WO2007113446A1 - Procede et dispositif de determination optique de la position d'un objet - Google Patents

Procede et dispositif de determination optique de la position d'un objet Download PDF

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WO2007113446A1
WO2007113446A1 PCT/FR2007/051048 FR2007051048W WO2007113446A1 WO 2007113446 A1 WO2007113446 A1 WO 2007113446A1 FR 2007051048 W FR2007051048 W FR 2007051048W WO 2007113446 A1 WO2007113446 A1 WO 2007113446A1
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light
receiver
receivers
transmitter
axis
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PCT/FR2007/051048
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Gilles Cavallucci
Philippe Plantier
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H2I Technologies
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    • H03K2217/94102—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated using an optical detector characterised by the type of activation
    • H03K2217/94108—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated using an optical detector characterised by the type of activation making use of reflection

Definitions

  • the present invention relates to the general field of optical detectors for determining the position of any object on a substantially planar surface.
  • the object may in particular have various geometric and / or optical characteristics, in particular shapes and / or various colors.
  • the invention can be applied in the field of data entry, for example alphanumeric.
  • the invention finds an application in the manufacture of keyboards or similar devices for manual entry of data such as computers, telephones, PDAs etc. Many optical devices are known to thereby detect the position of an object for data entry.
  • a conventional two-dimensional position determination technique consists of producing a transmitter / receiver torque grid and determining the position of the object taking into account the cut beams. Such a technique operating in transmission has little flexibility and requires the implementation of many components.
  • Another solution described in document FR 2 826 443, consists in placing emitters and receivers on two sides facing each other on either side of a surface. The number of components is decreased but it remains necessary to provide connecting elements between the two opposite sides of the active surface. This active surface is then limited by the geometry of the device.
  • the document FR 2 859 277 describes a method for determining the position of an object based on the reflection by the object of the light emitted by at least one emitter, the reflected light being then detected by at least one receiver then analyzed to determine the position of the object.
  • Transmitters and receivers are placed alternately on the same line and the active surface is then made less dependent on the geometry of the device. This allows, among other things, great flexibility of integration. Indeed, the position of an object on any substantially planar surface can then be determined to allow an operator to enter data in a manner comparable to the input on a keyboard. Devices implementing this method allow data entry but often lack reliability and accuracy.
  • the main purpose of the present invention is thus to overcome such drawbacks by proposing to dispose, in the vicinity of said determined zone, at least one directional point transmitter associated with at least two directional point light receivers covering the defined area, each light emitter and receiver having an axis substantially parallel to the determined area along which a maximum emission, respectively a maximum angular sensitivity, are observed, so that the axes of the receivers intersect the axis of the transmitter at different points, then turn on the light emitter, and finally determine the position of the object on the axis of the transmitter according to a comparison of the light signals reflected and scattered by the object to each of the two light receivers.
  • the positioning of the receivers and emitters in such a way that their axes make a non-zero angle makes it possible to obtain a better accuracy than when the receiver and emitter have parallel axes.
  • two signal measurements are obtained which are distinct whereas, in the case where the axes of the receivers and transmitters are parallel, there is a measurement or at best two similar measurements made by receivers arranged symmetrically with respect to the axis of the transmitter.
  • the invention mainly uses the properties of light scattering by any object, the scattered light being received by the eccentric receivers relative to the axis of the transmitter.
  • the invention also has the advantage of being able to be implemented with non-coherent and therefore inexpensive light emitters.
  • the invention based on the use of directional receivers and point transmitters, for example using a directional diode, does not use expensive and potentially fragile optical device such as lenses or mirrors.
  • the optical components implemented are indeed simple and easy to integrate on a printed circuit, such as photodiodes or phototransistors.
  • the reliability obtained makes it possible to detect the object even if its shape and / or its color are very different from those provided.
  • the invention exploits the directionality of the transmitter and the receivers. In the case where non-directional receivers are used, the signals received by the two receivers would depend simultaneously on the shape, the optical characteristics and the distance of the object, so that it would be impossible to extract information from them. reliable on the distance.
  • the transmitters and receivers are arranged on the same side of the determined zone.
  • the comparison consists in calculating a ratio between the light signals received by each of the receivers during the ignition of the associated transmitter.
  • the method comprises the steps of arranging, in the vicinity of said determined zone, a set of directional point transmitters and a set of directional point receivers such that each transmitter is associated with at least two receivers.
  • the axes of these receivers intersect the axis of the transmitter at different points, turn on all the light emitters successively, identify the so-called privileged transmitter, for which a maximum of the reflected light signals and diffused by the object is received by at least one receiver, determining the position of the object on the axis of the preferred transmitter according to a comparison of the light signals reflected and diffused by the object to the two receivers of light associated with the preferred transmitter.
  • the receiver used to identify the preferred transmitter is chosen according to the transmitter concerned.
  • the receiver used to identify the preferred transmitter is a receiver associated with the transmitter concerned.
  • the method comprises the step of doubling the number of receivers by arranging them symmetrically with respect to the axes of the transmitters.
  • the method comprises the following steps of arranging, in the vicinity of said determined zone, at least two directional point transmitters associated with at least one directional point light receiver covering the determined zone, each transmitter and receiver light having an axis substantially parallel to the determined area along which a maximum emission, respectively a maximum angular sensitivity, are observed, so that the axes of the transmitters intersect the axis of the receiver at different points, turn on the transmitters of light sequentially, determine the position of the object on the axis of the receiver according to a comparison of the light signals reflected and diffused by the object to the light receiver during successive ignitions.
  • the method comprises the steps of arranging, in the vicinity of said determined zone, a set of directional point transmitters and a set of directional point receivers such that each receiver is associated with at least two transmitters of in such a way that the axes of these emitters intersect the axis of the receiver at different points, light all the light emitters successively, identify the so-called privileged receiver, for which a maximum of the light signals reflected and diffused by the object is received by this receiver during the ignition of at least one of the emitters, determine the position of the object on the axis of the preferred receiver, according to a comparison of the light signals reflected and diffused by the object to the privileged receiver during successive ignitions of the associated transmitters.
  • the particular characteristics mentioned above are also applicable to this variant by substituting the term receiver for the term issuer and vice versa.
  • the emitters and the receivers are arranged on a single line.
  • the light emitted by the transmitter is non-coherent light.
  • the wavelength of the emitted light is chosen in a range of wavelengths among the following ranges: UV, visible and infrared.
  • the determined area is defined by a set of neighborhoods of the intersection points of the axes.
  • the determined zone comprises a set of elementary zones, each being associated with a given function, so that any position of the object in an elementary zone activates the function associated with this elementary zone.
  • the invention also relates to an optical determination device for determining the position of an object on a given zone of a substantially flat surface, characterized in that it comprises, close to said zone determined, at least one directional point transmitter associated with at least two directional point light receivers covering the determined area, each light emitter and receiver having an axis substantially parallel to the determined area along which a maximum emission, respectively a maximum angular sensitivity , are observed, such that the axes of the receivers intersect the axis of the transmitter at different points, a control means for turning on the light emitter, a processing means for determining the position of the object on the axis of the transmitter according to a comparison of the light signals reflected and diffused by the object towards each of the two light receivers.
  • the device comprises, in the vicinity of said determined zone, a set of directional point transmitters and a set of directional point receivers arranged in such a way that each transmitter is associated with at least two receivers in such a way that the axes of these two receivers intersect the axis of the transmitter at two different points, a control means for switching on all the light emitters successively, an identification means for identifying the so-called privileged transmitter, for which a maximum of the light signals reflected and scattered by the object is received by at least one receiver, a processing means for determining the position of the object on the axis of the preferred transmitter, according to a comparison light signals reflected and scattered by the object to the two light receivers associated with the preferred transmitter.
  • the device comprises, in the vicinity of said determined zone, at least two directional point transmitters associated with at least one directional point light receiver covering the determined area, each light emitter and receiver having a substantially axis. parallel to the determined area along which a maximum emission, respectively a maximum angular sensitivity, are observed, so that the axes of the transmitters intersect the axis of the receiver at different points, a control means for igniting the light emitters successively, a processing means for determining the position of the object on the axis of the receiver according to a comparison of the light signals reflected and diffused by the object to the light receiver during successive ignitions.
  • the device comprises, close to said determined zone, a set of directional point transmitters and a set of directional point receivers such that each receiver is associated with at least two transmitters of such in such a way that the axes of these emitters cut the axis of the receiver at different points, a control means for switching on all the light emitters successively, an identification means for identifying the so-called privileged receiver, for which a maximum of the light signals reflected and diffused by the object is received by this receiver during the ignition of at least one of the emitters, a processing means for determining the position of the object on the axis of the preferred receiver, according to a comparison of the light signals reflected and diffused by the object to the preferred receiver during successive ignitions of the associated transmitters.
  • Such devices according to the invention can implement the particular characteristics of the previously described methods.
  • said determined zone corresponds to an input zone and each of the elementary zones corresponds to a key.
  • the invention finally relates to a data entry terminal comprising a device according to the invention.
  • FIG. 1 schematically illustrates the operating principle of a device for optical determination of the position of an object on a given area of a surface according to the invention
  • FIG. 2 schematically represents the angular sensitivity of receivers used in a method according to the invention
  • FIG. 3 represents signal curves obtained on two receivers of an optical determination device according to FIG. 1 as well as a comparison of these signals as a function of the distance to the transmitter;
  • FIG. 4 schematically illustrates a variant of the operating principle of a device according to the invention
  • FIG. 5 represents an embodiment of the invention
  • FIG. 6 is a flowchart showing the principle of determining the position of an object with a device, according to FIG. 5;
  • FIG. 7 represents an advantageous embodiment of the invention
  • FIG. 8 shows the variations, as a function of the distance to an emitter on the axis of this emitter, of signals reflected and diffused by the object and received by each of the two receivers associated with this emitter and a calculated ratio. between the signals reflected and diffused towards the two associated receivers;
  • Figure 9 is an illustration of a keyboard made on any surface thanks to the invention;
  • FIG. 10 illustrates the principle of a particular embodiment of the invention
  • FIG. 11 is a schematic representation of an application of the invention in the case of a particular surface.
  • Figure 1 illustrates the principle according to the invention.
  • the object of the invention is to determine the position of an object 1 on a given area 2 of a surface.
  • two directional point receivers, R1 and R2, and a directional point transmitter, E1 each having an axis AR1, AR2 and AE1 along which a maximum emission, respectively a maximum angular sensitivity, are observed, are placed close to the determined area 2.
  • the three elements, transmitter and receivers are placed substantially all three in a plane parallel to the determined surface and therefore substantially all at the same level with respect to this zone 2.
  • Their transmission axes AE1 or maximum reception sensitivity AR1 and AR2 are therefore grazing relative to the determined zone 2.
  • each receiver or transmitter comprises a single element or a plurality of elements giving on its output (signal received for the receiver or light emitted for the transmitter) global information for the plurality of elements.
  • the output information is not differentiated according to each element of the plurality of elements as it is however the case with the position detectors comprising receivers disposed in dials, bars etc.
  • Figure 2 schematically illustrates the angular sensitivity of the receivers.
  • the aperture angle i.e., the angle at which the sensitivity is divided by 2
  • ⁇ 0 37 °.
  • the maximum angle of incidence of the rays captured is about 30 °.
  • the choice of the opening angle is important for the implementation of the invention. Depending on the application, it can be modified. However, when the angular sensitivity is wide, the differentiation of the different positions of the object 1 will be difficult and when the angular sensitivity is too narrow, the object 1 can leave the fields of the receivers.
  • the influence of the angular sensitivity will be specified in the following.
  • the proposed curve can also illustrate the emission profile. It is interesting to collimate the power of the emission along the axis of the emitter AE1 to maximize the amount of light sent to the object 1 and thus increase the phenomenon of reflection on this object 1.
  • the emission characteristics are here less critical than the characteristics of the receivers, the essential point being that the object 1 receives a quantity of light sufficient to reflect a sufficient light intensity to the receivers R1 and R2.
  • Such transmitters and receivers having a transmission axis or sensitivity to maximum reception are conventionally called directional transmitters or receivers.
  • the receivers, R1 and R2, and the emitter E1 are arranged in such a way that their axes are substantially parallel to the surface 2 and that the axes of the receivers, R1 and R2, intersect the axis of the emitter E1. at different points
  • the axes of the receivers AR1 and AR2 make an angle ⁇ with the axis of the emitter AE1.
  • the emitter E1 When the emitter E1 is turned on, the light it sends takes the form of a beam of a certain opening angle around its emission axis AE1. Part of this light is reflected and scattered by object 1.
  • the direct reflection of a part of the light emitted by the object 1, which is for example a finger, allows light to be collected by quite a large amount at the receiver R1.
  • the invention uses a comparison of the signals S1 and S2 to determine the position of the object 1.
  • such a comparison uses the calculation of a ratio between Sl and S2.
  • angle ⁇ is equal to 45 °
  • X (R1) is equal to 2
  • X (R2) is equal to 1.
  • Y (Pl) equals 2
  • Y (P2) equals 1.
  • X is taken equal to zero. It can be seen that the ratio Fl varies significantly as a function of the distance Y. It is the presence of such a variation which is then used to determine, in return, the distance Y at which the object 1 is placed.
  • the angular sensitivity of the receivers is an important parameter for obtaining a suitable variation in distance discrimination. Indeed, when the opening of the angular sensitivity of the receivers is increased, the curve obtained for the ratio Fl flattens making the bijection with the distance Y to the transmitter difficult. On the other hand, a too narrow sensitivity will generate "holes" in the bijection for which it will not be possible to associate a value with a distance Y. In this case, a simple solution is to add receivers by associating, to each transmitter, N (N> 2) receivers close and of narrow angular sensitivity.
  • the angular sensitivity and the number of receivers used makes it possible to determine a smaller unit of differentiable distance. This will determine the fineness of the position determination.
  • a calibrated inverse function of the ratio F1 vis-à-vis the distance Y The position can then be determined to within a few millimeters.
  • the determined zone 2 can be, as represented in FIG. , a zone quite broadly surrounding these circles Zl and Z2 but also to be chosen as the meeting of these circles which are neighborhoods close to the points of intersection of the axes of the receivers and transmitters.
  • the determination of the position is then discrete and is based on the use of a table including minimum and maximum calibrated threshold intervals ⁇ Z1 and ⁇ Z2 for the value of the ratio F1, these threshold intervals being associated with each elementary zone, here Z1 and Z2 is then advantageous.
  • FIG. 4 illustrates a variant of the invention according to which two emitters E1 and E2 are used in association with the same receiver R1.
  • the axes AE1 and AE2 of the emitters E1 and E2 cut the axis of the receiver R1 at two distinct points.
  • the emitters E1 and E2 are lit successively and the reflection generated by an object 1 placed in a surface
  • the ignition frequency is conventionally chosen between 20 and 200 ignitions per second.
  • the principle according to the invention returns, in the context of this variant, to make a comparison of these signals Sl and S2, advantageously the calculation of a ratio between these two signals, to determine the distance Y which is located l object 1 along the axis AR1 of the receiver R1.
  • the determined zone 2 is discretized into 4 elementary zones represented by dashed squares Z1, Z2, Z3 and Z4.
  • the determined zone is chosen as the neighborhood of a segment connecting the points of intersection of the axes of the receivers with that of the transmitter.
  • a table of four threshold intervals corresponding to each of these elementary zones will here be used to locate the object 1 on one of the elementary zones Z1 to Z4.
  • FIG. 5 represents an embodiment of a device according to the invention in which, using the same principle as in FIG. transmitters and receivers have been multiplied but still so as to keep two receivers for one transmitter.
  • a determined area 2 on which the position of an object can be determined is then accessible. This zone 2 is considerably wider than that obtained with only one transmitter and two receivers. In addition, we will see that the two-dimensional position of an object can then be determined.
  • N N light emitters denoted El to EN.
  • N is equal to 6. It also implements N + 1 receptors, denoted RgI at RgN + 1.
  • the receivers RgI to RgN + 1 and the emitters El to EN are disposed on the same side of the determined zone 2 on two substantially parallel lines, here distinct, and are advantageously carried by the same material structure.
  • the two lines respectively carrying the receivers and transmitters can also be confused.
  • the two lines are always substantially parallel but may be straight or slightly curved defining what is designated by one side of the determined surface 2.
  • the detection of the object 1 being carried out thanks mainly to the light scattered by the object 1, the two receivers associated with a transmitter, and more generally the transmitters and receivers are advantageously located on the same "side" in relation to the object 1. It generally diffuses the light in a half-space delimited by a half-plane perpendicular to the axis of the transmitter and passing through the object. The best way to do this is to place transmitters and receivers on the same side of the determined area on which the position of the object can be determined.
  • the axes of the receivers are such that they make an angle ⁇ with the axes of the emitters.
  • the bar is provided with an interface so that receivers and transmitters it supports are connected to a control module 11, comprising in particular a microprocessor control unit 13 and at least one analog / digital converter 12.
  • this embodiment is less expensive and reduces the connection elements.
  • the transmitters Ei and receivers Rgi are alternated to allow the association of a transmitter with two receivers and to use the same receiver in association with one or more transmitters.
  • the emitters Ei and the receivers Rgi are alternated to make a grid of the positions of the object having generally the same defining characteristics in the two directions X and Y.
  • the microprocessor of the control unit 13 includes a program for controlling the operation of the receivers and the transmitters of the strip 10 via the converter 12.
  • this program controls the switching on and off of the transmitters Ei at times T (Ei) determined and at least the measurement of the signals Si [T (Ei)] and Si + 1 [T (Ei)] received on each of the receivers Rgi and Rgi + 1, associated with the transmitter Ei.
  • control module 11 In order to be able to measure the signals on the receivers in any order, it may be useful to provide the control module 11 with a multiplexer between the converter (s) 12 and the interface with the strip 10.
  • the data resulting from the conversion of the signals received by the receivers are advantageously recorded in a storage unit 14, for example of the EEPROM type, under the control of the control unit 13.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating the sequence of instructions programmed in the control unit 13 for turning on and off the emitters Ei and controlling the measurements on the associated receivers Ri, Ri + 1.
  • a device according to the invention Prior to any measurement, a device according to the invention must be calibrated. For example, it is to establish a table of threshold intervals for each transmitter and each matched with an elementary area facing this transmitter on the determined area.
  • an ETO initialization step takes place. This includes setting an initial value, for example zero, the value of i.
  • step ET1 a transmitter is turned on.
  • the signals Si and Si + 1 are measured on at least the associated receivers Ri and Ri + 1 in step ET2.
  • the transmitter Ei is off in step ET3.
  • step E4 the sum of the two signals Si and Si + 1 is calculated.
  • step ET5 a test is performed to find out if i is equal to N. If no, i is incremented in a step ET6 so that the steps ET1 to ET4 are repeated for each transmitter Ei.
  • step ET7 during which we determine which issuer Ei for which we obtain a maximum of the sum of the signals Si and Si + 1. This issuer is called EiM Preferred Issuer.
  • the ratio of the RM SiM / SiM + 1 signals for this preferred emitter is then calculated in an ET8 step.
  • step ET9 the position X, Y of the object 1 is then determined.
  • the X coordinate of the object is directly considered to be equal to the coordinate of the emitter EiM.
  • This average gives a more refined value for the X coordinate and can in particular make it possible to decide when we obtain sums of signals close to a maximum for two adjacent transmitters.
  • the value of the ratio FiM gives the value of Y according to the invention by giving the distance Y of the object 1 to the line of the emitters Ei, this distance Y being calculated by approximating that the object is in front of the transmitter Ei.
  • an elementary zone for example a key
  • a transmission for example, of a command is performed in a step ETIl. All steps are completed on the ETO step.
  • the privileged receiver is advantageously determined as being that for which the sum of the signals received successively at successive ignitions of the two emitters associated with it is maximum.
  • a flow chart of the type of that of Figure 6 but illustrating the operation of the variant of the invention show that each ignition, except for the ignition of the extremal transmitters, two receivers are activated to measure the received signals.
  • the notation Rl to R6 for the receivers having taken the places of the emitters E1 to E6 of FIG. 5 and EgI to Eg7 for the associated transmitters having taken the place of the receivers RgI to Rg7 to the ignition of an emitter Egi it is the receivers Ri and Ri + 1 which are thus activated to carry out one of the two measurements necessary for the implementation of the invention at each receiver.
  • the ignition of the next transmitter Egi + 1 will then be used to calculate the position in Y facing the receiver Ri which will also perform a measurement during this ignition.
  • the ratio Si / Si + 1 is then calculated between the signals received by the receiver Ri during the successive ignitions of the emitters Eg 1 and Eg 1 + 1.
  • FIG. 7 represents a preferred embodiment of the invention in which the quantity of light received is maximized and in which the effects of an angular reflection of the non-constant object 1 as a function of the angle are compensated.
  • the receivers Rgi are doubled by symmetry with respect to each emitter axis Ei by receivers Rdi.
  • the set of receivers Rgi and Rdi then receives twice the light and "both sides" of the reflection.
  • a first signal Si is then the sum of the signal received on the receiver Rgi and the signal received on the receiver Rdi + 1
  • a second signal Si + 1 is the sum of the signal received on the receiver Rgi +1 and the signal received on the receiver Rdi.
  • the ratio between the signals Si and Si + 1 is used to determine the distance Y to which an object 1 is located. This embodiment makes it possible to gain in precision and in sensitivity.
  • FIG. 8 is a curve obtained for the Si / Si + 1 ratio as a function of the distance Y at the line formed by the emitters Ei on the strip 10 of the device of FIG. 7 with an angle ⁇ equal to 45 °.
  • This curve is obtained with receivers having an angular sensitivity close to that of the receivers used in FIG. 3, for example, Vishay TEKT5400 infrared light receiving phototransistors.
  • the emitters used are OSRAM infrared light emitting diodes, HDSL4230.
  • the curve has a general slope sufficient to calculate an absolute distance Y up to about 14 units of distance, each unit being 2.5 mm.
  • FIG. 9 gives an exemplary embodiment of a keyboard based on the embodiment of FIG. 7.
  • Keys are etched on the determined zone 2 facing each of the emitters Ei.
  • Each key Zik is advantageously associated with a given function, so that any position of the object 1 in an elementary zone Zik activates the function associated with this elementary zone Zik.
  • Such a keyboard may correspond to an input terminal for manual data entry for computers, landline or mobile phones, PDAs or any other electronic device.
  • a set of threshold intervals ⁇ ZiO at ⁇ Zi2 is shown. They correspond to the elementary zones defined by the keys in front of each transmitter Ei and are therefore used to determine the Y position of the object 1 on one of the elementary zones ZiO to Zi2, each of which is four units of distance in length along the axis of each transmitter Ei and being separated by 2 distance units.
  • the determination of the preferred transmitter is described as using the associated receivers to find a maximum of received signal, it is quite possible in some cases to always use the same receiver for the ignition of all transmitters or again, with a particular configuration, all the receivers or another or other receivers that the so-called associated receivers without excluding the scope of the claims.
  • the association between receivers and transmitters to calculate the distance to the transmitter can be varied in nature as long as the axes of at least two associated receivers intersect the axis of a transmitter at two different points. It is also conceivable according to the invention to use a larger number of elements associated with another element, for example, three receivers for a transmitter, the axes of these three receivers intersecting the axis of the transmitter at points different. In such a case, comparisons between the signals will for example be made by performing the calculation of several ratios between these signals with a prior calibration of the values of these ratios as a function of the distance of the object.
  • Figures 10 and 11 give examples of embodiments according to the invention that can be implemented in various situations.
  • the angles made by the transmitter and the receivers with a line on which they are placed can be various without departing from the invention.
  • the angle ⁇ can also be varied according to the applications.
  • an implementation of the invention where receivers and transmitters are placed on a curved line is presented.

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Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif de détermination optique de la position d'un objet [1] sur une zone déterminée [2] d'une surface sensiblement plane. Selon l'invention, on dispose, à proximité de ladite zone déterminée [2], au moins un émetteur [E1] ponctuel directionnel associé à au moins deux récepteurs de lumière [Rl, R2] ponctuel directionnel couvrant la zone déterminée [2], chaque émetteur et récepteur de lumière présentant un axe sensiblement parallèle à la zone déterminée le long duquel une émission maximale, respectivement une sensibilité angulaire maximale, sont observées, de manière telle que les axes [AR1, AR2] des récepteurs [R1, R2] coupent l'axe [AE1] de l'émetteur [E1] en des points différents [P1, P2]. L'émetteur de lumière [E1] est allumé et la position de l'objet [1] sur l'axe [AE1] de l'émetteur [E1] est déterminée en fonction d'une comparaison des signaux lumineux [S1, S2] réfléchis et diffusés par l'objet [1] vers chacun des deux récepteurs de lumière [R1, R2].

Description

Titre de l'invention
Procédé et dispositif de détermination optique de la position d'un objet.
Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des détecteurs optiques permettant de déterminer la position d'un objet quelconque sur une surface sensiblement plane. L'objet peut en particulier présenter diverses caractéristiques géométriques et/ou optiques, notamment des formes et/ou des couleurs diverses. En particulier, l'invention peut être appliquée dans le domaine de la saisie de données, par exemple alphanumériques. L'invention trouve donc une application dans la fabrication de claviers ou d'appareils similaires permettant une entrée manuelle de données comme les ordinateurs, les téléphones, les assistants personnels numériques etc. De nombreux dispositifs optiques sont connus pour détecter ainsi la position d'un objet en vue d'une saisie de données.
Une technique classique de détermination de position à deux dimensions consiste à réaliser une grille de couple émetteur/récepteur et à déterminer la position de l'objet en prenant en compte les faisceaux coupés. Une telle technique fonctionnant en transmission présente peu de souplesse et nécessite la mise en œuvre de nombreux composants.
Une autre solution, décrite dans le document FR 2 826 443, consiste à placer des émetteurs et des récepteurs sur deux côtés se faisant face de part et d'autre d'une surface. Le nombre de composants est diminué mais il reste nécessaire de prévoir des éléments de connectique entre les deux côtés opposés de la surface active. Cette surface active reste alors limitée par la géométrie du dispositif.
Le document FR 2 859 277 décrit quant à lui un procédé de détermination de position d'un objet basé sur la réflexion par l'objet de la lumière émise par au moins un émetteur, la lumière réfléchie étant alors détectée par au moins un récepteur puis analysée de manière à déterminer la position de l'objet.
Les émetteurs et les récepteurs sont placés de manière alternée sur une même ligne et la surface active est alors rendue moins dépendante de la géométrie du dispositif. Cela permet, entre autres, une grande flexibilité d'intégration. En effet, la position d'un objet sur une surface sensiblement plane quelconque peut alors être déterminée afin de permettre à un opérateur de saisir des données de manière comparable à la saisie sur un clavier. Les dispositifs mettant en œuvre ce procédé permettent la saisie de données mais manquent souvent de fiabilité et de précision.
Cela se traduit en des essais multiples pour saisir une information ou en un temps d'attente relativement long avant que le dispositif ne réagisse. Globalement il a ainsi été constaté qu'un tel procédé engendrait régulièrement une perte de temps préjudiciable à l'application du procédé dans des domaines où la durée de saisie est un paramètre important.
Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant de disposer, à proximité de ladite zone déterminée, au moins un émetteur ponctuel directionnel associé à au moins deux récepteurs de lumière ponctuels directionnels couvrant la zone déterminée, chaque émetteur et récepteur de lumière présentant un axe sensiblement parallèle à la zone déterminée le long duquel une émission maximale, respectivement une sensibilité angulaire maximale, sont observées, de manière telle que les axes des récepteurs coupent l'axe de l'émetteur en des points différents, puis d'allumer l'émetteur de lumière, et enfin de déterminer la position de l'objet sur l'axe de l'émetteur en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet vers chacun des deux récepteurs de lumière.
Avec un tel procédé, le positionnement des récepteurs et des émetteurs de manière telle que leurs axes fassent un angle non nul permet d'obtenir une meilleure précision que lorsque récepteur et émetteur présentent des axes parallèles. En effet pour chaque position d'un objet le long de l'axe de l'émetteur on obtient deux mesures de signaux qui sont distinctes alors que, dans le cas où les axes des récepteurs et des émetteurs sont parallèles, il n'y a qu'une mesure ou au mieux deux mesures similaires réalisées par des récepteurs disposés symétriquement par rapport à l'axe de l'émetteur. L'invention utilise principalement les propriétés de diffusion de la lumière par l'objet quelconque, la lumière diffusée étant reçue par les récepteurs excentrés par rapport à l'axe de l'émetteur.
L'invention présente aussi l'avantage de pouvoir être mise en œuvre avec des émetteurs de lumière non cohérente et par conséquent peu coûteux. En outre, l'invention, basée sur l'utilisation de récepteurs et d'émetteurs ponctuels directionnels, par exemple utilisant une diode directionnelle, n'utilise pas de dispositif optique cher et potentiellement fragile tel que des lentilles ou des miroirs. Les composants optiques mis en œuvre sont effectivement simples et faciles à intégrer sur un circuit imprimé, comme des photodiodes ou des phototransistors.
La fiabilité obtenue permet de détecter l'objet même si sa forme et/ou sa couleur sont très différentes de celles prévues. L'invention exploite le caractère directionnel de l'émetteur et des récepteurs. Dans le cas où des récepteurs non directionnels seraient utilisés, les signaux reçus par les deux récepteurs dépendrait simultanément de la forme, des caractéristiques optiques et de la distance de l'objet, de telle sorte qu'il serait impossible d'en extraire une information fiable sur la distance. Avantageusement, les émetteurs et récepteurs sont disposés d'un même côté de la zone déterminée.
Dans un mode de réalisation, la comparaison consiste à calculer un rapport entre les signaux lumineux reçus par chacun des récepteurs lors de l'allumage de l'émetteur associé. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le procédé comprend les étapes de disposer, à proximité de ladite zone déterminée, un ensemble d'émetteurs ponctuels directionnels et un ensemble de récepteurs ponctuels directionnels de telle manière que chaque émetteur est associé à au moins deux récepteurs de telle manière que les axes de ces récepteurs coupent l'axe de l'émetteur en des points différents, allumer l'ensemble des émetteurs de lumière de manière successive, identifier l'émetteur, dit privilégié, pour lequel un maximum des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet est reçu par au moins un récepteur, déterminer la position de l'objet sur l'axe de l'émetteur privilégié en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet vers les deux récepteurs de lumière associés à l'émetteur privilégié.
Selon une caractéristique particulière de l'invention, le récepteur servant à l'identification de l'émetteur privilégié est choisi en fonction de l'émetteur concerné. Avantageusement, le récepteur servant à l'identification de l'émetteur privilégié est un récepteur associé à l'émetteur concerné.
Selon une autre caractéristique particulière de l'invention, le procédé comporte l'étape de doubler le nombre de récepteurs en les disposant symétriquement par rapport aux axes des émetteurs. Selon une variante de l'invention, le procédé comporte les étapes suivantes de disposer, à proximité de ladite zone déterminée, au moins deux émetteurs ponctuels directionnels associés à au moins un récepteur de lumière ponctuel directionnel couvrant la zone déterminée, chaque émetteur et récepteur de lumière présentant un axe sensiblement parallèle à la zone déterminée le long duquel une émission maximale, respectivement une sensibilité angulaire maximale, sont observées, de manière telle que les axes des émetteurs coupent l'axe du récepteur en des points différents, allumer les émetteurs de lumière de manière successive, déterminer la position de l'objet sur l'axe du récepteur en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet vers le récepteur de lumière lors des allumages successifs.
Selon un mode de réalisation avantageux, le procédé comprend les étapes de disposer, à proximité de ladite zone déterminée, un ensemble d'émetteurs ponctuels directionnels et un ensemble de récepteurs ponctuels directionnels de telle manière que chaque récepteur étant associé à au moins deux émetteurs de telle manière que les axes de ces émetteurs coupent l'axe du récepteur en des points différents, allumer l'ensemble des émetteurs de lumière de manière successive, identifier le récepteur, dit privilégié, pour lequel un maximum des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet est reçu par ce récepteur lors de l'allumage d'au moins un des émetteurs, déterminer la position de l'objet sur l'axe du récepteur privilégié, en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet vers le récepteur privilégié lors des allumages successifs des émetteurs associés. Les caractéristiques particulières évoqués ci-dessus sont également applicables à cette variante en substituant le terme récepteur au terme émetteur et inversement.
Selon un mode de réalisation avantageux, les émetteurs et les récepteurs sont disposés sur une ligne unique. Selon une caractéristique de l'invention, la lumière émise par l'émetteur est de la lumière non cohérente.
En particulier, la longueur d'onde de la lumière émise est choisie dans une plage de longueurs d'ondes parmi les plages suivantes : UV, visible et infrarouge. Dans un mode de réalisation, la zone déterminée est définie par un ensemble de voisinages des points d'intersection des axes.
Avantageusement, la zone déterminée comporte un ensemble de zones élémentaires, chacune étant associée à une fonction donnée, de sorte que toute position de l'objet dans une zone élémentaire active la fonction associée à cette zone élémentaire.
L'invention concerne également un dispositif de détermination optique pour déterminer la position d'un objet sur une zone déterminée d'une surface sensiblement plane, caractérisé en ce qu'il comporte, à proximité de ladite zone déterminée, au moins un émetteur ponctuel directionnel associé à au moins deux récepteurs de lumière ponctuels directionnels couvrant la zone déterminée, chaque émetteur et récepteur de lumière présentant un axe sensiblement parallèle à la zone déterminée le long duquel une émission maximale, respectivement une sensibilité angulaire maximale, sont observées, de manière telle que les axes des récepteurs coupent l'axe de l'émetteur en des points différents, un moyen de contrôle pour allumer l'émetteur de lumière, un moyen de traitement pour déterminer la position de l'objet sur l'axe de l'émetteur en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet vers chacun des deux récepteurs de lumière.
Dans un mode de réalisation avantageux, le dispositif comprend, à proximité de ladite zone déterminée, un ensemble d'émetteurs ponctuels directionnels et un ensemble de récepteurs ponctuels directionnels disposés de telle manière que chaque émetteur étant associé à au moins deux récepteurs de telle manière que les axes de ces deux récepteurs coupent l'axe de l'émetteur en deux points différents, un moyen de contrôle pour allumer l'ensemble des émetteurs de lumière de manière successive, un moyen d'identification pour identifier l'émetteur, dit privilégié, pour lequel un maximum des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet est reçu par au moins un récepteur, un moyen de traitement pour déterminer la position de l'objet sur l'axe de l'émetteur privilégié, en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet vers les deux récepteurs de lumière associés à l'émetteur privilégié.
Dans une variante de l'invention, le dispositif comprend, à proximité de ladite zone déterminée, au moins deux émetteurs ponctuels directionnels associés à au moins un récepteur de lumière ponctuel directionnel couvrant la zone déterminée, chaque émetteur et récepteur de lumière présentant un axe sensiblement parallèle à la zone déterminée le long duquel une émission maximale, respectivement une sensibilité angulaire maximale, sont observées, de manière telle que les axes des émetteurs coupent l'axe du récepteur en des points différents, un moyen de contrôle pour allumer les émetteurs de lumière de manière successive, un moyen de traitement pour déterminer la position de l'objet sur l'axe du récepteur en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet vers le récepteur de lumière lors des allumages successifs. Avantageusement, le dispositif selon cette variante comprend, à proximité de ladite zone déterminée, un ensemble d'émetteurs ponctuels directionnels et un ensemble de récepteurs ponctuels directionnels de telle manière que chaque récepteur étant associé à au moins deux émetteurs de telle manière que les axes de ces émetteurs coupent l'axe du récepteur en des points différents, un moyen de contrôle pour allumer l'ensemble des émetteurs de lumière de manière successive, un moyen d'identification pour identifier le récepteur, dit privilégié, pour lequel un maximum des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet est reçu par ce récepteur lors de l'allumage d'au moins un des émetteurs, un moyen de traitement pour déterminer la position de l'objet sur l'axe du récepteur privilégié, en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet vers le récepteur privilégié lors des allumages successifs des émetteurs associés. De tels dispositifs selon l'invention peuvent mettre en œuvre les caractéristiques particulières des procédés décrits auparavant.
Dans une mise en œuvre particulière de l'invention, ladite zone déterminée correspond à une zone de saisie et chacune des zones élémentaires correspond à une touche. L'invention concerne enfin un terminal de saisie de données comportant un dispositif selon l'invention.
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 illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un dispositif de détermination optique de la position d'un objet sur une zone déterminée d'une surface selon l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement la sensibilité angulaire de récepteurs utilisés dans un procédé selon l'invention ;
- la figure 3 représente des courbes de signaux obtenus sur deux récepteurs d'un dispositif de détermination optique selon la figure 1 ainsi qu'une comparaison de ces signaux en fonction de la distance à l'émetteur ;
- la figure 4 illustre schématiquement une variante du principe de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention ;
- la figure 5 représente un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6 est un organigramme montrant le principe de détermination de la position d'un objet avec un dispositif.selon la figure 5 ;
- la figure 7 représente un mode de réalisation avantageux de l'invention ; - la figure 8 représente les variations, en fonction de la distance à un émetteur sur l'axe de cet émetteur, de signaux réfléchis et diffusés par l'objet et reçus par chacun des deux récepteurs associés à cet émetteur et d'un rapport calculé entre les signaux réfléchis et diffusés vers les deux récepteurs associés ; - la figure 9 est une illustration d'un clavier réalisé sur une surface quelconque grâce à l'invention ;
- la figure 10 illustre le principe d'un mode particulier de réalisation selon l'invention ;
- la figure 11 est une représentation schématique d'une application de l'invention dans le cas d'une surface particulière.
Description détaillée d'un mode de réalisation
La figure 1 illustre le principe selon l'invention. L'objectif de l'invention est de déterminer la position d'un objet 1 sur une zone déterminée 2 d'une surface. Pour cela, deux récepteurs ponctuels directionnels, Rl et R2, et un émetteur ponctuel directionnel, El, présentant chacun un axe ARl, AR2 et AEl le long duquel une émission maximale, respectivement une sensibilité angulaire maximale, sont observées, sont placés à proximité de la zone déterminée 2.
Avantageusement, les trois éléments, émetteur et récepteurs, sont placés substantiellement tous les trois dans un plan parallèle à la surface déterminée et donc substantiellement tous au même niveau par rapport à cette zone 2. Leurs axes d'émission AEl ou de sensibilité de réception maximale ARl et AR2 sont donc rasants par rapport à la zone déterminée 2.
Le terme « ponctuel » signifie que chaque récepteur ou émetteur comprend un seul élément ou une pluralité d'éléments donnant, sur sa sortie (signal reçu pour le récepteur ou lumière émise pour l'émetteur) une information globale pour la pluralité d'éléments. On entend par là que l'information en sortie n'est pas différenciée en fonction de chaque élément de la pluralité d'éléments comme c'est en revanche le cas avec les détecteurs de position comprenant des récepteurs disposés en cadrans, en barrettes etc.
La figure 2 illustre schématiquement la sensibilité angulaire des récepteurs. L'angle d'ouverture, c'est-à-dire, l'angle pour lequel la sensibilité est divisée par 2, est égal à αo=37°. L'angle maximal d'incidence des rayons captés est d'environ 30°. Le choix de l'angle d'ouverture est important pour la mise en œuvre de l'invention. En fonction des applications, il peut être modifié. Cependant, quand la sensibilité angulaire est large, la différenciation des différentes positions de l'objet 1 sera difficile et quand la sensibilité angulaire est trop étroite, l'objet 1 pourra sortir des champs des récepteurs. L'influence de la sensibilité angulaire sera précisée dans la suite.
La courbe proposée peut également illustrer le profil d'émission. Il est intéressant de collimater la puissance de l'émission le long de l'axe de l'émetteur AEl afin de maximiser la quantité de lumière envoyée vers l'objet 1 et ainsi d'augmenter le phénomène de réflexion sur cet objet 1. Cependant, les caractéristiques d'émission sont ici moins critiques que les caractéristiques des récepteurs, l'essentiel étant que l'objet 1 reçoive une quantité de lumière suffisante pour que soit réfléchie une intensité lumineuse suffisante vers les récepteurs Rl et R2.
De tels émetteurs et récepteurs présentant un axe d'émission ou de sensibilité à la réception maximale sont classiquement appelés émetteurs ou récepteurs directionnels.
Les récepteurs, Rl et R2, et l'émetteur El sont disposés de manière à ce que leurs axes soient sensiblement parallèles à la surface 2 et à ce que les axes des récepteurs, Rl et R2, coupent l'axe de l'émetteur El en des points différents
Pl et P2. Les axes des récepteurs ARl et AR2 font un angle α avec l'axe de l'émetteur AEl.
Lorsque l'émetteur El est allumé, la lumière qu'il envoie prend la forme d'un faisceau d'un certain angle d'ouverture autour de son axe d'émission AEl. Une partie de cette lumière est réfléchie et diffusée par l'objet 1.
Au vu des profils de sensibilité et d'émission des récepteurs et de l'émetteur, la réflexion directe d'une partie de la lumière émise par l'objet 1, qui est par exemple un doigt, permet que de la lumière soit recueillie en assez grande quantité au niveau du récepteur Rl.
Une autre partie de la lumière réfléchie et diffusée par l'objet 1 est recueillie au niveau du récepteur R2.
On note alors Sl le signal réfléchi par l'objet 1 reçu par le récepteur Rl et S2 le signal réfléchi par l'objet 1 reçu par le récepteur R2. Si on considère que l'objet, par exemple un doigt, réfléchit la lumière émise de manière uniforme, on obtient, en première approximation :
Figure imgf000010_0001
Avec f(θ) = cos(c.θ) avec c = cos (1/ 2) pour θ e l —^JL l et f(β) = 0 ailleurs.
CC0 L 2c 2c J
L'invention utilise alors une comparaison des signaux Sl et S2 pour déterminer la position de l'objet 1.
Avantageusement, une telle comparaison utilise le calcul d'un rapport entre Sl et S2.
La figure 3 représente un exemple de courbes d'intensité I normalisée obtenues pour les signaux Sl, S2 et de la courbe obtenue pour le rapport F1=S1/S2 en fonction de la distance Y à laquelle est placé l'objet 1. L'angle α est égal à 45°, X(Rl) est égal à 2 et X(R2) est égal à 1. Cela signifie que Y(Pl) est égal à 2 et Y(P2) est égal à 1. En outre, comme on cherche à connaître la position de l'objet 1 sur une unique dimension le long de l'axe de l'émetteur passant par l'origine du repère O, X est pris égal à zéro. On constate que le rapport Fl évolue de manière significative en fonction de la distance Y. C'est la présence d'une telle variation qui est ensuite utilisée pour déterminer, en retour, la distance Y à laquelle l'objet 1 est placé.
La sensibilité angulaire des récepteurs est un paramètre important pour obtenir une variation convenable au discernement des distances. En effet, lorsque l'on augmente l'ouverture de la sensibilité angulaire des récepteurs, la courbe obtenue pour le rapport Fl s'aplatit rendant la bijection avec la distance Y à l'émetteur difficile. A l'inverse, une sensibilité trop étroite engendrera des « trous » dans la bijection pour lesquels il ne sera pas possible d'associer une valeur à une distance Y. Dans ce cas, une solution simple est d'ajouter des récepteurs en associant, à chaque émetteur, N (N > 2) récepteurs proches et de sensibilité angulaire étroite.
On comprend donc que la sensibilité angulaire ainsi que le nombre de récepteurs utilisés permet de déterminer une plus petite unité de distance différenciable. Cela déterminera la finesse de la détermination de position. Afin d'obtenir une distance absolue entre l'émetteur et l'objet le long de l'axe AEl de l'émetteur El, il est envisageable d'utiliser une fonction inverse étalonnée du rapport Fl vis-à-vis de la distance Y. La position peut alors être déterminée à quelques millimètres près.
Il est souvent aussi intéressant de situer l'objet 1 sur une grille ou sur un ensemble de zones élémentaires, par exemple les cercles Zl et Z2 représentés en pointillés sur la figure 1. La zone déterminée 2 peut être, comme représenté sur la figure 1, une zone entourant assez largement ces cercles Zl et Z2 mais également être choisie comme la réunion de ces cercles qui sont des voisinages proches des points d'intersection des axes des récepteurs et des émetteurs.
La détermination de la position est alors discrète et se base sur l'utilisation d'une table incluant des intervalles de seuils étalonnés minimaux et maximaux ΔZ1 et ΔZ2 pour la valeur du rapport Fl, ces intervalles de seuils étant associés à chaque zone élémentaire, ici Zl et Z2, est alors avantageuse.
La figure 4 illustre une variante de l'invention selon laquelle deux émetteurs El et E2 sont utilisés en association avec un même récepteur Rl. Les axes AEl et AE2 des émetteurs El et E2 coupent l'axe du récepteur Rl en deux points distincts.
Dans une telle variante, les émetteurs El et E2 sont allumés successivement et la réflexion engendrée par un objet 1 placé dans une surface
2 est évaluée à partir de signaux Sl et S2 reçus par le récepteur Rl aux deux instants d'allumage des émetteurs El et E2. La fréquence d'allumage est classiquement choisie entre 20 et 200 allumages par secondes.
Appliquer le principe selon l'invention revient, dans le cadre de cette variante, à faire une comparaison de ces signaux Sl et S2, avantageusement le calcul d'un rapport entre ces deux signaux, permet de déterminer la distance Y à laquelle se situe l'objet 1 le long de l'axe ARl du récepteur Rl. Sur la figure 4, la zone déterminée 2 est discrétisée en 4 zones élémentaires représentées par des carrés en pointillés Zl, Z2, Z3 et Z4. Ici la zone déterminée est choisie comme étant le voisinage d'un segment reliant les points d'intersection des axes des récepteurs avec celui de l'émetteur. Une table de quatre intervalles de seuils correspondants à chacune de ces zones élémentaires sera ici utilisée pour situer l'objet 1 sur une des zones élémentaires Zl à Z4.
En raison de la quantité de signal pratiquement réfléchie et d'éventuelles imprécisions sur le positionnement des récepteurs ainsi que sur les mesures elles-mêmes, on obtient une information fiable principalement dans un segment compris entre les deux points Pl et P2 des exemples donnés ci-dessus et dans la zone qui l'entoure. Cela définit avantageusement la zone dite déterminée 2.
Par exemple, sur la figure 1, lorsque l'objet 1 se trouve trop proche de l'émetteur El, il n'est plus possible d'avoir une information fiable sur la distance Y puisque, pour Y<1, la courbe S1/S2 n'est plus bijective. Lorsque l'objet 1 se trouve trop loin, la quantité de signal est trop faible pour être significative, la courbe S1/S2 ne présente plus une pente suffisante.
La figure 5 représente un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention dans lequel, en utilisant un même principe que sur la figure 1, les émetteurs et les récepteurs ont été multipliés mais toujours de manière à garder deux récepteurs pour un émetteur.
Une zone déterminée 2 sur laquelle la position d'un objet peut être déterminée est alors accessible. Cette zone 2 est considérablement élargie par rapport à celle obtenue avec seulement un émetteur et deux récepteurs. En outre, on va voir que la position en deux dimensions d'un objet peut alors être déterminée.
Ce mode de réalisation met en œuvre, de manière générale N émetteurs de lumière notés El à EN. Dans l'exemple de la figure 5, N est égal à 6. II met aussi en œuvre N+l récepteurs, notés RgI à RgN+1.
Avantageusement, les récepteurs RgI à RgN+1 et les émetteurs El à EN sont disposés sur un même côté de la zone déterminée 2 sur deux lignes substantiellement parallèles, ici distinctes, et sont avantageusement portés par la même structure matérielle. On remarque que les deux lignes portant respectivement les récepteurs et les émetteurs peuvent aussi être confondues. Les deux lignes sont toujours sensiblement parallèles mais peuvent être droites ou légèrement incurvées définissant ce que l'on désigne par un côté de la surface déterminée 2.
En effet, la détection de l'objet 1 étant réalisée grâce, principalement, à la lumière diffusée par l'objet 1, les deux récepteurs associés à un émetteur, et plus globalement les émetteurs et les récepteurs sont avantageusement situés du même « côté » par rapport à l'objet 1. Celui-ci diffuse en effet généralement la lumière dans un demi-espace délimité par un demi-plan perpendiculaire à l'axe de l'émetteur et passant par l'objet. La meilleure manière de réaliser cela est de placer émetteurs et récepteurs du même côté de la zone déterminée sur laquelle la position de l'objet peut être déterminée.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, ils sont disposés sensiblement sur une même ligne d'une barrette 10 les supportant. Les axes des récepteurs sont tels qu'ils font un angle α avec les axes des émetteurs. Les récepteurs Rgi et Rgi+1, avec i=l à N, sont dits associés à l'émetteur Ei. On constate qu'un même récepteur est généralement destiné à être associé à deux émetteurs à l'exception des récepteurs extrémaux. Cela induit une économie de matériel pour mettre en œuvre les principes de l'invention par rapport à la mise en œuvre de base de la figure 1. La barrette est munie d'une interface pour que récepteurs et émetteurs qu'elle supporte soient connectés à un module de commande 11, comprenant notamment une unité de commande à microprocesseur 13 et au moins un convertisseur analogique/numérique 12. En regroupant les éléments sur une même barrette 10, on évite des phénomènes de vieillissement pouvant entraîner un déplacement relatif des émetteurs Ei et des récepteurs Rgi lorsque ces deux groupes d'éléments sont portés par des structures matérielles distinctes pouvant, par conséquent bouger l'une par rapport à l'autre. En outre, cette réalisation est moins coûteuse et permet de réduire les éléments de connectique.
On constate d'ailleurs qu'alors les émetteurs Ei et récepteurs Rgi sont alternés pour permettre l'association d'un émetteur avec deux récepteurs et utiliser un même récepteur en association avec un ou plusieurs émetteurs. Ainsi que représenté sur la figure 5, avantageusement, les émetteurs Ei et les récepteurs Rgi sont alternés pour réaliser un quadrillage des positions de l'objet présentant globalement les mêmes caractéristiques de définition dans les deux directions X et Y. On entend par le terme « définition », la distance minimum entre deux positions détectables. Le microprocesseur de l'unité de commande 13 inclut un programme destiné à commander le fonctionnement des récepteurs et des émetteurs de la barrette 10 via le convertisseur 12. En particulier, ce programme commande l'allumage et l'extinction des émetteurs Ei à des instants T(Ei) déterminés et au minimum la mesure des signaux Si[T(Ei)] et Si+ 1[T(Ei)] reçus sur chacun des récepteurs Rgi et Rgi+1, associés à l'émetteur Ei.
Afin d'être capable de mesurer les signaux sur les récepteurs dans n'importe quel ordre, il peut être utile de munir le module de commande 11 d'un multiplexeur entre le ou les convertisseurs 12 et l'interface avec la barrette 10.
Les données résultant de la conversion des signaux reçus par les récepteurs sont avantageusement enregistrés dans une unité de stockage 14, par exemple du type EEPROM, sous le contrôle de l'unité de commande 13.
La figure 6 est un organigramme illustrant la séquence d'instructions programmées dans l'unité de commande 13 pour allumer et éteindre les émetteurs Ei et commander les mesures sur les récepteurs Ri, Ri+ 1 associés. Préalablement à toute mesure, un dispositif selon l'invention doit être étalonné. Par exemple, il s'agit d'établir une table d'intervalles de seuils pour chaque émetteur et mis en correspondance chacun avec une zone élémentaire faisant face à cet émetteur sur la zone déterminée.
Avant toute mesure, il est avantageux qu'une étape d'initialisation ETO ait lieu. Il s'agit notamment de mettre à une valeur initiale, par exemple zéro, la valeur de i.
A l'étape ETl, un émetteur est allumé. Les signaux Si et Si+ 1 sont mesurés sur au moins les récepteurs associés Ri et Ri+1 à l'étape ET2. L'émetteur Ei est éteint à l'étape ET3. A l'étape E4, la somme des deux signaux Si et Si+1 est calculée.
Lors de l'étape ET5, un test est réalisé pour savoir si i est égal à N. Si non, i est incrémenté dans une étape ET6 afin que les étapes ETl à ET4 soient répétées pour chaque émetteur Ei.
Si oui, l'étape ET7 au cours de laquelle on détermine quel est l'émetteur Ei pour lequel on obtient un maximum de la somme des signaux Si et Si+1. Cet émetteur est appelé émetteur privilégié EiM.
On calcule alors le rapport des signaux RM=SiM/SiM+l pour cet émetteur privilégié dans une étape ET8.
A l'étape ET9, la position X,Y de l'objet 1 est alors déterminée.
Afin de déterminer la coordonnée en X, on peut se contenter d'utiliser la valeur de iM pour lequel la somme des signaux reçus en provenance de l'émetteur Ei est maximale. Dans ce cas, la coordonnée X de l'objet est directement considérée comme étant égale à la coordonnée de l'émetteur EiM.
Autrement, il est avantageux de calculer la moyenne M des positions des émetteurs pondérée par la somme des signaux reçus calculée auparavant, c'est- à-dire :
Figure imgf000015_0001
Cette moyenne donne une valeur plus affinée pour la coordonnée X et peut notamment permettre de décider quand on obtient des sommes de signaux proches d'un maximum pour deux émetteurs adjacents.
La valeur du rapport FiM, quant à elle, donne la valeur de Y selon l'invention en donnant la distance Y de l'objet 1 à la ligne des émetteurs Ei, cette distance Y étant calculée en faisant l'approximation que l'objet est en face de l'émetteur Ei. Quand la position de l'objet 1 est à déterminer sur un ensemble de zones élémentaires, une zone élémentaire, par exemple une touche, est alors associée à la position de l'objet dans une étape ETlO et une transmission, par exemple, d'une commande est réalisée dans une étape ETIl. L'ensemble des étapes est bouclé sur l'étape ETO. Lorsque l'invention est implémentée suivant la variante présentée sur la figure 4, le récepteur privilégié est avantageusement déterminé comme étant celui pour qui la somme des signaux reçus successivement aux allumages successifs des deux émetteurs qui lui sont associés est maximale. Un organigramme du type de celui de la figure 6 mais illustrant le fonctionnement de la variante de l'invention montrerait qu'à chaque allumage, sauf pour l'allumage des émetteurs extrémaux, deux récepteurs sont activés pour mesurer les signaux reçus. En adoptant la notation Rl à R6 pour les récepteurs ayant pris les places des émetteurs El à E6 de la figure 5 et EgI à Eg7 pour les émetteurs associés ayant pris la place des récepteurs RgI à Rg7, à l'allumage d'un émetteur Egi, ce sont les récepteurs Ri et Ri+ 1 qui sont ainsi activés pour réaliser une des deux mesures nécessaires à la mise en œuvre de l'invention au niveau de chaque récepteur. L'allumage de l'émetteur suivant Egi+1 servira alors pour calculer la position en Y face au récepteur Ri qui réalisera aussi une mesure pendant cet allumage. Pour déterminer la position en Y, on calcule alors le rapport Si/Si+1 entre les signaux reçus par le récepteur Ri lors des allumages successifs des émetteurs Egi et Egi+1.
La figure 7 représente un mode de réalisation préféré de l'invention dans lequel on maximise la quantité de lumière reçue et dans lequel on compense les effets d'une réflexion angulaire de l'objet 1 non constante en fonction de l'angle. Les récepteurs Rgi sont doublés par symétrie par rapport à chaque axe d'émetteur Ei par des récepteurs Rdi. L'ensemble des récepteurs Rgi et Rdi reçoit alors le double de lumière et « des deux côtés » de la réflexion. Au vu de la géométrie du dispositif, un premier signal Si est alors la somme du signal reçu sur le récepteur Rgi et du signal reçu sur le récepteur Rdi+1 et un second signal Si+1 est la somme du signal reçu sur le récepteur Rgi+1 et du signal reçu sur le récepteur Rdi. Selon l'invention, le rapport entre les signaux Si et Si+1 est utilisé pour déterminer la distance Y à laquelle se trouve un objet 1. Ce mode de réalisation permet de gagner en précision et en sensibilité.
La figure 8 est une courbe obtenue pour le rapport Si/Si+1 en fonction de la distance Y à la ligne formée par les émetteurs Ei sur la barrette 10 du dispositif de la figure 7 avec un angle α égal à 45°. Cette courbe est obtenue avec des récepteurs ayant une sensibilité angulaire proche de celle des récepteurs utilisés sur la figure 3, par exemple, des phototransistors récepteurs de lumière infrarouge Vishay TEKT5400. Les émetteurs utilisés sont des diodes émettrices de lumière infrarouge OSRAM, HDSL4230.
On remarque que la courbe présente une pente générale suffisante pour calculer une distance Y absolue jusqu'à environ 14 unités de distance, chaque unité faisant 2,5 mm.
La figure 9 donne un exemple de réalisation d'un clavier basé sur le mode de réalisation de la figure 7. Des touches sont gravées sur la zone déterminée 2 face à chacun des émetteurs Ei. Par exemple, les touches représentées sont centrées sur des points situés à 10, 25 et 40 mm de la barrette 10. Elles définissent des zones élémentaires Zik, k=0 à 2 par exemple Z12, ZIl, ZlO et Z41 référencés sur la figure, en face de chaque émetteur Ei et recouvrant la touche gravée. Chaque touche Zik est avantageusement associée à une fonction donnée, de sorte que toute position de l'objet 1 dans une zone élémentaire Zik, active la fonction associée à cette zone élémentaire Zik.
Un tel clavier peut correspondre à un terminal de saisie permettant une entrée manuelle de données pour ordinateurs, téléphones fixes ou mobiles, PDA ou tout autre appareil électronique. Sur la figure 8, un ensemble d'intervalles de seuils ΔZiO à ΔZi2 est représenté. Ils correspondent aux zones élémentaires définies par les touches en face de chaque émetteur Ei et sont donc utilisés pour déterminer la position en Y de l'objet 1 sur une des zones élémentaires ZiO à Zi2 faisant chacune quatre unités de distance en longueur le long de l'axe de chaque émetteur Ei et étant séparées de 2 unités de distance.
Enfin on remarque que l'invention ne saurait être réduite aux modes de réalisation décrits et qu'il existe diverses alternatives pour mettre en œuvre l'invention selon les revendications présentées ci-après.
Notamment, bien que la détermination de l'émetteur privilégié soit décrit comme utilisant les récepteurs associés pour trouver un maximum de signal reçu, il est tout à fait envisageable dans certains cas d'utiliser toujours un même récepteur pour l'allumage de tous les émetteurs ou encore, avec une configuration particulière, tous les récepteurs ou encore un autre ou d'autres récepteurs que les récepteurs dits associés sans s'exclure de la portée des revendications.
De manière similaire, l'association entre récepteurs et émetteurs pour calculer la distance à l'émetteur peut être de nature variée tant que les axes d'au moins deux récepteurs associés coupent l'axe d'un émetteur en deux points différents. II est aussi envisageable selon l'invention d'utiliser un plus grand nombre d'éléments associés à un autre élément, par exemple, trois récepteurs pour un émetteur, les axes de ces trois récepteurs coupant l'axe de l'émetteur en des points différents. Dans un tel cas, des comparaisons entre les signaux seront par exemple réalisées en réalisant le calcul de plusieurs rapports entre ces signaux avec un étalonnage préalable des valeurs de ces rapports en fonction de la distance de l'objet.
En outre, les figures 10 et 11 donnent des exemples de modes de réalisation selon l'invention qui peut être implémentée dans diverses situations. Ainsi, en particulier sur la figure 10, les angles faits par l'émetteur et les récepteurs avec une ligne sur laquelle ils sont placés peuvent être divers sans pour autant se départir de l'invention. L'angle α peut également être varié en fonction des applications. Sur la figure 11, une implémentation de l'invention où les récepteurs et les émetteurs sont placés sur une ligne courbe est présentée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détermination optique de la position d'un objet [1] sur une zone déterminée [2] d'une surface sensiblement plane, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- disposer, à proximité de ladite zone déterminée [2], au moins un émetteur [El] ponctuel directionnel associé à au moins deux récepteurs [Rl, R2] de lumière ponctuels directionnels couvrant la zone déterminée [2], chaque émetteur et récepteur de lumière présentant un axe [AEl, ARl, AR2] sensiblement parallèle à la zone déterminée [2] le long duquel une émission maximale, respectivement une sensibilité angulaire maximale, sont observées, de manière telle que les axes [ARl, AR2] des récepteurs [Rl, R2] coupent l'axe [AEl] de l'émetteur [El] en des points différents [P1,P2],
- allumer l'émetteur de lumière [El], - déterminer la position de l'objet [1] sur l'axe [AEl] de l'émetteur [El] en fonction d'une comparaison des signaux lumineux [Sl, Sl] réfléchis et diffusés par l'objet [1] vers chacun des deux récepteurs de lumière [Rl, R2].
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la comparaison consiste à calculer un rapport [F1=S1/S2] entre les signaux lumineux [Sl, S2] reçus par chacun des récepteurs [Rl, R2] lors de l'allumage de l'émetteur [El] associé.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- disposer un ensemble d'émetteurs [Ei] à proximité de ladite zone déterminée [2] et un ensemble de récepteurs [Rgi], chaque émetteur [Ei] étant associé à au moins deux récepteurs [Rgi, Rgi+1] de telle manière que les axes de ces récepteurs [Rgi, Rgi+1] coupent l'axe de l'émetteur [Ei] en des points différents,
- allumer l'ensemble des émetteurs [Ei] de lumière de manière successive,
- identifier l'émetteur [EiM], dit privilégié, pour lequel un maximum des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet [1] est reçu par au moins un récepteur,
- déterminer la position de l'objet [1] sur l'axe de l'émetteur privilégié [EiM], en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet [1] vers les deux récepteurs [RgiM, RgiM+1] de lumière associés à l'émetteur privilégié [EiM].
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le récepteur servant à l'identification de l'émetteur privilégié [EiM] est choisi en fonction de l'émetteur [Ei] oncerné.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le récepteur servant à l'identification de l'émetteur privilégié [EiM] est un récepteur associé à l'émetteur concerné [Ei].
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape de doubler le nombre de récepteurs en les disposant symétriquement par rapport aux axes des émetteurs.
7. Procédé de détermination optique de la position d'un objet [1] sur une zone déterminée [2] d'une surface sensiblement plane, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- disposer, à proximité de ladite zone déterminée, au moins deux émetteurs [El, E2] ponctuels directionnels associés à au moins un récepteur de lumière [El] ponctuel directionnel couvrant la zone déterminée [2], chaque émetteur et récepteur de lumière présentant un axe [ARl, AEl, AE2] sensiblement parallèle à la zone déterminée [2] le long duquel une émission maximale, respectivement une sensibilité angulaire maximale, sont observées, de manière telle que les axes [AEl, AE2] des émetteurs [El, E2] coupent l'axe [ARl] du récepteur [Rl] en des points différents [Pl, P2],
- allumer les émetteurs de lumière [El, E2] de manière successive,
- déterminer la position de l'objet [1] sur l'axe du récepteur [ARl] en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet [1] vers le récepteur de lumière lors des allumages successifs des émetteurs.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la comparaison consiste à calculer un rapport [Fi=Si/Si+l] entre les signaux lumineux reçus par le récepteur [Ri] lors des allumages successifs des émetteurs [Egi, Egi+1] qui lui sont associés.
9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - disposer un ensemble d'émetteurs [Egi] à proximité de ladite zone déterminée et un ensemble de récepteurs [Ri], chaque récepteur [Ri] étant associé à au moins deux émetteurs [Egi, Egi+1] de telle manière que les axes de ces émetteurs [Egi, Egi+1] coupent l'axe du récepteur [Ri] en des points différents,
- allumer l'ensemble des émetteurs [Egi, Egi+1] de lumière de manière successive,
- identifier le récepteur, dit privilégié, pour lequel un maximum des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet est reçu par ce récepteur lors de l'allumage d'au moins un des émetteurs,
- déterminer la position de l'objet sur l'axe du récepteur privilégié, en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet vers le récepteur privilégié lors des allumages successifs des émetteurs associés.
10. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'émetteur servant à l'identification du récepteur privilégié est choisi en fonction du récepteur concerné.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'émetteur servant à l'identification du récepteur privilégié est un émetteur associé au récepteur concerné.
12. Procédé selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape de doubler le nombre d'émetteurs en les disposant symétriquement par rapport aux axes des récepteurs.
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de récepteurs et/ou la sensibilité angulaire des récepteurs est adaptée pour permettre une précision choisie de la mesure de position.
14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'émetteur(s) et récepteurs sont disposés sur une ligne unique.
15. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la lumière émise par l'(es) émetteur(s) est de la lumière non cohérente.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la longueur d'onde de la lumière émise est choisie dans une plage de longueurs d'ondes parmi les plages suivantes : UV, visible et infrarouge.
17. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone déterminée est définie par un ensemble de voisinages des points d'intersection des axes.
18. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone déterminée [2] comporte un ensemble de zones élémentaires [Zl,
Z2, ZlO, ZIl, Z12, Z41], chacune étant associée à une fonction donnée, de sorte que toute position de l'objet [1] dans une zone élémentaire active la fonction associée à cette zone élémentaire.
19. Dispositif de détermination optique pour déterminer la position d'un objet [1] sur une zone déterminée [2] d'une surface sensiblement plane, caractérisé en ce qu'il comporte :
- à proximité de ladite zone déterminée [2], au moins un émetteur [El] ponctuel directionnel associé à au moins deux récepteurs de lumière [Rl, R2] ponctuels directionnels couvrant la zone déterminée [2], chaque émetteur et récepteur de lumière présentant un axe [AEl, ARl, AR2] sensiblement parallèle à la zone déterminée [2] le long duquel une émission maximale, respectivement une sensibilité angulaire maximale, sont observées, de manière telle que les axes [ARl, AR2] des récepteurs [Rl, R2] coupent l'axe [AEl]de l'émetteur [El] en des points différents [Pl, P2],
- un moyen de contrôle pour allumer l'émetteur de lumière [El],
- un moyen de traitement pour déterminer la position de l'objet [1] sur l'axe de l'émetteur [El] en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet [1] vers chacun des deux récepteurs de lumière [Rl, R2].
20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un ensemble d'émetteurs [Ei] à proximité de ladite zone déterminée [2] et un ensemble de récepteurs [Ri] disposés, chaque émetteur [Ei] étant associé à au moins deux récepteurs [Rgi, Rgi+1] de telle manière que les axes de ces deux récepteurs [Rgi, Rgi+1] coupent l'axe de l'émetteur [Ei] en deux points différents, - un moyen de contrôle pour allumer l'ensemble des émetteurs de lumière [Ei] de manière successive,
- un moyen d'identification pour identifier l'émetteur [EiM], dit privilégié, pour lequel un maximum des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet [1] est reçu par au moins un récepteur,
- un moyen de traitement pour déterminer la position de l'objet [1] sur l'axe de l'émetteur privilégié [AEiM], en fonction d'une comparaison des signaux lumineux [SiM/SiM+1] réfléchis et diffusés par l'objet [1] vers les deux récepteurs de lumière [RiM, RiM+1] associés à l'émetteur privilégié [EiM].
21. Dispositif de détermination optique pour déterminer la position d'un objet [1] sur une zone déterminée [2] d'une surface sensiblement plane, caractérisé en ce qu'il comporte :
- à proximité de ladite zone déterminée, au moins deux émetteurs [El7 E2] ponctuels directionnels associés à au moins un récepteur de lumière [Rl] ponctuel directionnel couvrant la zone déterminée [2], chaque émetteur et récepteur de lumière présentant un axe [Al, AE2, ARl] sensiblement parallèle à la zone déterminée le long duquel une émission maximale, respectivement une sensibilité angulaire maximale, sont observées, de manière telle que les axes [AEl, AE2] des émetteurs coupent l'axe [AEl] du récepteur en des points différents,
- un moyen de contrôle pour allumer les émetteurs de lumière [El, E2] de manière successive,
- un moyen de traitement pour déterminer la position de l'objet [1] sur l'axe du récepteur [ARl] en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet vers le récepteur de lumière [Rl] lors des allumages successifs.
22. Dispositif selon la revendication 21, caractérisé en ce qu'il comporte :
- un ensemble d'émetteurs [Ei] à proximité de ladite zone déterminée et un ensemble de récepteurs [Ri], chaque récepteur [Ri] étant associé à au moins deux émetteurs [Ei, Ei+ 1] de telle manière que les axes de ces émetteurs [Ei, Ei+ 1] coupent l'axe du récepteur [Ri] en des points différents, - un moyen de contrôle pour allumer l'ensemble des émetteurs de lumière [Ei] de manière successive, - un moyen d'identification pour identifier le récepteur, dit privilégié, pour lequel un maximum des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet [1] est reçu par ce récepteur lors de l'allumage d'au moins un des émetteurs,
- un moyen de traitement pour déterminer la position de l'objet [1] sur l'axe du récepteur privilégié, en fonction d'une comparaison des signaux lumineux réfléchis et diffusés par l'objet vers le récepteur privilégié lors des allumages successifs des émetteurs associés.
23. Dispositif selon l'une des revendications 19 à 22, caractérisé en ce que émetteur(s) et récepteurs sont disposés sur une ligne unique [10].
24. Dispositif selon l'une des revendications 19 à 22, caractérisé en ce que la zone déterminée [2] est définie par un ensemble de voisinages des points d'intersection des axes.
25. Dispositif selon l'une des revendications 19 à 22, caractérisé en ce que la zone déterminée [2] comporte un ensemble de zones élémentaires [Zl, Z2 , Z12], chacune étant associée à une fonction donnée, de sorte que toute position de l'objet [1] dans une zone élémentaire active la fonction associée à cette zone élémentaire.
26. Dispositif selon la revendication 25, caractérisé en ce que ladite zone déterminée correspond à une zone de saisie et chacune des zones élémentaires correspond à une touche.
27. Dispositif selon l'une des revendications 19 à 26, caractérisé en ce que la lumière émise par l'émetteur est de la lumière non cohérente.
28. Dispositif selon la revendication 27, caractérisé en ce que la longueur d'onde de la lumière émise est dans la plage de longueurs d'ondes parmi les plages suivantes : UV, visible et infrarouge.
29. Terminal de saisie de données comportant un dispositif selon l'une des revendications 19 à 28.
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