Brevet FR2585478A1 — publié le 19870130

La présente invention concerne de façon générale un agencement d'objectif et plus particulièrement un agencement d'objectif destiné à être utilisé avec un appareil de répartition et de détection de lumière, cet appareil étant de préférence utilisé en relation avec un dispositif pour déterminer l'emplace- ment d'un objet à l'intérieur d'une zone cible donnée. Alors que l'agencement d'objectif selon l'invention s'applique à de nombreuses situations, la description sera facilitée en se référant tout particulièrement à son utilisation pour fournir de la lumière dans un dispositif pour déterminer l'emplacement d'un objet dans une zone cible. Un tel dispositif est décrit en tant que "optical touch screen input device" dans la demande de brevet des EtatsUnis d'Amérique N 492 859 déposée le 9 mai 1983, cette demande étant cédée à la Demanderesse. Comme cela est plus complètement décrit dans la demande de brevet susmentionnée, les dispositifs d'entrée d'écran à touches sont de façon générale utilisés avec des tubes à rayons cathodiques ou autres écrans ou éléments d'affichage visible qui sont utilisés avec de nombreux ordinateurs et terminaux d'ordina- teurs, par exemple. De tels dispositifs d'entrée d'écran à touches comprennent des recouvrements d'écran superposés à l'écran d'affichage qui peuvent être du type capacitif ou résistif ou d'autre part peuvent être à ultra-sons ou comprendre une grille conductrice. Toutefois, comme cela est décrit dans la demande de brevet ci-dessus référencée, un tel recouvrement peut également comprendre un appareil optique qui crée de façon générale un "rideau de lumière" en face de l'écran d'affichage, de préférence dans la gamme infrarouge non visible, de façon à ne pas interférer visuellement avec la lecture de l'écran par l'opérateur. La pénétration de ce rideau de lumière par un objet, tel que le doigt d'un opérateur, un crayon, ou analogue, est facilement détectable par l'appareil d'écran à touches et est interprétée pour fixer l'emplacement de pénétration de l'objet par rapport à l'écran à touches et ainsi par rapport à l'écran d'affichage. Dans l'appareil optique d'entrée d'écran à touches décrit dans la demande de brevet ci-dessus référencée, une trame de façon générale rectiligne définit une zone de cible rectangulai- re. Un appareil de répartition et de détection de lumière monté au niveau d'un coin de la trame dirige de la lumière dans cette zone cible. Des ensembles réflecteurs s'étendent selon trois côtés de la zone cible et sont disposés pour réfléchir la lumière incidente en retour vers l'appareil de répartition et de détection de la lumière pour assurer une détection par celui-ci. Une partie de détecteur de l'appareil ou dispositif est associée à un ensemble de balayage qui balaye la zone cible pour recevoir les faisceaux en retour de lumière. Ainsi, une détermination de la position angulaire de l'ensemble de balayage à tout instant donné détermine également l'orientation angulaire du trajet de la lumière en retour incidente à cet instant sur le détecteur. La présence d'un objet dans la zone cible entraînera une diminution notable de la quantité de lumière réfléchie pour des orientations angulaires correspondant à la position de l'objet. Les ensembles réflecteurs sont placés de façon à amener la lumière à être reçue au niveau du détecteur à partir d'au moins deux orientations angulaires par rapport à tout point donné de l'écran pendant le balayage de celui-ci. Ainsi, tout objet dans la zone cible provoquera une diminution notable de la lumière réfléchie au niveau du détecteur pour chacune d'au moins deux orientations angulaires couvertes par le processus de balayage. Après détermination des deux angles auxquels cette énergie lumineuse en retour réduite est détectée, la position de l'objet par rapport aux deux dimensions de l'écran d'affichage peut être facilement déterminée. Alors que l'appareil et le système ci-dessus sont largement acceptés, on éprouve encore le besoin d'autres améliorations. Par exemple, dans les systèmes optiques de ce type, il existe toujours le problème des pertes lumineuses qui réduisent la quantité de lumière d'ensemble atteignant le détecteur. Pour accroître la sensibilité et la résolution du dispositif optique d'écran à touches, il est de façon générale souhaitable de maximiser la quantité d'ensemble d'énergie lumineuse disponible dans le dispositif. Ceci accroit aussi le contraste entre la lumière réfléchie atteignant directement le détecteur et la lumière bloquée par l'objet qui doit être détecté. Ces pertes posent des problèmes particuliers quand la dimension de la zone cible augmente. Sous ce dernier aspect, pour des écrans ou dispositifs d'affichage relativement grands, des dispositifs optiques d'entrée d'écran à touches grands de façon correspondante sont nécessaires. Toutefois, la difficulté d'éclairer de façon adéquate une zone cible devient plus importante quand les dimensions de la zone cible augmentent de façon correspondante. Alors qu'il est possible d'utiliser des sources lumineuses d'intensité plus grande de façon correspondante, ces sources lumineuses sont également des sources notables d'énergie thermique et cette énergie thermique doit être dissipée dans le dispositif. Toute accumulation d'énergie thermique peut provoquer d'autres difficultés notables en relation avec l'appareil de détection et d'autres parties du dispositif d'écran à touches optiques. Alors que des éléments et composants spécialisés pour l'actionnement à des températures ambiantes plus élevées peuvent être utilisées, ceci ajoute un coût notable à l'appareil. D'autre part, un appareil de dissipation thermique, tel qu'un ventilateur, un radiateur, des ailettes de refroidisse- ment ou analogues peuvent être ajoutés, mais ceci accroît également considérablement le coût de l'appareil. Toutefois, dans de nombreux dispositifs de répartition et de détection de la lumière associés jusqu'à présent à des dispositifs de localisation de position optique ou d'écran à touches, peu ou pas d'efforts ont été faits pour diriger ou focaliser la quantité maximale d'énergie lumineuse disponible à partir de la source lumineuse vers la zone cible. En conséquence, l'objet général de la présente invention est de prévoir un nouvel appareil pour augmenter la proportion de lumière en provenance de la source atteignant la zone cible, ce qui sera noté comme particulièrement avantageux en relation avec des dispositifs de localisation de position utilisant des zones cibles relativement importantes. Un objet général de la présente invention est de prévoir un appareil nouveau et perfectionné pour accroître l'intensité d'éclairement d'une zone cible dans un dispositif de localisation de position optique. Un objet plus particulier est de prévoir un appareil pour augmenter la quantité proportionnelle de lumière atteignant la zone cible à partir d'une source lumineuse donnée. Un autre objet est de prévoir un appareil destiné à être utilisé avec un dispositif optique d'entrée d'écran à touches relativement grand pour accroître l'intensité lumineuse dans la zone de localisationdu dispositif d'écran à touches tout en évitant l'utilisation de sources lumineuses de haute intensité. Un autre objet est de prévoir un appareil selon les objets précédents qui est relativement simple et peu coûteux dans sa conception et sa fabrication et cependant de fonctionnement très sûr. En bref, et selon les objets précédents, la présente invention prévoit un agencement d'objectif pour rediriger des faisceaux lumineux qui divergent selon une configuration générale- ment conique à partir d'une source lumineuse fixe, cet appareil comprenant un élément d'objectif ayant une configuration et une position par rapport à la source lumineuse propresà laisser passer les faisceaux lumineux divergents en provenance de la source lumineuse fixe sensiblement sans modifier la direction desdits faisceaux dans un premier plan et pour rediriger d'autres des faisceaux lumineux divergents à partir de la source lumineuse en faisceaux lumineux sensiblement parallèles tandis qu'ils passent par l'élément d'objectif sensiblement selon n'importe quelle section droite à travers l'élément de l'objectif qui est sensible- ment perpendiculaire audit premier plan. L'organisation et-le mode de fonctionnement de l'invention, ainsi que d'autres objets et avantages de celle- ci, seront mieux compris en relation avec la description suivante faite en relation avec les dessins joints dans lesquels de mêmes références désignent des éléments analogues dans les diverses figures et parmi lesquels: La figure 1 est une vue en plan, quelque peu schématique, d'un dispositif optique de localisation de position en relation avec lequel la présente invention peut être utilisée de façon avantageuse; la figure 2 est une vue partielle agrandie d'une partie de l'appareil de répartition et de détection de lumière associé au dispositif de localisation de position de la figure 1, comprenant un appareil selon la présente invention; la figure 3 est une vue en plan partielle agrandie d'une partie de l'appareil de la figure 2, représentant un élément d'objectif selon la présente invention; la figure 4 est une vue explicative prise de façon générale selon la ligne 4-4 de la figure 3; et la figure 5 est une vue explicative de l'élément d'objectif de la figure 3, prise de façon générale selon la ligne -5 de celle-ci. Comme le montre la figure 1, l'agencement d'objectif selon l'invention est particulièrement utile en relation avec un dispositif optique d'entrée d'écran à touches optique, désigné ici de façon générale par la référence 10. Un tel dispositif est plus complètement décrit dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N 492 859 ci-dessus référencée à laquelle on se référera. En bref, l'appareil 10 comprend un boîtier ou cadre de forme générale rectangulaire 12 dans lequel est définie une zone de cible de forme générale rectangulaire 14. Dans le logement 12, autour de la zone cible 14,sont disposés une pluralité de réflecteurs 16, 18 et 20. De préférence, le réflecteur16 est un réflecteurplan tel qu'un miroir. Toutefois, le réflecteur 18 comprend de préférence un rétro-réflecteur et le réflecteur 20 comprend un ensemble rétro-réflecteur. Comme cela est connu dans la technique, un rétro-réflecteur est un réflecteur ayant une configuration propre à rediriger un faisceau lumineux vers l'arrière selon son chemin d'incidence. L'ensemble rétro-ré- flecteur 20 comprend une bande rétro-réflectrice 22 et une pluralité d'éléments rétro-réflecteurs 24. Un ensemble de distribution et de détection de lumière 26 est placé au niveau d'un coin du logement ou cadre 12 et a une configuration propre à diriger la lumière dans la zone cible 14 et à recevoir la lumière qui en est réfléchie. Sous cet aspect, l'ensemble rétro-réflecteur est disposé de sorte que la bande rétroréflectrice 22 redivisera les faisceaux lumineux directement reçus à partir de l'ensemble de répartition et de détection 26, alors que les éléments rétro-réflecteurs 24 redirigent la lumière reçue au moyen du miroir 16. Comme cela a été complètement exposé dans la demande de brevet citée cidessus, l'agencement précédent permet une détection de la lumière réfléchie à partir de la zone cible de façon à fixer l'emplacement des objets situés dans la zone cible 14, par exemple des objets 28, 30 et 32. En bref, l'agencement des réflecteurs ou ensembles réflecteurs 16, 18 et 20 est tel qu'au moins deux faisceaux lumineux se déplaçant selon des trajets différents couperont chacun des objets 28, 30 et 32. En conséquence, une partie de détection de l'ensemble 26 détectera une diminution notable du niveau de la lumière réfléchie reçue selon chacun des ces deux trajets se coupant au niveau de l'un donné des objets 28, 30 et 32. En déterminant l'angle de chacun de ces deux trajets par rapport à une certaine référence fixe, alors l'emplacement de l'objet dans le plan de la zone cible 14 peut être déterminé. En se référant maintenant à la figure 2, un type particulier, indiqué à titre d'exemple, de l'ensemble de répartition et de détection de lumière 26 est représenté. Sous cet aspect, on notera que le logement ou cadre 12 comprend des éléments de cadre similaires avant et arrière 13 et 15, entre lesquels la zone cible 14 ainsi que des parties de l'appareil 26 sont situées. Dans le mode de réalisation représenté, l'ensemble de répartition et de détection de la lumière comprend une source lumineuse 40 qui prend de préférence la forme d'une lampe à incandescence. Toutefois, d'autres sources lumineuses peuvent être utilisées sans sortir de l'invention. La source lumineuse 40 est disposée pour diriger de la lumière de façon générale vers un moyen de réorientation de la lumière 42 qui peut de préférence comprendre une séparatrice pour rediriger la lumière vers la zone cible 14. Selon l'invention, un nouvel agencement de focalisation ou d'objectif 50 qui sera décrit plus en détail ci-après est de fagon avantageuse interposé entre la source lumineuse 40 et le moyen rétro-réflecteur ou moyen de réorienta- tion 42. La partie de détection de l'ensemble 26 comprend un dispositif détecteur photosensible 44 qui est représenté ici comme monté dans un bottier tournant 46 faisant partie d'un ensemble de balayage. Cet ensemble'de balayage comprend aussi un moteur 48 qui est monté pour faire tourner le bottier 46 et le détecteur 44 qui y sont montés entre les éléments de cadre 13 et 15 par rapport à la zone cible 1 Cette rotation amène les faisceaux lumineux à être détectés sur la zone cible à des angles variables comme cela est indiqué de façon générale sur la figure 1. Une structure d'objectif 52 est prévue pour recevoir des faisceaux lumineux réfléchis à partir de la zone cible 14 et rediriger ces faisceaux lumineux vers l'arrière vers le détecteur 44. D'autres agencements particuliers de l'ensemble de répartition et de détection de lumière 26 peuvent être utilisés sans sortir de l'invention. Selon l'invention, et comme le représentent les figures 3 à 5, le nouvel agencement d'objectif 50 a une configuration propre à diriger une quantité maximale de lumière à, partir de la source lumineuse ou lampe 40 vers la séparatrice ou autre moyen pour diriger la lumière vers la zone cible 14. Ainsi, quel que soit l'agencement particulier de l'ensemble de répartition et de détection de lumière 26 utilisé, l'agencement d'objectif 50 selon la présente invention a une configuration propre à assurer qu'une quantité maximale de lumière en provenance d'une source lumineuse arrive dans la zone cible. On notera que la zone cible 14 est relativement étroite dans un plan qui se trouve entre les éléments de cadre 13 et 15, et relativement large dans un autre plan qui est celui représenté sur la figure 1. En outre, on notera que la lumière en provenance de la source lumineuse ou lampe 40 prend de façon générale la forme de faisceaux lumineux divergents comme cela est indiqué par la référence numérique 60. Ainsi, il est difficile de rendre maximale la quantité de lumière qui atteint la zone cible. En consequence, l'agencement d'objectif 50 selon l'invention comprend un élément d'objectif unique et de préférence un corps d'objectif plein pour rediriger les faisceaux lumineux 60 qui divergent selon une configuration générale conique à partir de la source lumineuse ou lampe fixe 40. Cet élément d'objectif ou corps d'objectif plein a une configuration et une situation par rapport à la source lumineuse 40 propres à laisser passer les faisceaux divergents de lumière 60 au travers, sensiblement sans modifier les directions de faisceaux dans un premier plan comme cela est indiqué par les faisceaux émergents 62. Dans le mode de réalisation représenté, ce premier plan s'étend selon la dimension ou surface relativement la plus large 42a du moyen de réorienta- tion ou séparatrice 42. Cette surface 42a se trouve à son tour en travers du trajet lumineux et réfléchit la lumière dans le plan relativement plus large concerné de la zone cible 14, plan qui est représenté sur la figure 1. Au contraire, le coté aux dimensions relativement plus étroites du rétro-réflecteur 42b dirige le faiscau lumineux selon la dimension relativement plus étroite de la zone cible 14 entre les éléments de cadre 13 et 15. Le premier plan est un plan qui coupe l'objectif longitudinalement, comme cela est indiqué par la ligne 75 de la figure 4. Selon l'invention, l'élément d'objectif ou corps d'objectif plein 50 a en outre une configuration propre à rediriger d'autres parmi des faisceaux lumineux divergents 60 en provenance de la source lumineuse 42 en des faisceaux lumineux sensiblement parallèles comme cela estindiqué par la référence 64 sur la figure 4, tandis que ces faisceaux traversent l'élément d'objectif 50 et en sortent dans tout plan de coupe de celui-ci sensiblement perpendiculaire au premier plan. Sous cet aspect, le plan de coupe à travers l'objectif 50 représenté sur la figure 4 sera considére comme un tel plan de coupe. Ce qui précède sera plus facilement compris en considérant la forme géométrique ou configuration de l'élément d'objectif ou corps d'objectif plein 50. Comme le représentent les figures 3 à 5, l'élément d'objectif 50 a une forme propre à définir un segment correspondant à la moitié radialement externe d'un tore. En coupe, la moitié radialement externe d'un tore appa- rait sous forme de demi-cercle, par exemple tel que désigné de fa- çon générale par la référence numérique 66 sur la figure 4.Sous cet aspect, les faces de surface les plus extremes de l'objectif 50 sont également de façon générale des surfaces planes, semi-circu- laires, comme cela est indiqué par exemple par la référence numérique 68 enfigure 5. On notera que la séparatrice 42 est représentée auxfigures 3 et 4 quelque peu plus proche de l'ob- jectif 50 qu'à la figure 2 pour faciliter la description. Egalement, la direction d'observation sur la figure 4 est opposéeà celle de la figure 2. Plus particulièrement, comme on le voit mieux sur la figure 5 , la partie de la moitié radialement externe d'un tore défini par l'élément d'objectif est un segment qui sous-tend sensiblement un arc de 1200, c'est-à-dire le tiers d'un tore. Ainsi, l'arc mesuré entre la face d'extrémité 68 et la face d'extrémité opposée 70 de l'objectif, tel qu'on le voit sur la figure , mesurera sensiblement 120 . En conséquence, l'élément d'objectif a une surface interne sensiblement concave 72 qui a une courbure cylindrique et une surface externe convexe 74 qui présente une courbure toroIdale. Comme on le voit mieux aux figures 3 et 4, l'élément d'objectif est placé par rapport à la source lumineuse 40 de sorte que la surface interne 72 est relativement proche de la source lumineuse pour y recevoir les faisceaux lumineux divergents 60. Plus particulièrement, si un filament de la lampe peut être considéré comme une source ponctuelle 40a, ce point 40a est de préférence situé sensiblement au centre du tore défini par l'objectif 50. Ainsi, le premier plan 75 à travers l'élément d'objectif, comme on l'a mentionné ci- dessus, à travers lequel les faisceaux lumineux en provenance de la source lumineuse passent sans changer de direction, est un plan coupant l'objectif selon le diamètre du tore. En conséquence, tous les faisceaux lumineux se trouvant complètement dans ce plan 75 passent par l'objectif sans changer de direction. D'autre part, tous les faisceaux lumineux frappantlasurfaceinterne db l'objectif 72 à des angles d'incidence autres qu'un angle droit défini par les faisceaux dans le plan 75 ont leurs angles d'incidence non modifiés tandis qu'ils passent à travers l'objectif seulement dans un plan projeté sur le plan 75. Ces faisceaux sont par ailleurs redirigés comme cela est repré- senté sur la figure 4, dans un second plan orthogonal au plan 75 et forment une coupe à travers l'objectif dans un plan perpendicu- laire au plan 75 comme cela est représenté à la figure 4. Ainsi, les faisceaux 60 dans le plan de la figure 4 sont redirigés sous forme de faisceaux 64 qui sont tous parallèles les uns aux autres et se trouvent dans un plan qui est orthognonal au plan 75 qui forme également une section de l'objectif 50. Sous un autre aspect, les surfaces interne et externe 72 et 74 de l'objectif 50 se rejoignent selon les bords courbes opposés 80 et 82 de la surface interne 72. Chacun de ces bords 80 et 82 définit ainsi un segment d'une circonférence de la surface cylindrique définie par la surface interne 72. De façon très importante, ces deux bords ou lignes courbes 80 et 82 définissent chacun l'un d'une paire de plans parallèles et écartés, désignés à la figure 4 par les lignes 85 et 90. L'élément d'objectif 50 a en conséquence une configuration et une orientation par rapport à la source lumineuse 40 tellesque tous les faisceaux lumineux frappant la surface interne 72 sortent de la surface externe 74 parallèle- ment à,et entre, ces plans parallèles 80 et 82. Toutefois, les directions de ces faisceaux dans le plan 75 sont représentées comme cela est indiqué par la référence numérique 62 de la figure 3. Alors que des modes de réalisations particuliers de l'invention ont été représentés et décrits en détail, il sera clair pour l'homme de l'art, que des changements et variantes de la présente invention, dans ses divers aspects, pourront être faits sans sortir de l'invention sous son aspect le plus général, certains de ces changements et variantes ne relevant que de la 1 1 routine habituelle en ingénierie et conception et d'autres résultant seulement de quelques études. REVENDICATIONS 1. Agencement d'objectif destiné à être utilisé dans un appareil de répartition et de détection lumineuse pour rediriger des faisceaux lumineux à partir d'une source lumineuse fixe (40)qui divergent selon une configuration générale conique, caractérisé en ce qu'il comprend un élément d'objectif (50) ayant une configuration et un emplacement par rapport à la source lumineuse propres à laisser passer les faisceaux lumineux divergents (60) en provenance de la source lumineuse pratiquement sans changer la direction de ces faisceaux dans un premier plan et à rediriger ces faisceaux lumineux divergents en provenance de la source lumineuse en des faisceaux sensiblement parallèles tandis qu'ils passent à travers l'élément d'objectif selon tout plan en coupe à travers l'élément d'objectif sensiblement perpendiculaire audit premier plan. 2. Agencement d'objectif selon la revendication 1, caractérisé en qu'il a une forme propre à définir un segment de la moitié radialement externe d'un tore. 3. Agencement d'objectif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit segment défini par l'élément d'objectif comprend un segment qui sous-tend sensiblement 120 d'arc de la moitié radialement externe dudit tore. 4. Agencement d'objectif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une surface interne sensiblement concave (72) de courbure cylindrique d'un c8té et une surface convexe (74) d'une courbure toroîdale de l'autre côté. 5. Agencement d'objectif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est disposé de sorte que sa surface interne est à proximité de la source lumineuse et est sensiblement centrée par rapport à cette source lumineuse. 6. Agencement d'objectif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est placé par rapport à la source lumineuse de sorte que les faisceaux lumineux frappant la surface interne sensiblement perpendiculairement passent à travers l'élément d'objectif sans changer de direction et que les faisceaux lumineux qui frappent la surface interne selon d'autres angles d'incidence sont maintenus avec leur angle d'incidence tel que projeté sur ledit plan et sont autrement redirigés sous forme de faisceaux parallèles (64) dans un second plan qui est orthogonal audit premier plan et forme une coupe à travers l'élément d'objectif. 7. Agencement d'objectif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit premier plan comprend un plan coupant l'objectif selon un diamètre du tore. 8. Agencement d'ojectif selon la reventication 6, caractérisé en ce que ledit premier plan comprend un plan coupant l'objectif selon un diamètre dudit tore. 9. Agencement d'objectif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les surfaces interne et externe se rejoignent selon des bords courbes opposés (70, 74) de ladite surface interne, chacun des bords comprenant l'un d'une paire de segments espacés d'une circonférence ayant ladite courbure cylindrique définie par la surface interne, et chacun des bords courbes définissant un plan, ces plans étant parallèles et espacés, ledit élément d'objectif ayant une configuration et une orientation par rapport à la surface lumineuse telles que tous les faisceaux lumineux frappant ladite surface interne sortent de la surface externe parallèlement aux plans parallèles ainsi définis, et entre ces plans. 10. Elément d'objectif caractérisé en ce qu'il comprend un corps d'objectif plein définissant un segment de, la moitié ra- dialement externe d'un tore. 11. Elément d'objectif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit segment défini par le corps d'objectif plein comprend un segment qui sous-tend un arc égal sensiblement au tiers de la circonférence de ladite moitié radialement externe dudit tore. 12. Elément d'objectif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le corps d'objectif comprend une surface interne sensiblement concave de courbure cylindrique sur un premier côté et une surface convexe d'une courbure toroidale de l'autre côté. 13. Elément d'objectif selon la revendication 12 caractérisé en ce que lesdites surfaces interne et externe se rejoignent selon des bords courbes opposés de ladite surface interne, chacun des bords comprenant l'un d'une paire de segments espacés d'une circonférence de la courbure cylindrique définie par ladite surface interne et chacun des bords courbes définissant un plan, ces plans étant parallèles et espacés, ledit élément d'objectif ayant une configuration telle que tous les faisceaux lumineux frappant ladite surface interne sortent de ladite surface externe parallèlement aux plans parallèles ainsi définis et entre eux.