Brevet FR3090124A1 — publié le 20200619

Description Titre de l'invention : Capteur de temps de vol et système de sur- veillance comportant un tel capteur [0001] Domaine technique auquel se rapporte l'invention [0002] La présente invention concerne de manière générale le domaine de la vision et de la détection d'objets au moyen d'un système optique de détection. [0003] Elle concerne plus particulièrement un capteur de temps de vol permettant de re- construire la cartographie tridimensionnelle d'une scène comportant un ou plusieurs objets. [0004] Elle concerne également un système de surveillance comportant un tel capteur. Arrière-plan technologique [0005] On connaît des capteurs de temps de vol comportant : [0006] - un dispositif d'illumination comprenant une source de lumière émettant un faisceau source, en direction d'une scène comprenant un objet susceptible de réfléchir ce faisceau source ; et [0007] - un détecteur comprenant une matrice de pixels photosensibles et recevant une partie du faisceau source réfléchi par cet objet réfléchissant. [0008] Généralement, la source de lumière du dispositif d'illumination est soit une diode électroluminescente (DEL), soit une diode laser (par exemple de type VCSEL). Cette source émet généralement dans une bande étroite du domaine infrarouge, autour de 900 nanomètres par exemple. Ceci permet que le faisceau source ne soit pas visible pour les utilisateurs présents près du capteur (l'oeil humain est sensible seulement jusqu'à 800 nm environ). 100091 Le détecteur, qui est du type « matriciel », est par exemple formé d'une caméra de type CMOS, dont les pixels photosensibles sont sensibles dans l'IR, au moins dans une bande d'absorption incluant la bande étroite d'émission. 100101 Comme décrit dans le document « Time-of-Flight Camera - An Introduction » (Texas Instruments Technical White Paper SLOA190B, May 2014), le capteur mesure le temps, appelé donc « temps de vol », mis par le faisceau source pour aller de la source à l'objet, puis par le faisceau « réfléchi ») pour aller de l'objet au détecteur. Pour cela, le faisceau source doit être modulé temporellement. 100111 À cet effet, on prévoit généralement une unité électronique configurée pour générer un signal de modulation et commander le dispositif d'illumination au moyen de ce signal de modulation de sorte que le faisceau source émis présente une puissance lumineuse source modulée temporellement. 100121 Généralement, cette unité électronique est également configurée pour : 2 [0013] - traiter des signaux électriques délivrés en fonction du temps par le détecteur, chaque signal électrique étant représentatif d'une fraction de la puissance lumineuse source réfléchie par l'objet en direction d'un pixel photosensible associé ; et [0014] - déduire des signaux électriques traités, une distance caractéristique entre l'objet et le dispositif d'illumination. [0015] Ainsi, un capteur de temps de vol permet de reconstruire une cartographie tridimen- sionnelle de la scène qu'il observe et d'y détecter des formes, voire d'y reconnaître des objets (un corps humain ou une partie d'un corps humain, les yeux d'un individu, etc...). [0016] Pour « voir » loin (longue portée) et bien (bon rapport signal à bruit), l'unité élec- tronique du capteur de temps pilote le dispositif d'illumination de sorte que la puissance lumineuse moyenne émise du faisceau source est suffisamment élevée. [0017] Objet de l'invention [0018] Afin de remédier à l'inconvénient précité de l'état de la technique, la présente invention propose un capteur de temps de vol présentant une sécurité accrue et évitant les risques d'endommagement par le faisceau source, notamment les risques de dommage aux personnes. [0019] Plus particulièrement, on propose selon l'invention un capteur de temps de vol tel que défini en introduction, dans lequel ladite unité électronique est en outre configurée pour, lorsque ledit objet est détecté comme étant à une distance caractéristique inférieure à une distance seuil prédéterminée : [0020] - commander ledit dispositif d'illumination de manière à réduire en moyenne ladite puissance lumineuse source en deçà d'une valeur maximale prédéfinie. [0021] Ainsi, grâce au capteur de temps de vol de l'invention, on limite le niveau de rayonnement infrarouge subi par les objets présents dans la scène et susceptibles de réfléchir ce rayonnement. [0022] Dans un mode de réalisation préféré, ladite unité électronique est également configurée pour générer un signal de modulation modifié pour commander ledit dispositif d'illumination au moyen de ce signal de modulation modifié. [0023] Dans ce cas, lorsque le capteur de temps de vol détecte qu'un objet se situe à une distance caractéristique trop petite par rapport à la source lumineuse, alors l'unité électronique modifie quasi instantanément le signal de modulation de sorte que le faisceau source présente une puissance lumineuse limitée. [0024] La valeur maximale prédéfinie peut être par exemple un seuil de dangerosité pour la peau ou les yeux d'un individu. Par exemple, lorsque le dispositif d'illumination comprend une source de type LED, cette valeur maximale est définie dans la norme internationale IEC 62471 (« Sécurité photobiologique des lampes et des appareils utilisant des lampes »). 3 [0025] La distance seuil prédéterminée peut en particulier dépendre de cette valeur maximale prédéfinie. [0026] La distance caractéristique de l'objet détecté par le capteur de temps de vol de l'invention peut être par exemple la distance moyenne ou bien une distance pondérée. [0027] De préférence, ladite distance caractéristique est égale à la distance minimale entre ledit dispositif d'illumination et un point particulier de l'objet réfléchissant ledit faisceau source en direction d'un pixel photosensible dudit détecteur. De cette façon, on est sûr que dès que l'objet (ou l'individu) entre dans une zone de dangerosité particulière, alors la puissance lumineuse moyenne est réduite de sorte qu'aucun point dudit objet n'est illuminé avec un faisceau source trop intense. [0028] Avantageusement, dans des cas où ladite distance seuil prédéterminée est inférieure à 30 centimètres, de préférence inférieure à 20 centimètres, le signal de modulation modifié commande l'extinction de ladite source lumineuse. [0029] D'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du capteur de temps de vol conforme à l'invention sont les suivantes : [0030] - ledit signal de modulation étant tel que ladite puissance lumineuse source modulée comprend une succession périodique d'impulsions lumineuses, ledit signal de modulation modifié est ajusté de sorte que la puissance lumineuse source comprend un nombre réduit d'impulsions lumineuses et/ou des impulsions lumineuses de largeur plus étroites et/ou d'intensité plus faible ; et [0031] - ladite unité électronique est en outre configurée pour, lorsque ledit objet est ensuite détecté comme étant à une autre distance caractéristique supérieure à ladite distance seuil prédéterminée, générer un autre signal de modulation modifié et commander ledit dispositif d'illumination au moyen de ce signal de modulation modifié de manière à augmenter ladite puissance lumineuse source au-delà d'une valeur minimale prédéfinie. [0032] Le capteur de temps de vol décrit ci-dessus entre avantageusement dans la réalisation d'un système de surveillance destiné à surveiller l'intérieur d'un habitacle d'un véhicule automobile. [0033] L'invention propose donc également un système de surveillance comprenant un capteur de temps de vol tel que défini ci-dessus. [0034] Dans un mode de réalisation préféré, la réduction de la puissance lumineuse source par le capteur de temps de vol est en outre conditionnée par la reconnaissance dudit objet comme étant une tête d'un occupant (conducteur, passager, ...) dudit véhicule automobile. [0035] Description détaillée d'un exemple de réalisation [0036] La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. [0037] Sur les dessins annexés : [0038] [fig.1] est une vue schématique d'un véhicule et de son habitacle qui comprend un capteur de temps de vol intégré à un système de surveillance de l'habitacle ; [0039] [fig.2] est une vue schématique du capteur de temps de vol de la figure 1 montrant le principe de fonctionnement de la mesure de temps de vol ; [0040] [fig.3] montre une tête humaine détectée dans l'habitacle du véhicule de la figure 1 ; et [0041] [fig.4] et [0042] [fig.5] sont des graphes montrant des exemples de modulation de la puissance source émise par le capteur de temps de vol de la figure 3. [0043] Sur la figure 1, on a représenté un véhicule automobile 1 et son habitacle 2, avec les sièges avant et arrière. [0044] Un système de surveillance 20 est embarqué à l'intérieur de l'habitacle 2 du véhicule automobile 1 pour permettre l'acquisition de l'environnement cabine et de ses occupants (conducteur, passager(s) avant et/ou arrière). [0045] Ce type de système de surveillance est appelé en anglais « Interior Monitoring System » ou TIVIS. Il comporte un capteur de temps de vol 10 (ci-après désigné « capteur 10») qui est généralement positionné dans les modules de toits du véhicule automobile 1 mais peuvent aussi être en face du conducteur, près du montant ou en console centrale. [0046] Le capteur 10 est directement orienté vers les occupants de la voiture et présente un champ de vision 17 (voir figure 1), ici de façon à couvrir toutes les positions possibles des occupants du véhicule automobile 1. [0047] Comme représenté de manière schématique sur la figure 2, le capteur 10 comporte trois éléments que nous allons décrire plus en détail par la suite : un dispositif d'illumination 11, un détecteur 15 et une unité électronique 19. [0048] Dans le cas général, le capteur 10 fait face à une scène 3 comportant différents « objets » (représentés ici par des formes géométriques) susceptible de réfléchir la lumière, en particulier la lumière infrarouge (IR). Ces objets peuvent être par exemple la tête du conducteur ou du passager. Pour la suite, on considérera à titre d'exemple pour l'explication le cas particulier du cube 4 en tant qu'objet réfléchissant. [0049] Le dispositif d'illumination 11, qui peut être commandé par l'unité électronique 19 (on verra de quelle manière dans la suite de la description), comprend une source de lumière 12 dont la puissance lumineuse peut être modulée, par exemple via un pilotage en courant. [0050] Ainsi commandé, le dispositif d'illumination 11 émet un faisceau source 13 (voir fig. 2) en direction de la scène 3 comprenant l'objet 4 qui va réfléchir le faisceau source 13. [0051] La source de lumière 12 est de préférence une source émettant un rayonnement élec- tromagnétique à une longueur d'onde peu ou pas visible pour l'oeil humain. Avantageusement, cette source de lumière 12 émet dans le domaine infra-rouge. [0052] TeL la source de lumière 12 est une diode électroluminescente (« Light-etnitting diode » ou LED) émettant dans l'IR, à une longueur d'onde de 940 nm, avec une largeur d'émission de 60 nm (+/- 30 nm autour de la longueur d'onde centrale). [0053] En variante, la diode pourrait émettre à une longueur d'onde de 850 nm, ou bien à toute autre longueur d'onde dans le proche infra-rouge comprise entre 800 nm et 1100 nm, voire éventuellement à une longueur d'onde dans le spectre visible des rouges profonds, compris entre 700 nm et 800 nm. [0054] Dans d'autres modes de réalisation, la source de lumière du dispositif peut être une diode laser, en particulier de type VCSEL (« Vertical-eavity surface-emitting laser » en anglais), par exemple une diode laser GaAs/AlGaAs émettant entre 700 nm et 1100 nm. [0055] Dans des modes de réalisation particulièrement avantageux, le dispositif d'illumination 11 peut comprendre un système optique placé en aval de la source de lumière 12 pour mettre en forme le faisceau source 13 (voir fig. 2) émis par la source de lumière 12. Ce système optique peut être simplement formé d'une unique lentille, ou bien d'un doublet. En variante, on peut prévoir un système optique complexe pour donner des propriétés particulières au faisceau source 13 (ouverture numérique, polarisation, qualité optique, etc...). [0056] L'unité électronique 19 est configurée pour générer un signal de modulation, par exemple un signal de courant modulé, à destination du dispositif d'illumination 11 (voir flèche entre l'unité 19 et le dispositif 11 sur la fig. 2). [0057] Commandée au moyen de ce signal de modulation, la source de lumière 12 émet un faisceau lumineux source 13 qui présente une puissance lumineuse source Ps qui est modulée temporellement. [0058] Ceci se voit sur la figure 4 où l'on a représenté en ordonnée les variations de la puissance lumineuse source Ps (en Watts W) émise par le dispositif d'illumination 11 en fonction du temps t (en secondes s). [0059] Le signal de modulation est ici tel que pendant une période d'activation Ln (appelée aussi « période d'intégration ») typiquement comprise entre 1 ps et 10 ms, le dispositif d'illumination émet une succession périodique d'impulsions 21 carrés de puissance crête Po et de largeur At comprise entre 5 nanosecondes et 500 nanosecondes, à une fréquence comprise entre 1 et 100 mégahertz (MHz). [0060] Pendant une autre période dite d'inactivation l'off, le signal de modulation est tel que le dispositif d'illumination 11 n'émet pas de faisceau source (le signal de courant reçu 6 en entrée du dispositif d'illumination - et donc de la source lumineuse - étant par exemple signal de courant nul). [0061] L'ensemble formé par la période d'activation Ton et la période d'inactivation Toff constitue une période d'acquisition T. [0062] Dans d'autres modes de réalisation, la signal de modulation pourrait être un signal si- nusoïdal de sorte que la puissance lumineuse source soit modulée sinusoïdalement en fonction du temps. [0063] Comme représenté sur la figure 2, une partie 14 du faisceau source 13 émis par le dispositif d'illumination 11 est réfléchie par l'objet 4 présent dans la scène 3. Pour être détecté, l'objet 4 doit être dans le champ de vue 17 du capteur 10 de sorte que le faisceau réfléchi 18 soit intercepté par le détecteur 15. [0064] Ce détecteur 15 est un détecteur matriciel (par ex. «focal plane array ») et comprend une matrice 16 de pixels photosensibles (c