Être vu ou ne pas être vu

De nos jours, nous considérons souvent les LED comme une source de lumière visible, mais nous oublions souvent que, bien que le spectre des infrarouges soit invisible pour le commun des mortels, il peut être exploité par le biais de LED afin de communiquer parfaitement avec des machines.  Lance Hemming, Responsable du groupe international de produits pour RS Components, explique :

 

Les rayons infrarouges sont généralement divisés en trois zones qui représentent toute une cible primaire pour les LED.  Les proches infrarouges, avec une longueur d'onde allant de 700 à 1 400 nm, sont généralement utilisés par les appareils télécommandés, les sources d'éclairage des caméras de surveillance, les dispositifs de vision des machines industrielles et, de plus en plus fréquemment, par les écrans tactiles ainsi que les capteurs de reconnaissance des gestes et d'inclinaison des smartphones et tablettes.  La plage intermédiaire, à partir de 1 400 nm, facilite la détection de toute source de chaleur et est largement utilisée par les équipements de vision nocturne militaires et civils, mais aussi pour la détection des dangers (incendies) et les opérations de recherche et de sauvetage.  La troisième plage, celle des lointains infrarouges, qui sont dotés de longueurs d'onde supérieures à 3 000 nm, est utilisée dans le domaine de l'imagerie thermique.  Cet article porte principalement sur les applications des LED dans le domaine des proches infrarouges, les longueurs d'onde les plus populaires étant comprises entre 850 nm et 940 nm.

 

Applications émergentes

L'une des applications émergentes les plus intéressantes pour les LED à infrarouges se situe dans le domaine des divertissements où, paradoxalement, celles-ci permettent de créer des effets lumineux colorés, très visibles et très impressionnants sur l'ensemble du public.  Ceux-ci ont en outre été utilisés lors de divers événements importants tels que les cérémonies d'ouverture et de clôture des Jeux Olympiques, le Superbowl aux États-Unis, et on les retrouve de plus en plus fréquemment lors de concerts.

Figure 1 : Les bracelets de l'entreprise technologique britannique Xyloband utilisés récemment lors d'un concert de Coldplay.

 

Les spectateurs portent des bracelets ou chapeaux équipés de LED ou des matrices de LED sont installées sur les sièges.  En général, les LED émettent des couleurs et intensités spécifiques en réponse à des signaux provenant de LED infrarouges situés dans une console de contrôle centrale.  Les effets incluent entre autres des vagues déferlantes de couleurs, ou des motifs évoluant au rythme de la musique, créant ainsi une expérience immersive pour la foule et un spectacle impressionnant pour les téléspectateurs ou autres personnes regardant la vidéo.

Dans le monde de l'automobile, les émetteurs et capteurs à infrarouges sont des composants importants d'une gamme croissante de systèmes automatiques d'aide à la conduite (ADAS), notamment pour les dispositifs d'aide au stationnement, de détection des piétons ou des obstacles sur la route dans différentes conditions environnementales.  Parmi les autres applications automobiles observées, on compte la surveillance du mouvement des yeux du conducteur et la détection de l'occupation des sièges, ainsi que la reconnaissance automatique des plaques d'immatriculation et les systèmes de gestion du trafic.

Par ailleurs, les LED à infrarouges et proches infrarouges se sont avérées utiles pour accélérer la guérison des blessures et le traitement des atrophies musculaires et osseuses, générant ainsi toute une gamme de nouvelles applications médicales spécialisés, mais aussi des produits thérapeutiques légers destinés à la grande consommation.

Dans le cadre du Projet Tango, le tout dernier prototype de smartphone de Google présente un dispositif de cartographie en 3D conçu pour construire une carte de profondeur détaillée représentant l'espace entourant un utilisateur.  Des capteurs et émetteurs à infrarouges permettent au téléphone d'effectuer des centaines de milliers de mesures en 3D par seconde, et actualisent sa position et son orientation en temps réel en combinant les données ainsi obtenues au sein d'un seul et unique modèle en 3D.

 

Un contact très léger

Ces dernières années, les écrans tactiles des smartphones, des tablettes et autres appareils numériques de consommation courante sont devenus extrêmement populaires.  Des LED infrarouges ultra puissantes permettent la mise en œuvre de cette technologie et viennent remplacer les méthodes traditionnelles basées sur la résistance et la capacité.   Les LED créent une grille lumineuse sur l'ensemble de la zone de projection, de telle sorte qu'un objet touchant la zone projette une ombre ou reflète la lumière.

Aujourd'hui, les LED infrarouges sont petites et assez puissantes, mais leur prix reste suffisamment bas pour qu'elles puissent être utilisées autour d'un écran, quel qu'en soit la taille.  Certains éléments, tels que les semiconducteurs SFH 4053 d'Osram Opto (RS 735-0585), ne mesurent que 0,5 x 1 x 0,45 mm. Il s'agit là du profil le plus bas disponible, qui se prête idéalement à une installation sur écran tactile, même sur les téléphones portables.  Cette pièce reste pourtant suffisamment puissante (260 mW à 700 mA en mode d'impulsions), avec un angle de demi-intensité de 70 o, pour inonder de lumière un écran à partir de seulement deux coins. Elle est ainsi adaptée à une utilisation avec des puces de caméras et des écrans de plus grande envergure.

Les smartphones, tablettes, consoles de jeux et autres appareils portables numériques comportent de plus en plus fréquemment un dispositif de reconnaissance des gestes.  Ici, les LED infrarouges haute puissance à grand angle de rayonnement règnent en maîtres et offrent un éclairage uniforme sur une zone de proximité, afin que la caméra embarquée puisse détecter les mouvements et la proximité de façon fiable et précise.

 

Figure 2 : La LED infrarouge 850 nm SFH 4716S Oslon Black d'Osram peut être utilisée sur tout un éventail d'applications, et notamment pour la reconnaissance des gestes ainsi que sur les caméras de surveillance.

 

La LED de 850 nm SFH 4716S (RS 778-1444) de la gamme Oslon Black d'Osram, illustrée ci-dessus, est une solution typique pour ce type d'applications.  Elle bénéficie d'une puissance optique de 1 030 mW pour un courant de service de 1 A et développe une intensité de rayonnement de 225 mW/sr.  Son angle de rayonnement atteint une valeur impressionnante de 150 o.  Pourtant, cette pièce peut également être associée à des réflecteurs externes afin de créer un angle de rayonnement étroit et fournir ainsi une intensité de rayonnement supérieure sur une plus longue portée.  Elle s'adapte ainsi aux exigences des caméras et systèmes de surveillance tels que les dispositifs de reconnaissance des plaques d'immatriculation.

 

Droit de regard

La plupart des applications d'éclairage de sécurité, et en particulier celles qui incorporent les images de caméras de sécurité, s'appuient sur des émetteurs et capteurs à infrarouges afin d'obtenir des images de bonne qualité dans le noir ; sans toutefois contribuer à la pollution lumineuse de la zone en question.  La nuit, les sources lumineuses visibles peuvent agacer et distraire les usagers de la route.

La plupart des caméras sont conçues pour capter les rayons infrarouges compris dans une plage de longueurs d'ondes allant de 840 à 860 nm et basculent vers des images monochromes lorsqu'il y a peu ou pas de lumière visible.  Les caméras fonctionnent en inondant une zone de lumière infrarouge et en détectant les rayons infrarouges reflétés par les objets.   La majorité des systèmes comprennent des matrices de LED. La qualité de l'image et la portée de la caméra dépendent alors de la quantité de lumière infrarouge disponible, ainsi que de la lentille de la caméra et, bien entendu, du système d'alimentation.

Pour rassembler un grand nombre de LED infrarouges au sein d'un système de surveillance compact, celles-ci doivent être de petite taille et peu onéreuses.  Il est nécessaire de concevoir le système et de sélectionner les LED avec le plus grand soin afin d'adresser les problèmes de production de chaleur et s'assurer que la lumière infrarouge ne se reflète pas dans la lentille, ce qui pourrait entraîner la production d'images floues.

Les caméras de surveillance ordinaires peuvent utiliser une réserve de 150 LED haute intensité de 840 nm pour couvrir une portée pouvant atteindre 80 mètres.  L'intensité de rayonnement est la caractéristique la plus importante. Elle se mesure en watts par stéradian et représente la quantité de lumière émise au sein d'un segment d'un angle solide donné.  Pour une plus grande portée de 100 voire 150 mètres, il est nécessaire de recourir à des LED dotées d'un rayon plus concentré, de 12 à 40 o, par exemple.

 

Figure 3 : La caméra dôme ABUS TVIP71501 pour réseau d'extérieur en pleine action sur le parvis d'une station-service.  Elle compte 24 LED à infrarouges d'une portée de service de 15 m.

 

La LED à infrarouges Dragon Dome (SFH 4783 - RS 784-5787) de 850 nm d'Osram se prête idéalement aux systèmes de surveillance et de sécurité.  Elle bénéficie d'un rayon concentré de +/-12 o, qui produit une intensité lumineuse de 2,3 W/stéradian à partir d'un courant de 1 A et lui octroie ainsi une portée potentielle supérieure à 100 m, en fonction de la sensibilité du champ de vision de la caméra.

Ce dispositif est compact, ne mesure que 11,2 x 6,08 x 5,9 mm et ne nécessite aucune lentille externe.  Il est compatible avec d'autres produits de la gamme Dragon, disponible en rouleau pour les lignes de production automatisées et adapté aux procédés de brasage par refusion.

 

Une opération à couvert

En matière d'éclairage de sécurité, il est intéressant de noter que les LED en cours d'utilisation puissent générer une lueur visible, bien que les rayons infrarouges de 850 nm ne soient pas visibles à l'œil nu.  Il est ainsi possible de discerner des caméras de sécurité masquées, particulièrement dans l'obscurité la plus totale.  Pour fonctionner dans un secret absolu, on utilise des caméras compatibles avec des LED infrarouges d'une longueur d'onde approchant 940 nm.

La LED Oslon black SFH 4725S (RS 778-1383) LED fournit une lumière de 940 nm, avec une intensité de rayonnement de 450 mW/sr pour un angle d'émission de 90 o.  Son boîtier noir permet de dissimuler complètement ce composant derrière la lentille de la caméra.

 

Compromis

Pour la plupart des applications, il est nécessaire de trouver un compromis entre les aspects commerciaux (coût), techniques (puissance, performance) et physiques (taille, orientation) des produits.  Les concepteurs doivent parfois faire un choix entre des courants d'entraînement inférieurs, pour une faible consommation d'énergie (durée de vie de la batterie plus élevée) et une intensité élevée, pour accroître la portée du dispositif (distance de transmission).

L'angle de vision est encore un autre aspect à prendre en compte.  D'ordinaire, les appareils à angle étroit sont plus populaires sur les écrans tactiles et capteurs de proximité, en raison de leur intensité plus élevé, mais également de leur format généralement plus compact.   Dans le même temps, les angles de vision plus larges sont mieux adaptés aux appareils télécommandés, car il n'est alors pas nécessaire d'orienter la télécommande vers le récepteur de façon très précise.

Bien que les dispositifs à vue supérieure soient adaptés aux applications à capteurs de proximité et télécommande, on y préfère souvent les LED à vue latérale, permettant aux dispositifs d'être incorporés dans les bords et coins des écrans tactiles.

Enfin, il convient de noter que les LED à infrarouges sont fournies sous forme de kits industriels standard, peuvent être facilement intégrées à des LED visibles si besoin est, et être contrôlées par les mêmes pilotes. De plus, elles sont compatibles avec les circuits alliés répondant aux normes industrielles pour les communications sans fil et les systèmes de réseaux vidéo et d'éclairage.

En termes de sélection, il existe des centaines de modèles de LED infrarouges produits par des dizaines de fabricants, offrant un large éventail de caractéristiques et d'options.  Il est donc utile de trouver un site de vente permettant de réduire le nombre de produits disponibles en fonction des contraintes conceptuelles de l'application, qu'il s'agisse du format, de l'intensité de rayonnement, de la longueur d'onde de crête ou encore de l'angle de vision !

 

www.fr.rs-online.com

 

Sources des illustrations :

Figure 1 : www.xylobands.com

Figure 2 : www.osram.fr

Figure 3 : www.abus.fr