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Title:
OPTOELECTRONIC DEVICE AND METHOD FOR DETERMINING BIDIMENSIONAL POSITION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/089958
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an optical and electronic system for determining a position of an object (2) present on a predefined surface (S), the system comprising at least one emitter (E) emitting a beam (F) covering the predefined surface (S) and exhibiting specific spectral and/or modulation characteristics making it possible to detect it including in the presence of a natural light of high intensity, this system comprising two devices (D1, D2) for detecting an angular direction (α1,α2) in which the object (2) lies and a module (10) for determining the position of the object (2) so as, knowing the position of the two devices (D1, D2) with respect to the predefined surface (S) and the angular direction (α1,α2) in which the object (2) lies with respect to each of the devices (D1,D2) for detecting an angular direction (α1,α2), to deduce therefrom the position of the object (2) on the predefined surface (S) by intersection of the predefined surface (S) and of the two angular directions (α1,α2) determined with respect to the detection devices (D1,D2).

Inventors:
PLANTIER, Philippe (Les Hauts de Montaury, 41 rue Montaury, Nimes, F-30900, FR)
BUREAU, Claude, N. (Courbessas, Cendras, F-30480, FR)
Application Number:
FR2011/053073
Publication Date:
July 05, 2012
Filing Date:
December 20, 2011
Export Citation:
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Assignee:
H2I TECHNOLOGIES (78 rue John Mac Adam, Immeuble Nimaxis, Nimes, F-30900, FR)
PLANTIER, Philippe (Les Hauts de Montaury, 41 rue Montaury, Nimes, F-30900, FR)
BUREAU, Claude, N. (Courbessas, Cendras, F-30480, FR)
International Classes:
G06F3/042; G02B17/06
Domestic Patent References:
WO2009135320A1
WO2001040922A2
Foreign References:
EP2219103A1
US7777899B1
US20070222760A1
FR859048A
FR2899326A1
Attorney, Agent or Firm:
THOMAS, Christine et al. (Cabinet Beau de Lomenie, 232 avenue du Prado, Marseille Cedex 08, F-13295, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Système optique et électronique de détermination d'une position d'un objet (2) présent sur une surface (S) prédéfinie, le système comprenant au moins un émetteur (E) disposé sur un coté dit d'émission (CE) de la surface (S) prédéfinie émettant un faisceau (F) d'un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre 100 nm et 10 μιτι couvrant la surface (S) prédéfinie et présentant des caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques permettant de la détecter y compris en présence d'une lumière naturelle de haute intensité,

ce système comprenant deux dispositifs de détection (D1,D2) d'une direction angulaire (ocl,oc2) dans laquelle se trouve l'objet (2) présentant chacun une zone de couverture, ces deux dispositifs (D1,D2) étant positionnés de part et d'autre du coté d'émission (CE) de telle façon que les zones de couverture incluent chacune la surface (S) prédéfinie, ces deux dispositifs de détection (D1,D2) étant aptes à déterminer la direction angulaire (ocl,oc2) de l'objet (2) à réception de signaux présentant les caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques réfléchis par celui-ci, et comprenant un module (10) de détermination de la position de l'objet (2) pour, connaissant la position des deux dispositifs (D1,D2) par rapport à la surface (S) prédéfinie et la direction angulaire (ocl,oc2) dans laquelle se trouve l'objet (2) par rapport à chacun des dispositifs de détection (D1,D2) d'une direction angulaire (ocl,oc2), en déduire la position de l'objet (2) sur la surface (S) prédéfinie par intersection de la surface (S) prédéfinie et des deux directions angulaires (ocl,oc2) déterminées par rapport aux dispositifs de détection (D1,D2), le système étant en outre tels que les dispositifs de détection (D1,D2) d'une direction angulaire (ocl,oc2) dans laquelle se trouve un objet (2) comprennent chacun au moins deux récepteurs (R1,R2) sensibles à des rayonnements électromagnétiques de longueur d'onde comprise entre 100 nm et 10 μιτι, délivrant un photo-courant brut en sortie et présentant chacun une surface de réception (S1,S2) sur laquelle la puissance radiante reçue en provenance d'un objet (2), et donc le photo-courant brut délivré en sortie, est dépendante de l'angle (α,β) sous lequel est vu l'objet (2) selon une courbe de dépendance strictement monotone de la puissance radiante reçue en fonction de l'angle (α,β) sous lequel est vu l'objet (2), les deux surfaces de réception (S1,S2) étant placées côte à côte mais chacune dans un plan distinct, les deux plans faisant entre eux un angle compris entre 1° et 150° et formant ainsi une arête dite arête du dispositif (AD), chaque dispositif (D1,D2) étant destiné à être positionné de telle façon que la portion de l'espace définie entre ces deux plans inclut la surface (S) prédéfinie sur laquelle est susceptible de se trouver l'objet (2),

chaque dispositif (D1,D2) comprenant en outre un module électronique (M) comprenant des moyens pour, lors d'une illumination de la surface (S) prédéfinie avec un rayonnement présentant des caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques :

- recevoir les signaux reçus par chacun des récepteurs (R1,R2),

- extraire, de chaque signal reçu par un récepteur (R1,R2), la puissance radiante de la part du signal optique présentant des caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques reçue par ce récepteur (R1,R2),

- à partir de ces puissances radiantes, déterminer les angles (α,β) sous lesquels l'objet (2) est vu par chacun des récepteurs (RI ,R2) en considérant que les récepteurs (R1,R2) reçoivent la même intensité lumineuse mais sous des angles (α,β) différents,

- déterminer la direction angulaire (ocl,oc2) d'un plan (P1,P2) passant par l'arête du dispositif (AD1, AD2) et où se trouve l'objet (2).

2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité d'émetteurs (El à E7) disposés sur le côté d'émission (CE) pour illuminer la surface (S) prédéfinie, chacun de ces émetteurs (Ei) émettant un faisceau (Fi) collimaté le long d'une ligne, l'ensemble des faisceaux (Fi) couvrant l'intégralité de la surface (S) prédéfinie.

3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un module de commande de l'allumage des émetteurs (Ei) apte à commander des allumages successifs des émetteurs (Ei).

4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que le module de commande de l'allumage des émetteurs (Ei) est apte à élaborer, en temps réel, des séquences d'illumination des émetteurs (Ei) en fonction de la position déterminée de l'objet (2) sur la surface (S) prédéfinie.

5. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque récepteur (R1,R2) comprend un réflecteur (RF1,RF2) rapportant la lumière reçue sur la surface de réception (S1,S2) du récepteur (R1,R2) sur une surface de détection (SD1,SD2) lambertienne, les deux surfaces de détection (SD1,SD2) lambertiennes étant alors placées dans un même plan parallèle au plan d'émission de l'émetteur (E).

6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le réflecteur (RF1,RF2) présente une surface correspondant à une moitié du solide formé par la révolution de la base d'une parabole autour d'un axe perpendiculaire à l'axe focal de la parabole, les moitiés étant déterminées de part et d'autre d'un plan passant par l'axe focal de la parabole, le foyer (F) de la parabole situé dans le plan médian du réflecteur (RF1,RF2) étant situé sur la surface de détection (SD).

7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que la surface de détection (SD) est centrée sur le foyer (F) de la parabole.

8. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'axe de révolution du réflecteur (RF1,RF2) est tel que le foyer (F) de la parabole est à l'intérieur du réflecteur (RF1,RF2).

9. Procédé optique et électronique de détermination d'une position d'un objet (2) présent sur une surface (S) prédéfinie, le procédé comprenant les étapes de :

- disposer au moins un émetteur (E) sur un coté dit d'émission (CE) de la surface (S) prédéfinie émettant un faisceau (F) d'un rayonnement couvrant la surface (S) prédéfinie et présentant des caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques permettant de la détecter y compris en présence d'une lumière naturelle de haute intensité,

- disposer, de part et d'autre du coté d'émission (CE), deux dispositifs de détection (D1,D2) d'une direction angulaire (ocl,oc2) dans laquelle se trouve l'objet (2) présentant chacun une zone de couverture, de telle façon que les zones de couverture incluent chacune la surface (2) prédéfinie, les dispositifs de détection (D1,D2) d'une direction angulaire (ocl,oc2) dans laquelle se trouve un objet (2) comprenant chacun au moins deux récepteurs (R1,R2) sensibles à des rayonnements électromagnétiques de longueur d'onde comprise entre 100 nm et 10 μιτι, délivrant un photo-courant brut en sortie et présentant chacun une surface de réception (S1,S2) sur laquelle la puissance radiante reçue en provenance d'un objet (2), et donc le photo-courant brut délivré en sortie, est dépendante de l'angle (α,β) sous lequel est vu l'objet (2) selon une courbe de dépendance strictement monotone de la puissance radiante reçue en fonction de l'angle (α,β) sous lequel est vu l'objet (2), les deux surfaces de réception (S1,S2) étant placées côte à côte mais chacune dans un plan distinct, les deux plans faisant entre eux un angle compris entre 1° et 150° et formant ainsi une arête dite arête du dispositif (AD), chaque dispositif (D1,D2) étant destiné à être positionné de telle façon que la portion de l'espace définie entre ces deux plans inclut la surface (S) prédéfinie sur laquelle est susceptible de se trouver l'objet (2),

- illuminer la surface (S) prédéfinie avec un rayonnement présentant des caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques :

- recevoir les signaux reçus par chacun des récepteurs (R1,R2), - extraire, de chaque signal reçu par un récepteur (R1,R2), la puissance radiante de la part du signal optique présentant des caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques reçue par ce récepteur (R1,R2),

- à partir de ces puissances radiantes, déterminer les angles (α,β) sous lesquels l'objet (2) est vu par chacun des récepteurs (RI ,R2) en considérant que les récepteurs (R1,R2) reçoivent la même intensité lumineuse mais sous des angles (α,β) différents, - déterminer, pour chaque dispositif de détection, la direction angulaire (ocl,oc2) d'un plan (P1,P2) passant par l'arête du dispositif (ADl, AD2) et où se trouve l'objet (2),

- détecter ainsi deux directions angulaires (ocl,oc2) dans lesquelles se trouve l'objet (2) avec chacun des dispositifs de détection de direction angulaire

(D1,D2),

- déterminer la position de l'objet (2) sur la surface (S) prédéfinie, connaissant la position des deux dispositifs (D1,D2) par rapport à la surface (S) prédéfinie et les directions angulaires (ocl,oc2) dans lesquelles se trouve l'objet (2) par rapport à chacun des dispositifs de détection (D1,D2) d'une direction angulaire, par intersection de la surface (S) prédéfinie et des deux directions angulaires (ocl,oc2) déterminées par rapport aux dispositifs de détection (D1,D2).

Description:
Titre de l'invention

« Dispositif et procédé optoélectronique de détermination de position bidimensionnelle ». Arrière-plan de l'invention

La présente invention se rapporte au domaine général des systèmes optiques et électroniques de détermination d'une position d'un objet présent sur une surface prédéfinie.

De tels systèmes peuvent être utilisés comme périphérique de pointage pour le contrôle d'un équipement informatique ou électroménager, pour faire de la reconnaissance d'écriture ou de geste, etc..

La surface prédéfinie peut être réelle ou virtuelle. L'invention s'intéresse plus précisément aux systèmes comprenant au moins un émetteur disposé sur un côté dit côté d'émission de la surface prédéfinie afin d'émettre un faisceau d'un rayonnement présentant des caractéristiques spectrales ou de modulation spécifique permettant de détecter cette lumière y compris en présence d'une lumière naturelle de haute intensité. Ce type de dispositif de détection appartient aux dispositifs de détection sans contact.

Il existe actuellement de nombreux principes pour rendre un dispositif capable de détecter, à distance, sans détection avec contact, la position bidimensionnelle d'un doigt.

Certains dispositifs utilisent ainsi un plan de lumière et une caméra. C'est en particulier le cas dans le document US 2007/0222760 qui décrit un dispositif de saisie de données, utilisant un principe de détection par prise d'image d'une surface bidimensionnelle utilisant des éléments placés sur trois dimensions.

Selon cet art antérieur, un plan de lumière visible ou infrarouge est généré. Ce plan de lumière couvre la zone dans laquelle doit être détecté le doigt. Un système optique particulier permet de former une image de la zone éclairée par le plan de lumière sur un capteur d'image à deux dimensions. Il s'agit typiquement d'une caméra.

Si le doigt d'un utilisateur croise le plan de lumière généré, il réémet une partie de cette lumière vers ce capteur qui forme une image dont la position dépend la position du doigt. Une analyse de l'image obtenue permet d'accéder à l'angle sous lequel est vu le doigt et la distance à laquelle il est situé.

Comme le capteur est bidimensionnel, il est capable non seulement d'avoir accès à l'angle mais également à la position du doigt par rapport à la surface imagée.

De nombreux dispositifs connus utilisent ainsi des appareils d'imagerie à une ou deux dimensions pour localiser un objet. Ce principe permet d'obtenir une bonne précision mais ces dispositifs ont un coût de fabrication relativement élevé et une intégration mécanique complexe. Ces arts antérieurs présentent aussi l'inconvénient de devoir nécessiter la mise en œuvre de composants d'imagerie coûteux, en particulier un capteur de caméra et une optique de qualité suffisante pour permettre d'avoir une image sans déformation ni aberration. L'électronique de traitement de l'image est également coûteuse puisque le fonctionnement de ces dispositifs nécessite un processeur de signal numérique, du type DSP pour « Digital Signal Processor » en anglais, suffisamment puissant pour pouvoir traiter les images et en extraire la ou les positions du ou des doigts.

En outre, l'encombrement de ces dispositifs de l'art antérieur est assez important puisque le capteur d'image doit être situé en hauteur par rapport à la surface prédéfinie où est détectée la position de l'objet ou de manière décalée sur un côté d'une ligne où l'objet est susceptible de se trouver. Cela est nécessaire pour disposer d'un angle suffisant pour pouvoir voir toute la surface ou toute la ligne. L'usage de cette technologie est donc incompatible avec de nombreuses contraintes mécaniques rencontrées dans de nombreux domaines.

En outre, ces dispositifs ne sont pas compatibles avec les principes de compensation de lumière ambiante du type de celui décrit dans le document FR 08 59048, ces principes de compensation de lumière étant indispensables dès lors que le dispositif doit pouvoir être utilisé en extérieur et pour une détection sur une surface libre.

Les dispositifs connus utilisant des capteurs d'imagerie ont donc des applications limitées puisqu'ils ne peuvent pas fonctionner en extérieur ou imposent des conditions drastiques d'implémentation du type d'une intégration mécanique maintenant le capteur et l'objet à détecter à l'ombre. Il est par ailleurs connu des capteurs de position employant des composants discrets qui, a contrario, peuvent s'affranchir de telles limitations. Le document FR 2 899 326 décrit un tel dispositif de détection de position utilisant une matrice d'émetteurs et de récepteurs disposés en quinconce. Le dispositif décrit est conçu pour fonctionner sur un principe utilisant l'allumage d'un unique émetteur et une pluralité de récepteurs directionnels détectant la position de l'objet sur le faisceau émis par cet émetteur. Les émetteurs sont pour cela allumés séquentiellement.

Lorsque l'objet est proche de la matrice d'émetteurs et de récepteurs, le récepteur le plus proche de l'émetteur est celui qui recevra le plus de signal. Lorsque l'objet s'éloigne de la matrice d'émetteurs et de récepteurs, le signal sur les récepteurs les plus éloignés augmentera. En effet, l'objet se trouve dans ce cas dans l'axe de ces derniers. Dans le même temps, le signal sur les récepteurs les plus proches diminue. En effet, l'objet est de moins en moins dans l'axe de ces récepteurs.

En utilisant un procédé d'interpolation, par exemple la moyenne du signal sur les récepteurs pondérée par la position respective de chaque récepteur, une valeur proportionnelle à la distance de l'objet détecté est obtenue. Cela est vrai quelque soit la réflectivité ou la taille de l'objet.

En couplant ce dispositif à un dispositif d'amplification du signal et de compensation de la lumière ambiante telle que décrite dans le document FR 08 59048, il est possible de réaliser un détecteur pouvant fonctionner sous l'éclairage direct du soleil. Le dispositif de détermination de la position d'un objet présente cependant l'inconvénient de devoir mettre en œuvre un nombre de composants important. Pour augmenter la distance de détection, il est en effet nécessaire de multiplier les récepteurs. Cet inconvénient nuit au coût final du produit mais aussi à sa rapidité de réaction. En effet, l'utilisation de davantage de récepteurs implique de réaliser davantage d'acquisitions et le temps d'acquisition total s'en trouve d'autant allongé.

Par ailleurs, ce dispositif présente l'inconvénient de devoir trouver un compromis entre l'ouverture des récepteurs et la linéarité du signal de sortie. En effet, dès lors que les récepteurs ont un angle d'ouverture étroit, la courbe représentant la moyenne pondérée des signaux en fonction de la distance présente une pente importante mais sera très peu linéaire et en forme de marches d'escalier.

Au contraire, si des récepteurs avec un angle d'ouverture large sont utilisés, la courbe représentant la moyenne pondérée des signaux sera relativement linéaire mais le signal sera moins important et la pente sera faible. Cela augmente d'autant l'incertitude de positionnement.

Enfin, ces dispositifs montrent une sensibilité aux variations de caractéristiques angulaires des récepteurs. Cela est un inconvénient important car, pour de nombreux types de récepteurs, les procédés de fabrication sont tels que la sensibilité angulaire peut grandement varier d'un récepteur à l'autre. Cela cause des variations importantes de caractéristiques pour le dispositif de détection de position. Il faut d'ailleurs noter ici que les récepteurs utilisés dans les dispositifs du type de ceux décrits dans le document FR 2 899 326 n'ont pas la possibilité de déterminer une direction angulaire dans laquelle se trouve l'objet. Cela est dû à leurs caractéristiques de sensibilité angulaire qui n'est pas du tout constante et régulée par une loi générale de l'optique.

De manière plus générale, les dispositifs de détection de position du type du document FR 2 899 326 permettent de connaître seulement la distance à laquelle se trouve un objet en face d'un émetteur dans le faisceau d'émission de celui-ci. Il est ainsi nécessaire de connaître l'émetteur ayant illuminé l'objet pour déterminer totalement la position dans laquelle se trouve l'objet. Une illumination globale de la surface ne permet pas d'accéder à la détermination de position.

Les inconvénients exposés ci-dessus, et notamment la non-linéarité, sont les principaux facteurs limitant les performances de ce type de dispositif de détermination de position.

On sait enfin qu'il existe les systèmes de « Touch Pad Capacitive » et les « dalles d'écran tactile » pour déterminer la position d'un doigt sur une surface.

Il existe de nombreux documents décrivant ces systèmes qui mettent tous en œuvre des techniques de détection par contact très distinctes des technologies sans contact comme celles décrites auparavant et qui concernent le domaine de l'invention. Les technologies avec contact sont toutefois la référence pour ce qui concerne la détection de positions bidimensionnelles. Objet et résumé de l'invention

La présente invention a donc pour but principal de pallier les inconvénients des principes de fonctionnement des dispositifs de détection de position d'un objet sur une surface de l'art antérieur en proposant un système optique et électronique de détermination d'une position d'un objet présent sur une surface prédéfinie, le système comprenant au moins un émetteur disposé sur un côté dit d'émission de la surface prédéfinie émettant un faisceau d'un rayonnement électromagnétiques de longueur d'onde comprise entre 100 nm et 10 μιτι, couvrant la surface prédéfinie et présentant des caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques permettant de la détecter y compris en présence d'une lumière naturelle de haute intensité,

ce système comprenant deux dispositifs de détection d'une direction angulaire dans laquelle se trouve l'objet présentant chacun une zone de couverture, ces deux dispositifs étant positionnés de part et d'autre du côté d'émission de telle façon que les zones de couverture incluent chacune la surface prédéfinie, ces deux dispositifs de détection étant aptes à déterminer la direction angulaire de l'objet à réception de signaux présentant les caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques réfléchis par celui-ci, et comprenant un module de détermination de la position de l'objet pour, connaissant la position des deux dispositifs par rapport à la surface prédéfinie et la direction angulaire dans laquelle se trouve l'objet par rapport à chacun des dispositifs de détection d'une direction angulaire, en déduire la position de l'objet sur la surface prédéfinie par intersection de la surface prédéfinie et des deux directions angulaires déterminées par rapport aux dispositifs de détection.

L'invention permet de réaliser un pointage ou une écriture de manière comparable à ce qui est réalisé avec un pavé tactile capacitif ou résistif. Cela est réalisé selon l'invention avec un procédé optique et électronique très peu coûteux et présentant l'avantage d'être utilisable sous une lumière ambiante élevée, y compris sous l'éclairage direct du soleil grâce à un dispositif de compensation de lumière ambiante. La détection angulaire se faisant sur réception des signaux présentant des caractéristiques optiques particulières, l'invention assure que la détection de l'objet est effective même sous un éclairage intense. En outre, il faut remarquer que l'encombrement du système selon l'invention est faible puisque seulement un émetteur et deux dispositifs de détection d'une direction angulaire sont nécessaires. Le système selon l'invention met en œuvre deux dispositifs de détection d'une direction angulaire.

Des dispositifs de détection d'une direction angulaire divers peuvent être utilisés. En associant un second dispositif de détection d'une direction angulaire du même type, il est ainsi possible, en assurant que les zones de couverture de ces deux dispositifs de détection couvrent la surface prédéfinie dans laquelle peut se trouver l'objet, d'obtenir la position d'un objet se situant sur cette surface. L'invention est susceptible d'utiliser tout type de dispositif de détection d'une direction angulaire connue dès lors que deux de ces dispositifs sont placés de part et d'autre d'au moins un émetteur capable d'illuminer l'ensemble de la surface prédéfinie. Un tel unique émetteur doit être muni d'une lentille spécifique, lui permettant d'illuminer selon un angle d'illumination très large. Une telle lentille dégrade les performances de l'émetteur par diminution du signal et augmentation de la divergence.

Plus précisément, l'invention utilise des dispositifs de détection utilisant la lumière, ou tout autre rayonnement électromagnétique aux propriétés physiques proches, notamment les rayonnements infrarouges ou ultraviolets ; c'est-à-dire tout rayonnement électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre 10 pm et 100 nm.

Il est commun d'utiliser de tels rayonnements et d'exploiter la réflexion de celui-ci sur l'objet à détecter. Tout rayonnement électromagnétique visible est donc concerné par les termes « lumière » et « optique » utilisés dans la suite, mais également les rayonnements électromagnétiques invisibles aux longueurs d'onde et propriétés physiques proches, à savoir le rayonnement infrarouge et ultraviolet.

Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, le faisceau d'un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre 100 nm et 10 μιτι, couvrant la surface prédéfinie et présentant des caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques est un faisceau d'un rayonnement infrarouge.

En effet, il est parfois souhaitable d'utiliser, pour la détection, un rayonnement visible pour l'utilisateur, pour des raisons esthétiques ou pour fournir un retour visuel. Cependant, dans la plupart des cas, cependant, on souhaitera rendre le dispositif de détection invisible pour l'utilisateur. Dans ce but, l'utilisation d'un rayonnement invisible, infrarouge ou ultraviolet, sera privilégiée.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le système comprend une pluralité d'émetteurs disposés sur le côté d'émission pour illuminer la surface prédéfinie, chacun des émetteurs émettant un faisceau collimaté le long d'une ligne, l'ensemble des faisceaux couvrant l'intégralité de la surface prédéfinie.

Cette caractéristique permet d'utiliser des émetteurs simples, sans optique particulière que celle qui permet de collimater leurs faisceaux, ce qui est une caractéristique classique dans les émetteurs du commerce. En outre, l'utilisation de plusieurs émetteurs permet d'assurer une illumination plus uniforme de la totalité de la surface prédéfinie.

Selon une caractéristique avantageuse, permise par la caractéristique précédente, le système comprend un module de commande de l'allumage des émetteurs aptes à commander des allumages successifs des émetteurs.

Chaque éclairage d'émetteur définissant une ligne prédéfinie de la surface prédéfinie, cette caractéristique permet de coupler l'utilisation des dispositifs de détection d'une direction angulaire avec la connaissance de la séquence d'éclairage des émetteurs. Il devient alors possible de vérifier la cohérence des détections des directions angulaires effectuées par les dispositifs de détection à un instant donné puisque l'intersection déterminée doit alors se trouver sur la ligne définie par le faisceau lumineux de l'émetteur allumé à l'instant donné.

Selon une caractéristique préférentielle, le module de commande de l'allumage des émetteurs est apte à élaborer, en temps réel, des séquences d'illumination des émetteurs en fonction de la position déterminée de l'objet sur la surface prédéfinie.

En effet, il peut être avantageux, une fois la position de l'objet déterminée, de n'allumer que les émetteurs voisins de cette position afin de permettre un suivi très rapide de la position de l'objet sur la surface prédéfinie. Une telle gestion intelligente de l'allumage des émetteurs permet une très grande rapidité de réaction du système de détermination de la position d'un objet présent sur une surface prédéfinie selon l'invention.

Dans un mode de réalisation préférentiel, les dispositifs de détection d'une direction angulaire dans laquelle se trouve un objet comprennent chacun au moins deux récepteurs présentant chacun une surface de réception sur laquelle la puissance radiante reçue en provenance d'un objet est dépendant de l'angle sous lequel est vu l'objet selon une courbe de dépendance strictement monotone de la puissance radiante reçue en fonction de l'angle sous lequel est vu l'objet, les deux surfaces de réception étant placées côte à côte mais chacune dans un plan distinct, les deux plans faisant entre eux un angle compris entre 1° et 150° et formant ainsi une arête dite arête du dispositif, le dispositif étant destiné à être positionné de telle façon que la portion de l'espace définie entre ces deux plans inclut la surface prédéfinie sur laquelle est susceptible de se trouver l'objet,

chaque dispositif comprenant en outre un module électronique comprenant des moyens pour, lors d'une illumination de la surface prédéterminée avec un rayonnement présentant des caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques :

- recevoir les signaux optiques reçus par chacun des récepteurs, - extraire, de chaque signal reçu par un récepteur, la puissance radiante de la part du signal optique présentant des caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques reçue par ce récepteur,

- à partir de ces puissances radiantes, déterminer les angles sous lesquels l'objet est vu par chacun des récepteurs en considérant que les récepteurs reçoivent la même intensité lumineuse mais sous des angles différents,

- déterminer la direction angulaire d'un plan passant par l'arête du dispositif et où se trouve l'objet.

Avec cette caractéristique, chaque dispositif de détection d'une direction angulaire comprend deux récepteurs positionnés dans deux positions angulaires distinctes, ces deux récepteurs présentant une surface pour laquelle l'angle sous lequel est vu l'objet influence de manière monotone la puissance radiante reçue sur le récepteur. En considérant que l'intensité lumineuse reçue sur les deux récepteurs de chaque dispositif de détection d'une direction angulaire est identique, la seule différence entre les intensités reçues sur les deux récepteurs d'un même dispositif de détection est ainsi due à l'angle sous lequel est vu l'objet. Cela est vrai quand la distance entre les deux récepteurs est négligeable par rapport à la distance récepteur-doigt. C'est l'hypothèse sur laquelle l'invention se fonde.

Il est ainsi possible directement d'obtenir cet angle. Chacun des dispositifs de détection d'une direction angulaire est alors utilisé pour déterminer un angle de part et d'autre du côté d'émission. L'intersection des deux plans passant par les arêtes des dispositifs de détection et orientés dans les directions angulaires détectées définit une droite. L'intersection entre cette droite et la surface prédéfinie donnent la position de l'objet.

Selon une caractéristique avantageuse, chaque récepteur comprend un réflecteur apportant la lumière reçue sur la surface de réception du récepteur sur une surface de détection lambertienne, cette surface de détection lambertienne étant alors placée dans un même plan parallèle au plan d'émission de l'émetteur.

Avec cette caractéristique, on autorise que la seule entité faisant relief au- dessus de la surface prédéfinie soit le réflecteur. En effet, avec cette réalisation, les deux surfaces de détection lambertienne sont positionnées sur un même plan qui est avantageusement identique ou du moins parallèle à celui de la surface prédéfinie, ce qui est tout à fait intéressant du point de vue de l'intégration du système. Typiquement, une telle surface de détection lambertienne sera celle d'un composant du type photodiode ou phototransistor dépourvu de lentille, lequel est disponible dans le commerce. En effet, la sensibilité angulaire de ce genre de composant dépourvu de lentille est fixée par les lois de la physique et de l'optique. Elle est donc proportionnelle au cosinus de l'angle formé par la source lumineuse, ici, l'objet reflétant la lumière et la normale au capteur.

Dans une réalisation préférentielle, le réflecteur présente une surface correspondant à une moitié du solide formé par la révolution de la base d'une parabole autour d'un axe perpendiculaire à l'axe focal de la parabole, les moitiés étant déterminées de part et d'autre d'un plan passant par l'axe focal de la parabole, le foyer de la parabole situé dans le plan médian du réflecteur étant situé sur la surface de détection. Un tel réflecteur est particulièrement adapté pour conserver la propriété de dépendance de la puissance radiante reçue à l'angle sous lequel l'objet est vu. Un tel réflecteur permet ainsi de rapporter la sensibilité angulaire selon la loi de Lambert de la surface de détection sur la surface de réception qui est perpendiculaire à celle-ci et qui est la surface d'entrée du réflecteur.

Avantageusement, la surface de détection est centrée sur le foyer de la parabole.

Cette caractéristique permet de conserver une bonne compacité au récepteur et aussi d'assurer une dépendance de la puissance radiante à l'angle de réception.

Selon une caractéristique avantageuse, l'axe de révolution du réflecteur est tel que le foyer de la parabole est à l'intérieur du réflecteur.

Cette caractéristique permet de bien placer la surface de détection centrée ou légèrement décalée sur le foyer de la parabole.

Avantageusement, la distance focale de la parabole est comprise entre

0.5 et 1.2 fois la taille de la surface photosensible du détecteur.

Cette caractéristique permet d'optimiser le rapport entre énergie entrante et encombrement du dispositif.

L'invention concerne aussi un procédé optique et électronique de détermination d'une position d'un objet présent sur une surface prédéfinie, le procédé comprenant les étapes de :

- disposer au moins un émetteur sur un coté dit d'émission de la surface prédéfinie émettant un faisceau d'un rayonnement électromagnétique de longueur d'onde comprise entre 100 nm et 10 μιτι couvrant la surface prédéfinie et présentant des caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifiques permettant de la détecter y compris en présence d'une lumière naturelle de haute intensité,

- disposer, de part et d'autre du côté d'émission, deux dispositifs de détection d'une direction angulaire dans laquelle se trouve l'objet présentant chacun une zone de couverture, de telle façon que les zones de couverture incluent chacune la surface prédéfinie,

- détecter deux directions angulaires dans lesquelles se trouve l'objet avec chacun des dispositifs de direction angulaire, - déterminer la position de l'objet sur la surface prédéfinie, connaissant la position des deux dispositifs par rapport à la surface prédéfinie et les directions angulaires dans lesquelles se trouve l'objet par rapport à chacun des dispositifs de détection d'une direction angulaire, par intersection de la surface prédéfinie et des deux directions angulaires déterminées par rapport aux dispositifs de détection.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures :

- la figure 1 montre le principe de base de l'invention ;

- la figure 2 montre schématiquement un mode de réalisation selon l'invention ;

- la figure 3 montre schématiquement un dispositif de détection de la direction angulaire selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention ;

- la figure 4 montre un exemple préférentiel d'un dispositif de détection d'une direction angulaire selon l'invention ;

- la figure 5 illustre la loi de Lambert ;

- la figure 6 montre une section d'un réflecteur utilisé dans le dispositif de détection montré sur la figure 4.

Description détaillée d'un mode de réalisation

La figure 1 montre le principe de base de l'invention pour déterminer la position d'un objet 2 sur une surface S prédéfinie de largeur L et de profondeur P.

Selon l'invention, au moins un émetteur E est disposé sur un côté d'émission noté CE de la surface S. Cet émetteur E émet un faisceau de rayonnement couvrant la surface prédéfinie S et présente des caractéristiques spectrales et/ou de modulation spécifique permettant de la détecter, y compris en présence d'une lumière naturelle de haute intensité. Typiquement, un principe de compensation telle que décrit dans le document FR 08 59048 est utilisé. Le système selon l'invention comprend deux dispositifs de détection Dl et D2 d'une direction angulaire, chacun apte à déterminer une direction angulaire al, a2 dans laquelle se trouve l'objet 2 par rapport au dispositif concerné. Chacun des dispositifs de détection d'une direction angulaire présente une zone de couverture couvrant la totalité de la surface S.

Il est donc nécessaire que les deux dispositifs Dl et D2 couvrent chacun au moins chacun le quart d'espace dans lequel est vue la surface S à partir de chacun des dispositifs de détection.

Le doigt 2 réfléchit une partie de la lumière émise par l'émetteur E vers les dispositifs de détection d'une direction angulaire Dl et D2. Cette lumière réfléchie est traitée par chaque dispositif de détection et la direction angulaire est ainsi détectée. Les deux dispositifs Dl et D2 sont reliés à un module électronique 10 qui est apte à calculer la position XY de l'objet 2 sur la surface S, en fonction de la position des dispositifs de détection Dl et D2 par rapport à la surface S prédéfinie et en fonction des directions angulaires al, a2 dans lesquelles se trouve l'objet 2 définies par chacun des dispositifs de détection de la direction angulaire Dl et D2.

En effet, en fonction des deux angles déterminés par ces dispositifs, par triangulation, le module 10 détermine la position de l'objet en utilisant la formule : sin(£û2)cos(al)

A — L·

sin(orl) cos(or2) + cos(orl) sin(or2)

sin(orl) sin(or2)

sin(orl) cos(or2) + cos(orl) sin(or2)

La figure 2 montre schématiquement un mode de réalisation avantageux de l'invention.

Dans ce mode de réalisation, une pluralité d'émetteurs El à E7 sont disposés sur le côté d'émission CE d'une surface S. Les émetteurs El à E7 sont alignés les uns à côté des autres et disposent éventuellement chacun d'une lentille Ll à L7 permettant de collimater la lumière émise en un faisceau sensiblement parallèle. Sur la figure 2, sont représentés deux faisceaux F2, F3 émis par les émetteurs E2 et E3. On voit que ces faisceaux sont légèrement divergents et éclairent l'intégralité de la surface prédéfinie sans trou ni zone morte entre eux sur la surface S. Le fait de collimater les faisceaux permet par ailleurs d'augmenter la portée de détection et de permettre que la détection reste dans la surface prédéfinie. On remarque ici que, avantageusement, la lumière sera collimatée sur la surface prédéfinie afin d'éviter des détections tridimensionnelles parasites.

Ils émettent avantageusement une lumière infrarouge comportant des caractéristiques spectrales et de modulation particulières permettant de détecter le rayonnement infrarouge émis par les émetteurs, y compris en présence d'une lumière naturelle envahissante. Typiquement la lumière est alors modulée avec une fréquence de modulation située entre 30 et 100 kHz. En dessous de 30 kHz, le dispositif sera davantage perturbé par les éclairages alimentés par un système électronique à découpage, à plus de 100 kHz, la sensibilité aux signaux radiofréquence devient gênante. La sensibilité spectrale du récepteur est par ailleurs choisie la plus fine possible, centrée sur le pic d'émissivité spectrale de l'émetteur.

La pluralité d'émetteurs peut être remplacée par un émetteur unique, muni d'une lentille transformant son faisceau de sortie en un faisceau plan couvrant l'intégralité de la surface prédéfinie S. Il est aussi possible d'utiliser un générateur de plan lumineux basé sur une technologie laser.

De chaque côté de la rangée d'émetteurs El à E7, sont placés deux dispositifs de détection d'une direction angulaire Dl et D2. Ces dispositifs de détection d'une direction angulaire Dl et D2 sont aptes à recevoir et traiter un rayonnement, préférentiellement infrarouge, présentant des caractéristiques de modulation particulières pour déterminer la direction angulaire de l'objet 2, sous laquelle est vu cet objet 2 du dispositif de détection d'une direction angulaire Dl et D2.

Ainsi, à réception d'une lumière présentant les caractéristiques de modulation spécifiques attendues pour un éclairage par un des émetteurs et réflexion sur un objet 2 présent sur la surface S, les détecteurs Dl et D2 déterminent chacun une direction angulaire al et a2 dans laquelle se trouve l'objet 2. Ici, les directions angulaires sont des valeurs d'angle al, a2 entre le coté d'émission CE et le plan PI ou P2 passant par l'objet 2 et le dispositif Dl ou D2.

Une fois que chacun des deux dispositifs a déterminé cette direction angulaire, celle-ci est envoyée vers un module qui détermine la position de l'objet 2 sur la surface S selon le principe décrit sur la figure 1.

La figure 3 montre une réalisation particulière du dispositif de détection de direction angulaire D2 utilisé sur la figure 2. Dans ce mode de réalisation préférentiel, le détecteur D2 comprend deux récepteurs RI et R2 comprenant chacun une surface de réception SI et S2. Sur ces surfaces SI et S2, la puissance radiante reçue en provenance de l'objet 2 est dépendante des angles a et β sous lesquels est vu l'objet 2 par rapport à la normale à ces surfaces SI et S2. Cette dépendance de la puissance radiante reçue en fonction de l'angle sous lequel est vu l'objet 2 suit une courbe de dépendance strictement monotone.

Selon ce mode de réalisation, les deux surfaces de réception SI et S2 sont placées côte à côte mais chacune dans un plan distinct. Les deux plans font, entre eux, un angle égal à 90° dans l'exemple présenté sur la figure 3. L'intersection entre les deux plans forme une arête dite « arête du dispositif » notée AD2. On voit ici que la portion de l'espace défini entre les deux plans inclut la surface prédéfinie S sur laquelle est susceptible de se trouver l'objet 2.

Le dispositif D2 inclut ou est relié à un module électronique M2 qui reçoit les signaux reçus par chacun des deux récepteurs RI et R2. Ce module M2 est apte à extraire, de chaque signal reçu par un récepteur RI ou R2, une puissance radiante présentant des caractéristiques spectrales et/ou de modulations spécifiques reçues par ce récepteur.

En faisant l'hypothèse que les surfaces de réception ont des comportements lambertiens (loi de Lambert) c'est-à-dire que la puissance radiante reçue sur une surface est proportionnelle au cosinus de l'angle sous lequel l'objet réfléchissant est vu par rapport à la normale à cette surface, les puissances radiantes reçues s'expriment alors sous la forme :

5 2 =S 2/0 .cos( ) A partir de ces puissances radiantes, le module électronique M2 considère que la distance entre les deux récepteurs est négligeable par rapport aux distances entre l'émetteur et l'objet et entre le détecteur et l'objet.

Il considère que les deux récepteurs RI et R2 sont confondus. Ainsi les deux récepteurs RI et R2 reçoivent la même intensité lumineuse mais sous des angles différents et donc que Si, 0 = S 2 ,o = S 0 . Comme les deux récepteurs sont en outre placés à 90° l'un de l'autre, β = π/2 - α.

Ainsi :

5 2 = S 0 .cos(7t/2 - a) = So.sin(a)

Ainsi = a

La valeur du signal réfléchi est alors éliminée et l'angle a est ainsi obtenu en fonction des deux signaux reçus. Le module M2 détermine donc ensuite la direction angulaire β sous laquelle l'objet 2 est vu par le récepteur RI, puis directement la direction angulaire oc2 d'un plan P2 passant par l'arête AD2 du dispositif.

Cependant, on voit bien sur la figure 3 qu'il n'est pas possible de distinguer la différence de position entre les deux objets 2 X et 2 2 qui se situent dans la même direction angulaire par rapport au dispositif de détection d'une direction angulaire D2. La mesure effectuée de l'autre coté du coté d'émission CE par le détecteur Dl permet de déterminer complètement la position de l'objet 2 en déterminant la direction angulaire al du plan Pl.

On voit ici que l'objet peut présenter n'importe quelle caractéristique de réflexion de la lumière émise sauf cas extrêmes pour lesquels les approximations réalisées ci-dessus ne sont plus valables, notamment lorsque la composante spéculaire de l'objet réfléchissant est prépondérante. C'est le cas pour les miroirs, les objets en métal poli. Cela n'est pas préjudiciable à la détermination de la position bidimensionnelle de l'objet dès lors que deux prises de mesure angulaire sont effectuées de chaque coté du coté d'émission CE.

On note ici que les récepteurs lambertiens sont sensibles dans l'espace. Il peut donc se produire des détections parasites tridimensionnelles. Dans ce cas, une optique est ajoutée pour restreindre la sensibilité des récepteurs au plan. Cela augmente en outre leur sensibilité dans ce plan. Une telle optique agit seulement sur la sensibilité dans la direction perpendiculaire à la surface S prédéfinie.

Il est possible de disposer des composants photosensibles dépourvus d'optique dans le commerce en coin comme cela est montré sur la figure 3. Néanmoins, ceux-ci, que l'on trouve en général dans un package dépourvu d'optique, se soudent en général parallèlement au circuit imprimé. La réalisation à faible cout du dispositif de détection d'une direction angulaire ainsi que montré sur la figure 3 avec des composants discrets est donc difficile.

La figure 4 montre un mode de réalisation préférentiel des récepteurs RI et R2. Dans ce mode de réalisation préférentiel, les surfaces de réception SI et S2 sont des surfaces d'entrée dans un réflecteur RF1, RF2. Chacune de ces surfaces d'entrée SI et S2 appartient à un plan. L'intersection des deux plans portant les deux surfaces de réception SI et S2 définit l'arête AD2 du dispositif D2.

Les réflecteurs RF1 et RF2 réfléchissent les rayonnements traversant les surfaces de réception SI et S2, respectivement vers une surface de détection SD1 et SD2. Ces surfaces de détection SD1 et SD2 sont coplanaires.

Pour la mise en œuvre de l'invention, il est indispensable que la puissance radiante qui vient frapper la surface de détection SD1 ou SD2 soit en dépendance strictement monotone avec l'angle sous lequel l'objet est vu par rapport à l'arête AD1 ou AD2.

Dans la réalisation préférentielle présentée sur la figure 4, le réflecteur RF1 possède des propriétés particulières permettant de réfléchir tous les rayons venant frapper la surface de réception SI de manière à les ramener vers une surface de détection SD1 lambertienne en maintenant la variation strictement monotone de cette dernière entre puissance reçue et angle de vision.

Cette caractéristique permet, en supposant que les deux récepteurs RI et R2 reçoivent la même intensité lumineuse, de déterminer la direction angulaire du plan passant par l'arête AD2 dans laquelle se trouve l'objet ainsi que décrit auparavant.

Le réflecteur RF1 joue en outre le rôle d'optique de sélection dans l'espace. En effet, les propriétés du réflecteur RF1 permettent de ne réceptionner que les rayonnements provenant de la proximité de la surface prédéfinie. On évite ainsi des détections parasites en trois dimensions.

Les surfaces lambertiennes sont typiquement des composants du commerce dépourvus de lentille. La figure 5 illustre la propriété lambertienne d'un composant. Lorsque l'objet 2 est vu par rapport à la normale à la surface de détection SD avec un angle a, la surface SD émet un signal électrique proportionnel à la puissance radiante qu'elle reçoit qui, à intensité lumineuse fixe, est proportionnel au cosinus de l'angle a.

La figure 6 montre une section médiane d'un réflecteur tel qu'utilisé sur la figure 4. Cette section forme un arc de parabole de foyer F et d'axe focal OX. Le réflecteur est donc le solide obtenu par révolution de cet arc sur un demi-espace autour de l'axe OZ perpendiculaire à l'axe focal OX. Ce réflecteur permet de conserver la dépendance à l'angle sous lequel est vu l'objet et permet d'assurer une bonne sensibilité plane aux dispositifs de détection d'une position angulaire. Un tel réflecteur permet en outre d'obtenir une zone de couverture d'un quart d'espace utile pour la réalisation d'un système selon l'invention.

On remarque enfin que diverses mises en œuvre peuvent être réalisées selon les principes de l'invention.