Le besoin de détection de proximité dans de nombreux secteurs d’activité a favorisé le développement de diverses solutions technologiques - capteurs à ultrasons ou infrarouges, caméras vidéo, etc. - et notamment les capteurs optiques à temps de vol (ToF, Time-of-Flight). Tony Zarola, Senior Director, Time of Flight chez Analog Devices fait ici le point sur cette dernière technologie en plein développement.

Il semble, malgré leur précision, que les capteurs ToF sont considérés comme complexes et coûteux à mettre en œuvre. Est-ce encore vrai aujourd'hui ?

TONY ZAROLA Un constat d’abord : le domaine de la détection de proximité ne correspond pas à la valeur totale des solutions reposant sur les capteurs ToF qui incluent celles fondées sur les technologies du temps de vol indirect (iToF, indirect Time-of-Flight) où l’on obtient une résolution et une précision très élevées pour des applications d’imagerie 3D. La détection de proximité stricto sensu a plutôt tendance à utiliser des capteurs de faible résolution avec la technologie du temps de vol direct (dToF, direct Time-of-Flight), avec des applications dans l'habitacle automobile et certains combinés téléphoniques de détection de proximité ou de gestes.

Pour rappel, la technologie dToF est une méthode de détection fondée sur la mesure simple et directe du temps de réflexion d’une courte impulsion lumineuse, de quelques nanosecondes, lorsqu’elle rencontre une cible. L’approche iToF consiste quant à elle à mesurer une distance à partir de l’émission d’une lumière continue et modulée, en collectant la lumière réfléchie et en discernant le déphasage entre lumière émise et lumière réfléchie. Une approche efficace pour l'imagerie 3D haute vitesse et haute résolution de suivi et de détection d'objets à courte et longue distance.

Que peut-on attendre en matière de résolution, de précision, de profondeur de détection des capteurs TOF et pour quelles conditions d'éclairage ?

TONY ZAROLA Aujourd’hui Analog Devices propose des capteurs ToF dotés d’une résolution jusqu’à 1 mégapixel avec une précision de +/-3 mm sur une plage de détection de 40 cm à 5 m. Les conditions d'éclairage seront toujours un défi pour les systèmes à temps de vol indirect, mais elles peuvent être quelque peu atténuées grâce à des techniques d'éclairage et à un filtrage des signaux. La lumière ambiante apparaît par exemple comme du bruit pour une caméra iToF. Il y a donc, dans ce cas, un compromis entre la distance de détection possible avec une bonne précision et l’augmentation de l'intensité lumineuse.

Pour arriver à ces performances, aujourd’hui d'un point de vue technologique, la solution VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser ou diode laser à cavité verticale émettant depuis la surface) est la technologie qui devient la plus couramment utilisée dans les applications ToF.

Quels marchés sont les plus pertinents pour les capteurs TOF ? Automatisation industrielle, logistique, robotique, santé, réalité augmentée ? Toutes ces applications nécessitent-elles une grande précision ?

TONY ZAROLA Bien sûr, tous ces marchés sont prêts pour la technologie ToF, à la fois pour le dToF et l’iToF. Plus précisément, les avantages de l’iToF et la précision qu'elle offre procurent dans certains cas des avantages décisifs. Par exemple lorsque l’on utilise une caméra pour gérer l'automatisation du prélèvement et du placement de pièces dans une unité de fabrication, il s’agit de discerner avec précision les différents articles présents sur un plateau.

Autre exemple en robotique, la demande est généralement de disposer d'un large champ de vision pour obtenir une perspective à 180 degrés. Ici, pour maintenir une résolution angulaire avec des FoV (Field Of Vue) larges, il est nécessaire d'avoir un capteur ToF de profondeur à haute résolution afin de ne pas perdre d'informations sur les bords de la scène.

En logistique, une application émergente est le dimensionnement d'objets où les images sont assemblées pour reconstruire une image 3D. Pour trouver avec précision les points correspondants dans des scènes adjacentes, la précision et la résolution des capteurs ToF sont nécessaires, sinon une quantité importante de post-traitement est nécessaire, ce qui ajoute du coût et de la complexité au système.

Avez-vous une estimation du marché mondial des capteurs TOF et de son évolution ?

TONY ZAROLA Il semble, selon différentes études, que le marché des capteurs de temps de vol devrait afficher un taux de croissance moyen annuel entre 15% et 20% pour les cinq années à venir, notamment dans le domaine de la vision industrielle qui doit franchir un cap afin de percevoir plus rapidement des objets plus compacts et plus subtils dans des environnements industriels qui se caractérisent fréquemment par des conditions environnementales difficiles avec de multiples stimuli. Il va s’agir d’exécuter désormais grâce à la technologie des capteurs ToF davantage de tâches de précision en donnant la possibilité aux robots de mieux comprendre l’espace dans lequel ils fonctionnent et, à terme, d’augmenter la productivité.

Propos recueillis par François Gauthier