largeur d’impulsion de 10ns) du système de Time of Flight, Evosens a privilégié une électronique de détection à fort gain, basée sur une photodiode à avalanche.

Par ailleurs, pour répondre à l’attente du client de disposer d’un équipement léger, robuste et stable thermiquement, la structure est constituée d’alliage de titane.
Pour ce projet, Evosens a :
• réalisé l’ensemble des simulations opto-électroniques
• conçu la carte de mesure
• réalisé un prototype complet
• développé un banc d’alignement pour garantir l’alignement de la source et du détecteur par rapport au boîtier mécanique, et assurer ainsi la superposition des deux zones à longue distance.

Adapter un système d’éblouissement pour garantir la sécurité oculaire

Dans le cadre d’un équipement lié à la sécurité, l’expertise d’Evosens a été mise à contribution pour garantir la sécurité oculaire d’un système d’illumination laser de forte puissance (5 W optique). Pour cela, l’équipe a intégré et modifié le télémètre Lightware SF30/C. En effet, il était nécessaire de fibrer la voie infrarouge du Time of Flight pour pouvoir la multiplexer avec la source de puissance.

Par ailleurs, la puissance moyenne du ToF a été augmentée, tout en veillant à garantir la sécurité oculaire pour la source. Pour cet équipement, la longueur d’onde de travail est de 905 nm, avec une puissance pic de 65 W et une puissance moyenne de 65 mW. La plage de fonctionnement est comprise entre 1 et 100 m.

Lors de cette étude, Evosens a réalisé un prototype, développé des bancs de test et produit une pré-série.

Concevoir des bancs de test d’un système de LiDAR 3D pour l’automobile

Dans le domaine de l’automobile, Evosens a été sollicité pour développer et réaliser plusieurs bancs de tests fonctionnels de systèmes LiDAR destinés au secteur automobile. L’objectif de ces bancs : reconstruire l’environnement 3D autour d’un véhicule.

Un premier banc permet ainsi de vérifier le bon fonctionnement de la matrice de VCSEL aussi bien en puissance totale qu’en homogénéité. De même pour la matrice de SPAD en vérifiant l’homogénéité des mesures.

Un second banc valide quant à lui le fonctionnement du système assemblé, en mesurant l’erreur de marche (Walk-Error). Il comprend également un système fibré simulant différentes distances et vérifiant le bon fonctionnement de la mesure ToF. Le banc est capable de vérifier des angles d’ouverture différents pour le système.

Time of Flight : garantir la sécurité des personnes

En espace ouvert, il est primordial, pour les systèmes optiques, de garantir la sécurité des personnes, en particulier le risque d’éblouissement ou de blessure oculaire, notamment si la source utilise une technologie laser. Pour cela, Evosens réalise, au moment de la simulation optique dans un premier temps, puis du prototypage dans un second temps, une série de mesures permettant de valider que le niveau d’exposition est conforme aux normes en vigueur. Par ailleurs, Evosens a noué des partenariats pour garantir et certifier l’innocuité des systèmes conçus.

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