Sécurité

La sécurité est ma priorité absolue, mais la responsabilité d'une utilisation sûre incombe en dernier ressort à l'utilisateur. FaceFocusVR décline toute responsabilité en cas de dommages résultant de l'utilisation ou d'une mauvaise utilisation du matériel.

Aucun système n'est sûr à 100 %. Bien que le rayonnement infrarouge fasse naturellement partie de notre environnement (environ 50 % de la lumière solaire est composée d'infrarouge), une exposition excessive peut être nocive.

N'essayez jamais de remplacer, désactiver ou modifier les composants liés à la sécurité.
Soyez attentif à vos sensations oculaires pendant l'utilisation.

Si vous ressentez une chaleur ou un inconfort inhabituel au niveau des yeux, cessez d'utiliser l'appareil. Une légère sensation de chaleur peut survenir en raison des caméras, mais avec le ventilateur en fonctionnement normal, vos yeux devraient se sentir normaux. Arrêtez l'utilisation si vous constatez :

L'image de la caméra d'eye tracking apparaît surexposée ou délavée.
Des taches sombres dans votre vision ou des troubles visuels inhabituels.
Des yeux secs ou fatigués au-delà de ce qui est normal en VR.

Un doute concernant la sécurité ? Contactez-moi

Fondements et bases scientifiques

Principes de base

Le rayonnement infrarouge (IR) est couramment utilisé dans les systèmes d'eye tracking pour illuminer l'oeil sans être visible à l'oeil nu. Bien que le rayonnement IR fasse naturellement partie de notre environnement (environ 50 % du rayonnement solaire est infrarouge), une exposition prolongée ou excessive peut être nocive, en particulier pour les zones sensibles comme les yeux.

Pour garantir une utilisation sûre, des directives ont été établies pour définir les limites d'exposition en fonction de facteurs tels que la partie du corps concernée (p. ex. oeil, peau), la longueur d'onde du rayonnement et la durée d'exposition. Mon évaluation de sécurité repose principalement sur deux sources faisant autorité :

L'ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) est une organisation indépendante qui fournit des directives scientifiquement fondées sur les effets sanitaires des rayonnements non ionisants, y compris l'infrarouge. Ses limites d'exposition sont largement reconnues et utilisées à l'international.

La norme EN 62471 est une norme européenne qui fournit des critères détaillés pour évaluer la sécurité photobiologique des lampes et systèmes d'éclairage, couvrant les rayonnements ultraviolets (UV), visibles et infrarouges (IR). Elle spécifie des seuils d'exposition pour prévenir les dommages thermiques et photochimiques aux yeux et à la peau.

Ces sources constituent le fondement de mes calculs, décisions de conception et précautions de sécurité pour garantir que l'exposition IR du système reste bien en dessous des niveaux dangereux. Étant donné que le contenu et les limites des deux références sont essentiellement identiques, seule la norme EN 62471 sera expliquée en détail ci-dessous. Les sources ICNIRP sont citées sans élaboration supplémentaire.

EN 62471

La norme EN 62471 évalue les risques photobiologiques des rayonnements optiques dans la gamme 200-3000 nm. Dans le contexte de ce projet, l'exposition continue aux infrarouges à 860 nm pendant plus de 10 secondes est pertinente, impliquant spécifiquement les risques thermiques pour la rétine, les effets thermiques sur le cristallin et les dommages thermiques à la peau.

Limites d'exposition au rayonnement infrarouge pour l'oeil

Le rayonnement IR peut être absorbé par les structures externes et internes de l'oeil, notamment la cornée et le cristallin, provoquant un échauffement localisé. Le rayonnement IR étant invisible et ne déclenchant pas les réflexes de protection naturels, l'oeil est particulièrement vulnérable à une surexposition involontaire. Pour des durées d'exposition supérieures à 1000 secondes, la norme EN 62471 fixe des limites strictes d'irradiance pour prévenir les lésions thermiques aiguës et minimiser les effets dégénératifs à long terme comme la cataractogenèse :

To avoid thermal injury of the cornea and possible delayed effects upon the lens of the eye (cataractogenesis), ocular exposure to infrared radiation, $E_{IR}$, over the wavelength range 780 nm to 3000 nm, for times greater than 1000 s, shall not exceed [EN 62471 4.3.7]:
$$E_{IR} = \sum_{780}^{3000} E_{\lambda} \times \Delta \lambda \leq 100 \quad \left[\frac{\text{W}}{\text{m}^2}\right] \quad \text{for } (t > 1000 \text{ s})$$$$E_{IR} \leq 100 \frac{\text{W}}{\text{m}^2} = 10 \frac{\text{mW}}{\text{cm}^2} \quad \text{for } (t > 1000 \text{ s})$$
Where:
$E_{\lambda}$ is the spectral irradiance,
$\Delta \lambda$ is the bandwidth,
$t$ is the exposure duration,
$E_{IR}$ is the infrared irradiance (total IR radiation power per unit area over the wavelength range 780-3000 nm).

Limite d'exposition thermique rétinienne (stimulus visuel faible)

Contrairement aux limites générales de rayonnement qui concernent principalement les effets thermiques sur les parties antérieures de l'oeil, la limite d'exposition thermique rétinienne se concentre sur le risque de dommage à la rétine causé par le rayonnement infrarouge. Même lorsque le stimulus visuel est faible ou à peine perceptible, le rayonnement peut se concentrer sur la rétine, provoquant un échauffement localisé et des lésions potentielles. La rétine étant particulièrement sensible aux augmentations de température, la norme EN 62471 établit des limites d'exposition strictes pour les courtes durées afin de protéger les cellules rétiniennes contre les dommages thermiques irréversibles.

For an infrared heat lamp or any near-infrared source where a weak visual stimulus is inadequate to activate the aversion response; the near infrared (780 nm to 1400 nm) radiance, $L_{IR}$, as viewed by the eye for exposure times greater than 10 s shall be limited to [EN 62471 4.3.6]:
$$L_{IR} = \sum_{780}^{1400} L_{\lambda} \times R(\lambda) \times \Delta \lambda \leq \frac{6000}{\alpha} \quad \left[\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}\right] \quad \text{for } (t > 10 \text{ s})$$
Where:
$L$ is the spectral radiance,
$R(\lambda)$ is the burn hazard weighting function,
$\Delta \lambda$ is the bandwidth in nm,
$t$ is the exposure time in seconds,
$\alpha$ is the angular subtense in radians.

Limite d'exposition thermique pour la peau

En plus de la sécurité oculaire, la norme EN 62471 traite également du risque de lésion thermique de la peau causé par une exposition prolongée au rayonnement infrarouge. La peau pouvant absorber le rayonnement IR sur une large surface, une exposition excessive peut entraîner un échauffement de surface, des brûlures ou des lésions tissulaires à long terme. Toutefois, pour des durées d'exposition supérieures à 10 secondes sur de grandes surfaces, la norme note que la douleur est généralement ressentie avant tout dommage tissulaire réel. Par conséquent, la réponse naturelle d'aversion due à l'inconfort limite généralement l'exposition bien avant qu'une blessure ne soit possible. Pour cette raison, les limites d'exposition thermique pour la peau ne sont pas davantage considérées.

[...] exposure limit is based on skin injury due to a rise in tissue temperature and applies only to small area irradiation. Exposure limits for periods greater than 10 s are not provided. Severe pain occurs below the skin temperature required for skin injury, and an individual's exposure normally will be limited for comfort. Large area irradiation and heat stress are not evaluated since this involves consideration of heat exchange between the individual and the environment, physical activity, and various other factors, which cannot be applied in a product safety standard, but must be evaluated by environmental heat-stress criteria. [EN 62471 4.3.8 (Note)]

ICNIRP

L'ICNIRP, la Commission internationale de protection contre les rayonnements non ionisants, est une organisation indépendante qui fournit des orientations scientifiques sur les effets sanitaires des rayonnements non ionisants, y compris l'infrarouge. Dans ses publications de 2006 et 2013, l'ICNIRP aborde les limites d'exposition et les impacts potentiels sur la santé. Le document de 2006, ICNIRP Guidelines on Limits of Exposure to Broad-Band Incoherent Optical Radiation (2006), inclut la limite d'exposition pertinente pour la peau dans la formule 4b à la page 639 (ou page 11 du document). Le document de 2013, ICNIRP Guidelines on Limits of Exposure to Incoherent Visible and Infrared Radiation (2013), présente une limite mise à jour dans la formule 21 à la page 88 (ou page 18 du document).

Évaluation de conformité EN 62471

Paramètres de la fiche technique

Les paramètres clés utilisés dans les calculs suivants sont tirés de la fiche technique officielle de la LED : CSL1501RW1

Intensité de rayonnement : maximum de 3,4 $\frac{\text{mW}}{\text{sr}}$ à 30 mA
Angle d'émission horizontal : 140 degrés
Angle d'émission vertical : 160 degrés

La LED émet 3,4 milliwatts de puissance optique par stéradian lorsqu'elle fonctionne à un courant direct de 30 mA. Comme la LED est limitée à 2,4 mA en raison de la conception de la carte, et que la fiche technique indique que l'intensité de rayonnement diminue linéairement, nous pouvons calculer l'intensité de rayonnement ajustée comme suit :

$$I_{\text{op}} = \frac{3.4 \frac{\text{mW}}{\text{sr}} \times 2.4 \text{ mA}}{30 \text{ mA}} = 0.273 \frac{\text{mW}}{\text{sr}}$$

Un stéradian est une unité de mesure des angles solides dans l'espace tridimensionnel, similaire à la façon dont le radian mesure les angles dans un cercle.

Angle solide

Dans le contexte des sources lumineuses comme les LEDs, l'angle solide décrit la portion d'espace dans laquelle la lumière est émise. Un angle solide plus grand signifie que la lumière est répartie sur une surface plus large, tandis qu'un angle solide plus petit indique un faisceau plus concentré. Pour référence, l'angle solide total entourant un point dans toutes les directions (une sphère complète) est de $4\pi$ sr, soit environ 12,57 sr.

Comme les LEDs n'émettent pas la lumière en un cône parfait dans une seule direction mais plutôt selon un motif elliptique, la formule habituelle de calcul de l'angle solide basée sur un cône circulaire n'est pas totalement exacte. Il est préférable d'approximer l'émission à l'aide d'un modèle elliptique tenant compte des différents angles de faisceau horizontal et vertical. Cela se fait avec la formule :

$$\Omega = 4 \arcsin \left( \sin \left( \frac{\theta_x}{2} \right) \cdot \sin \left( \frac{\theta_y}{2} \right) \right)$$

où $\theta_x$ et $\theta_y$ sont les angles de faisceau horizontal et vertical, respectivement, exprimés en radians.

Il est important de noter que cette formule reste une approximation. En réalité, la distribution lumineuse des LEDs n'est pas parfaitement rectangulaire comme la formule pourrait le suggérer, mais plutôt elliptique ou de forme plus lisse. La formule simplifie délibérément la géométrie pour faciliter le calcul, tout en fournissant une estimation suffisamment précise de l'angle solide.

Lorsque les angles de faisceau de la fiche technique sont substitués dans la formule, le calcul donne un angle solide d'environ 4,73 stéradians :

$$\Omega = 4 \arcsin \left( \sin \left( \frac{140° \cdot \pi}{360} \right) \cdot \sin \left( \frac{160° \cdot \pi}{360} \right) \right) = 4.73 \text{ sr}$$

Surface illuminée

Pour calculer la surface illuminée par chaque LED individuelle, la formule de Oosterom-Strackee peut être utilisée après une transformation adaptée. Cette formule a déjà été appliquée en combinaison avec les angles de faisceau horizontal et vertical pour estimer l'angle solide (stéradian) couvert par la LED.

Cependant, en réarrangeant la formule, elle peut également servir à calculer la surface projetée du cône lumineux à une distance donnée. Plus précisément, elle permet d'estimer la taille du spot lumineux, formé par l'ouverture horizontale et verticale du faisceau de la LED.

$$\text{Largeur} = 2 \cdot h \cdot \tan\left(\frac{\theta_x}{2}\right) \quad ; \quad \text{Hauteur} = 2 \cdot h \cdot \tan\left(\frac{\theta_y}{2}\right)$$$$A = \text{Largeur} \cdot \text{Hauteur} = 4 \cdot h^2 \cdot \tan\left(\frac{\theta_x}{2}\right) \cdot \tan\left(\frac{\theta_y}{2}\right)$$

où $\theta_x$ et $\theta_y$ sont les angles de faisceau horizontal et vertical, respectivement, exprimés en radians, et $h$ est la distance entre la LED et la surface illuminée.

En utilisant les angles de faisceau de la fiche technique et une distance de 1 cm dans la formule, la surface illuminée calculée est d'environ 62,33 cm² :

$$A = 4 \cdot (1\text{ cm})^2 \cdot \tan\left(\frac{140° \cdot \pi}{360}\right) \cdot \tan\left(\frac{160° \cdot \pi}{360}\right) = 62.33 \text{ cm}^2$$

Puissance totale

Comme la fiche technique ne spécifie que l'intensité de la LED en $\frac{\text{mW}}{\text{sr}}$, c'est-à-dire la puissance émise par unité d'angle solide, mais pas la puissance totale émise, la puissance réelle émise par la LED doit être calculée en multipliant cette valeur par l'angle solide total de la LED. Cela donne la puissance totale en milliwatts émise sur l'angle d'émission complet de la LED, ce qui est nécessaire pour calculer l'irradiance à l'étape suivante.

$$P = I_{\text{op}} \times \Omega = 0.273\text{ mW/sr} \times 4.73\text{ sr} = 1.29\text{ mW}$$

Irradiance

L'irradiance est la mesure de la puissance rayonnante reçue par une surface par unité de surface. Elle quantifie la quantité d'énergie qui atteint une surface donnée. En termes plus simples, elle indique l'"intensité" de la lumière sur une surface. Pour la calculer, la puissance rayonnante totale incidente sur la surface est divisée par la surface.

En utilisant les valeurs précédemment calculées, l'irradiance de 7 LEDs à une distance de 1 cm s'exprime comme suit :

$$E = \frac{7 \times P}{A} = \frac{7 \times 1.29\text{ mW}}{62.33\text{ cm}^2} = 0.14\text{ mW/cm}^2 = 1.4\text{ W/m}^2$$

Radiance

Les valeurs précédemment calculées portaient sur l'irradiance, qui relie la puissance émise par la LED à la surface illuminée à une distance donnée. Bien que l'irradiance soit importante pour évaluer l'intensité lumineuse globale reçue par une surface, la norme EN 62471, en particulier concernant la limite d'exposition thermique rétinienne sous stimulus visuel faible, requiert également la considération de la radiance.

La radiance décrit la puissance rayonnante émise par la source par unité de surface émissive projetée et par unité d'angle solide. C'est un paramètre clé pour évaluer les risques rétiniens potentiels, car il capture non seulement la quantité de puissance émise, mais aussi la concentration de la lumière dans des directions spécifiques. Contrairement à l'irradiance, qui dépend de la surface réceptrice, la radiance est intrinsèque aux caractéristiques d'émission de la source et reflète mieux le risque de dommage thermique rétinien par une lumière focalisée ou directionnelle.

La radiance peut être calculée en utilisant la définition formelle :

$$L = \frac{d^2\Phi}{\cos(\beta) \cdot dA \cdot d\Omega} \quad \left[\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}\right]$$

Cette formule décrit la quantité de puissance rayonnante $d^2\Phi$ émise depuis un élément de surface projetée $dA$ de la source dans un angle solide donné $d\Omega$, avec $\beta$ étant l'angle entre la normale à la surface et la direction d'émission. Il est important de noter que la surface $dA$ fait référence à la surface émissive de la source (et non à la cible illuminée) et que le terme cosinus $\cos(\beta)$ tient compte de la projection de la surface dans la direction d'émission.

Pour simplifier le calcul, nous supposons $\beta = 0°$, ce qui signifie que la direction d'observation est perpendiculaire à la surface émissive. Cela représente le pire scénario, car la radiance est maximisée lorsque l'angle de vision s'aligne directement avec la normale à la surface, ce qui donne $\cos(\beta) = 1$ :

$$L = \frac{d^2 \Phi}{dA_{\text{led}} \cdot d\Omega} = \frac{P}{A_{\text{led}} \cdot \Omega} = \frac{1.29\text{ mW}}{0.5\text{ mm}^2 \cdot 4.73\text{ sr}} \approx 545 \frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}$$

Limite de radiance fixée par EN 62471

La limite de radiance fixée par EN 62471 n'est pas une valeur fixe ; elle dépend de la sous-tendance angulaire de la source lumineuse, mesurée en radians. La sous-tendance angulaire décrit la taille apparente de la source lumineuse pour l'observateur, c'est-à-dire l'angle sous-tendu par la source au niveau de l'oeil.

Pour calculer la limite autorisée par EN 62471 pour des expositions supérieures à 10 secondes, il suffit de diviser 6000 par la sous-tendance angulaire $a$ (en radians) :

$$L_{\text{limit}} = \frac{6000}{a} \quad \left[\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}\right]$$

Pour calculer la sous-tendance angulaire $a$, il faut connaître à la fois la taille physique de la source lumineuse et sa distance par rapport à l'oeil de l'observateur. La sous-tendance angulaire en radians est définie comme l'angle sous-tendu par la source, basé sur sa dimension caractéristique $d$ (p. ex. diamètre ou longueur de côté) et la distance d'observation $r$. Pour les LEDs 0402 utilisées ici, où $d = 1\text{ mm}$ et $r = 1\text{ cm}$, la sous-tendance angulaire est :

$$a = \frac{d}{r} = \frac{1\text{ mm}}{10\text{ mm}} = 0.1\text{ rad}$$

Cela donne une limite pour des durées d'exposition supérieures à 10 secondes de :

$$L_{\text{limit}} = \frac{6000}{a} = \frac{6000}{0.1} = 60{,}000 \frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}$$

Vérification de conformité

L'irradiance calculée pour 7 LEDs à une distance de 1 cm est d'environ 1,4 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2}$, soit environ 70 fois inférieure à la limite EN 62471 de 100 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2}$ pour une exposition prolongée. Les mesures des LEDs réelles ont confirmé des valeurs similairement basses.

La radiance a été calculée à environ 545 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}$, soit environ 110 fois inférieure à la limite EN 62471 de 60 000 $\frac{\text{W}}{\text{m}^2 \cdot \text{sr}}$ pour la sous-tendance angulaire donnée de 0,1 rad.

En conclusion, l'irradiance et la radiance sont toutes deux bien en dessous des limites de sécurité applicables de la norme EN 62471. Ces résultats ont été confirmés par des calculs, des mesures et des consultations avec des professeurs dans les domaines concernés.

Considérations de sécurité matérielle

Il y a deux considérations principales de sécurité dans l'implémentation.

Premièrement, l'appareil hôte (généralement le Valve Index) doit être protégé contre tout défaut potentiel provenant de ma carte électronique. Bien qu'il soit très probable que l'Index intègre des mécanismes de protection internes, la carte a été conçue avec des protections complètes pour garantir qu'elle ne puisse en aucun cas interférer avec ou endommager l'appareil hôte.

Deuxièmement, le rayonnement infrarouge doit être minimisé pour éviter tout risque de lésion oculaire. Comme le démontrent les calculs, le courant fourni aux LEDs, et donc leur rayonnement émis, doit être strictement contrôlé, garantissant que l'exposition reste bien dans les limites de sécurité.

Mesures de sécurité pour l'appareil hôte

Pour vendre du matériel au sein de l'UE, celui-ci doit réussir des tests dits EMC. En résumé, l'EMC (Compatibilité Électromagnétique) définit les limites acceptables d'interférence qu'un circuit électrique peut causer sur un autre ; moins il y a d'interférences, mieux c'est. La conformité est vérifiée par des mesures standardisées conformément à la norme EN 55022 AV/QP, entre autres critères. Mon matériel a passé les deux mesures avec succès.

Pour atteindre la conformité aux tests EMC, un filtre EMC à deux étages a été intégré. Ce filtre réduit efficacement le bruit haute fréquence en utilisant une combinaison d'inductances et de condensateurs pour bloquer ou atténuer les signaux indésirables tout en laissant passer les signaux souhaités, assurant des performances optimales et le respect des normes d'émission.

Le deuxième mécanisme de sécurité est l'intégration d'un polyfuse. En cas de court-circuit dans le matériel, ou si le courant consommé dépasse la limite de 1 A du port USB du Valve Index pour quelque raison que ce soit, le polyfuse s'active pour protéger l'appareil en limitant le courant à 1 A. Une fois le défaut résolu et le courant revenu à un niveau sûr, le fusible se réinitialise automatiquement.

Mesures de sécurité oculaire

Pour assurer un fonctionnement sûr et empêcher un rayonnement infrarouge excessif, le matériel intègre trois mécanismes de sécurité indépendants qui limitent le courant et donc la puissance de sortie des LEDs :

Limitation de courant logicielle
Le courant des LEDs est réglable par logiciel, permettant un contrôle précis de la luminosité. Une limite maximale est imposée dans le firmware, garantissant que les LEDs restent dans des plages de fonctionnement sûres en conditions normales.

Limitation matérielle via le driver LED AW9967DNR
Le driver LED (AW9967DNR) dispose d'un limiteur de courant intégré qui fixe un plafond strict par canal de sortie. Cette protection matérielle garantit que même si le logiciel échoue ou dysfonctionne, le courant ne peut pas dépasser des valeurs sûres prédéfinies.

Protection par polyfuse (10 mA par anneau IR)
Chaque anneau de LEDs IR est protégé par son propre polyfuse calibré pour se déclencher aux alentours de 10 mA. Si, pour une raison quelconque, la limite de courant matérielle échoue, le polyfuse limite le courant en augmentant significativement sa résistance. Une fois les conditions normales rétablies, le fusible se réinitialise automatiquement.

Ces protections superposées sont conçues pour fonctionner indépendamment les unes des autres, avec un accent particulier sur le fait que la limitation de courant ne repose pas uniquement sur le logiciel. C'est un point critique pour la sécurité, garanti par la limite matérielle de l'AW9967DNR.

Enfin, toute émission IR excessive serait immédiatement visible en pratique : une surexposition dans l'application d'eye tracking produirait une image délavée ou inutilisable, indiquant clairement qu'un problème existe et nécessitant une correction immédiate.