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Plusieurs sources lumineuses différentes peuvent être utilisées dans les systèmes TOF pour la surveillance en cabine, les diodes électroluminescentes (LED), et les lasers à cavité verticale émettant par la surface (VCSEL) étant les deux principales solutions.

Notions de base sur la technologie ToF

Un dispositif ToF est un capteur qui détecte les longueurs d’onde de la lumière. Les ondes lumineuses sont modulées à haute fréquence - dans la gamme des MHz et sont réfléchies par un certain objet d’intérêt. Une fraction du signal original est renvoyée au capteur et traitée. Le temps mis pour aller de l’émetteur à l’objet et de l’objet au récepteur signifie que le signal réfléchi est déphasé par rapport au signal de modulation. Ce déphasage est également proportionnel à la distance, ce qui permet de déterminer la distance entre le capteur TOF et l’objet.

Le signal TOF est émis en rafales, et chaque rafale contient des impulsions modulées avec des valeurs de phases différentes. Cela permet d’éliminer tout biais et toute ambiguïté des mesures. Les rafales plus courtes réduisent le flou dû au mouvement, grâce à un rapport signal/bruit plus élevé. Les rafales plus longues augmentent la quantité absolue de signal retour, ainsi que la portée et la détectabilité des objets à faible réflexion dans certains cas.

Malgré les avantages des systèmes ToF, certains défis inhérents persistent. La plage de détection d’un capteur ToF dépend à la fois de la fréquence de modulation du dispositif et du rapport signal/bruit. Après avoir touché l’objet, l’intensité du signal réfléchi diminue avec le carré de la distance, ce qui fait que ces capteurs sont plus précis à courte distance. Le bruit des capteurs ToF provient de sources intrinsèques comme le capteur lui-même et l’éclairage.

Melexis a récemment présenté les capteurs ToF MLX75027 (VGA) et MLX75026 (QVGA), qui permettent d’obtenir des résolutions plus élevées et moins ambiguës sur de longues distances, en utilisant des fréquences de modulation plus basses. En outre, ces capteurs ont été certifiés pour une utilisation dans la plage de température allant de -40 à 105°C, ce qui en fait de bons candidats pour les applications automobiles. Mais il n’y pas que le capteur qui est important dans ces mesures. Un autre composant essentiel est l’unité d’éclairage, qui comprend les composants émetteurs de lumière et les circuits de commande correspondants.

Relever les défis de l’éclairage

L’unité d’éclairage des capteurs ToF est cruciale, et si l’on choisit le bon composant, cela peut aider à surmonter le bruit d’éclairage présent dans certaines mesures. Les sources de lumière infrarouge (IR) offrent les meilleures performances. Il existe actuellement deux technologies de semi-conducteurs concurrentes pour produire de la lumière infrarouge. Il s’agit des LED et des VCSEL. Comme pour toute technologie, ces deux options ont leurs avantages et leurs inconvénients.

D’une part, la technologie LED est plus ancienne, et donc plus mature. Cependant, de gros progrès ont été réalisés dans la production en série de VCSEL. Aujourd’hui, ces deux technologies peuvent être intégrées à grande échelle dans des applications high-tech. Toutes deux sont capables de fournir des courants du même ordre, et comme le schéma d’éclairage d’un VCSEL est « LED-like » (comparable aux LED), leur sûreté oculaire est comparable.

Les LED présentent des avantages par rapport aux VCSEL sur certains points. Le premier est le coût. Actuellement, les LED sont moins chères à fabriquer que les VCSEL. Néanmoins, les efforts de fabrication en série de VCSEL font baisser les prix, et cet avantage se réduit, au point qu’il faudra peut-être le reconsidérer bientôt. Les LED sont également plus performantes s’agissant de la stabilité de la puissance de sortie, car la sortie d’un VCSEL est 50% plus sensible à la température.

Les VCSEL présentent également certains avantages par rapport aux LED. L’un des principaux avantages des VCSEL est leur immunité à la lumière du jour. La lumière ambiante (comme la lumière du jour ou les phares) peut interférer avec les dispositifs de suivi à éclairage LED car ceux-ci fonctionnent sur un large spectre. Les VCSEL fonctionnant dans un spectre plus étroit, il est possible d’utiliser un filtre spectral plus étroit, ce qui permet d’augmenter le rapport signal/bruit, la sensibilité et la résistance aux conditions environnementales changeantes, telles que celles de la conduite d’un véhicule.

Même si les LED sont plus matures, les meilleurs dispositifs VCSEL offrent aujourd’hui des performances supérieures à celles des meilleures LED. Si les LED ont une largeur spectrale supérieure, la stabilité spectrale des VCSEL sur une plage de température plus large est bien meilleure. Enfin, les VCSEL ont des temps de montée et de descente beaucoup plus rapides, ce qui leur permet d’offrir une résolution beaucoup plus élevée que les LED.

Bien que ces deux sources d’éclairage aient chacune leurs propres avantages, s’agissant d’applications de surveillance en cabine, les avantages des VCSEL l’emportent sur ceux des LED. Globalement, cela est dû au fait que les VCSEL présentent un spectre étroit en sortie, un faible coefficient de température spectrale, et une grande capacité de modulation.

Sélection d’un driver de VCSEL

Pour choisir l’électronique de commande d’éclairage idéale pour votre application, vous devez tenir compte de plusieurs facteurs, qui sont tous importants.

La première chose à faire (et l’une des plus importantes pour la surveillance en cabine) est de vérifier que le driver VCSEL est qualifié pour l’automobile. Il existe plusieurs drivers ToF sur le marché, mais très peu sont de qualité automobile. Le pilote Lumentum est une solution qualifiée pour les applications de qualité automobile, mais l’utilisation d’un circuit de commande avec des composants discrets de qualité automobile est aussi une solution.

Un autre élément à prendre en compte est le délai d’approvisionnement, et l’idéal est d’avoir un délai d’approvisionnement court. Il existe des composants disponibles dans le commerce, depuis des condensateurs jusqu’à des diodes, en passant par des transistors à effet de champ (FET), qui sont de qualité automobile. En utilisant des composants faciles à approvisionner, un prototype d’illuminateur peut être conçu et réalisé en quelques semaines. Vous devrez également vérifier que votre système peut supporter des fréquences de modulation allant jusqu’à 100 MHz.

Un autre aspect à prendre en compte est la flexibilité de conception. L’utilisation de composants discrets offre plus de flexibilité et permet l’adaptation à différentes exigences de conception. De tels systèmes peuvent alors être adaptés aux conditions de conduite, au courant crête, et à la forme des impulsions. L’utilisation d’architectures modulaires permet de personnaliser facilement les temps de montée et d’optimiser l’efficacité énergétique du driver. En outre, si vous utilisez des composants discrets plutôt qu’un driver sur une puce, vous pourrez souvent obtenir de meilleures performances grâce à la plus faible résistance du circuit de commande. Dans le cas d’applications automobiles, cela peut permettre d’adapter le driver pour pouvoir supporter des courants crête plus élevés.

Le composant d’éclairage IR étant un élément clé des systèmes à capteur ToF, il est essentiel de choisir un système présentant les caractéristiques de longueur d’onde appropriées pour l’application concernée. Il s’agit notamment de déterminer les bonnes caractéristiques d’émission spectrale, de filtrage optique et d’amplitude, qui permettront de bloquer le rayonnement solaire de fond à l’intérieur de la voiture, car ce rayonnement varie selon le type de véhicule.

Enfin, comme avec tout instrument utilisant une source d’éclairage, la sûreté pour les yeux est vitale. La réglementation du laser doit être appliquée conformément à la norme de sûreté laser IEC 60825-1:2014. C’est un domaine complexe dans lequel il est difficile de s’y retrouver, mais en résumé, il y a de nombreux aspects à prendre en compte. Il s’agit notamment de la classe de sécurité laser, de la brillance de la source, de la forme de la source lumineuse et de la façon dont elle impacte la rétine, de la luminosité sous différents angles, du diamètre de pupille de l’œil des personnes utilisant l’instrument (des pupilles plus larges laissent passer plus de lumière), de la longueur d’onde du laser, des distances maximale et minimale de la source et de la puissance moyenne du laser (notamment quand il s’agit d’un laser pulsé).

Surveillance de conducteur à l’intérieur du véhicule

Il y a plusieurs domaines dans lesquels les systèmes ToF VCSEL peuvent servir à surveiller le conducteur d’une automobile, afin de contribuer à un niveau accru de confort et de sécurité. D’une part, ces systèmes peuvent être utilisés pour surveiller le niveau de distraction du conducteur et détecter la somnolence. D’autre part, le même capteur peut aussi être utilisé simultanément pour surveiller le poste de conduite, et mesurer la position de la tête et du corps pour la commande des airbags. Le même capteur peut aussi servir à d’autres fonctions, comme la commande gestuelle. Ainsi, alors que ces systèmes peuvent utiliser une seule ou plusieurs caméras, un seul système de capteurs est nécessaire pour la surveillance simultanée du conducteur et de l’habitacle.

Sécurité accrue pour tous

La combinaison de capteurs ToF permettant de surveiller simultanément l’habitacle et le conducteur, et offrant la capacité de détecter les objets très réfléchissants ou non réfléchissants, permet au conducteur de se sentir beaucoup plus en sécurité sur la route. Ces systèmes ne dépendent pas seulement de la sensibilité du capteur lui-même, mais aussi de l’efficacité de la source d’éclairage. Bien que les LED existent depuis plus longtemps, les avantages offerts par les VCSEL sont bien plus importants, et dans la mesure où d’énormes progrès ont été réalisés pour produire des VCSEL en grande série, ces derniers devraient bientôt prendre le pas sur les LED, d’un point de vue économique également, et plus seulement du point de vue des performances.

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