Brevet FR2650904A1 — publié le 19910215

L'invention concerne la réalisation d'un capteur optique susceptible de mesurer avec une grande fréquence et avec précision la position d'une ou plusieurs sources lumineuses ponctuelles situées dans le champ optique du capteur et donc de mesurer la position et le déplacement à chaque instant d'un mobile support de cette ou de ces sour ces lumineuses. Un tel capteur permet notamment de mesurer la position et les déplacements d'une extrémité de stylomunie d'une source lumineuse À proximité de lapointe d'écriture Dans ce cadre l'application est la lecture de l'écriture manuscrite en temps réel , I' enregistrement a l'interprétation sont effectues an moyen d'unlogiciel traitant les trajectoires et les vitesses du stylo mesuré par le système. Une autre application d'un tel système concerne une interface utilisateur - système informatique permettant à l'utilisateur en maniant le stylo ou toute autre source ponctuelle de lumière de commander des processus graphiquement et en temps réel. Ce système est utile aux programmes de jeux, aux logiciels de C.A.O. et à certains logiciels de simulation. Des systèmes de reconnaisance d'écriture en temps réels ont été développés, utilisant des combinaisons de moyens optiques , mécaniques et électroniques. Citons pour memoire le brevet US 3182291 du 4 mai 65 "Utensil for writing and simultaneously recognising the ivritten symbols" qui detecte les mouvement du stylo devant deux sources de lumières à par des variations relatives des intensitées lumineuses emises par les deux sources, recues sur le stylo.Le brevet US 4241409 du 23 décembre 1980 " Hand held pen-size calculator " mesure les efforts appliqués sur la mine en cours d'écriture et les interprète. Le brevet FR 8208634 de M.Sérina décrit un stylo détectant optiquement la direction du dernier segment écrit. Un manque de performances apparait, seule une mesure instantanée et précise de la position de la pointe d'écriture permet une mesure suffisante et exploitable. Description des planches. -En figure 1, schéma de principe de la géométrie du capteur - Enfigure 2, géométrie avec miroir et superposition des images -En figure 3, description d'un recepteur optique - Enfigure 4, courbe de luminosité sur lerécepteur enprésence d'une source lumineuseponctuelle. -En figure 5, traitement du signal du recepteur optique pour extraire la coordonnée de l'image de la sour ce lumineuse. -Enfigure 6, Description d'un exemple de l'organigramme del'electronique de traitement -En figure 7, Exemple de réalisation d'un stylo, de sa sour ce de lumiè de lumière ponctuelle a du contacteur par pression Suivant l'invention le capteur optique mesure la position instantanee d'une source lumineuseponctuelle 10 danssoncha:npoptiqueobjet: voir figure 1. Le champ optique objet C du capteur est dans un plan P, c'est l'intersection des champs optiques des recepteurs optiques 11 et 12:des secteurs angulaires plans de sommets 11 et 12 et d'angles non spécifiques. C est la zone d'écriture où la position d'une source lumineuse peut Are mesurée1 elle est hachurée. . Le plan P est parallèle au support de l'écriture : le contour d'une feuille est représenté en pointillés. Dans le secteur plan les coordonnées sont mesurées par rapport à un système de deux axes x, y liés au capteur. Les récepteurs optiques 11 et 12 ont des axes de symétries O1 et O2, appelés axes optiques. C est par rapport à ces axes optiques que que les angles a 1 et a 2 des directions relatives de la source 10 sont définis .La relation mathématique entre les angles a 1 et a 2 et les coordonnées cartésiennes x, y de la lumière est univoque et son expression n'apporte rien a la clarté de la description. La mesure des angles a 1 et a 2 permet donc celles des coordonnées x,y de lasource 10. Chacun des récepteurs optiques est muni d'une lentille permettant de conjuguer leur secteurs angulaires plans respectifs à leurs images respectives sur des supports plans 13 et 14 proches des foyers desdites lentilles. Les images sont des segments dans le plan P contenant les foyers des lentilles. L'image de la lumière est 'ne tache lumineuse sur le segment.Les angles ai a et a2 se calculent à partir des abcisses X1 et X2 des taches lumineuses sur le segment, par x1=F tang a 1 et x2=F tang a 2. En figure 2 suivant une projection horizontale en A et verticale en B est représentée une autre géométrie permettant par quatre miroirs 20 , 21, 22 a 23 de devier les angles d'ouveltures et par deux lentilles 26 et 27 de superposer les segments images sur un même support plan 28. Le système ne nécéssite alors qu'un recepteur optique en 28.Ainsi, une lumière 10 dans le secteur C est associée à deux angles al et a2 commeprécédemment et à deux images sur le segment d'abcisses x1=F tang (a1-a0) et x2=F tang (a2-a0) Il est possible de dissocier les deux taches lumineuses images en interposant sur les trajets optiques deux cellules planes à cristaux liquides 24 a 25 qui interompent alternativementles ttajets droit a gauche. Ainsi les images dela sourte lumineuse 10 sont alternativement mesurées en x1 et x2. Toute autre géométrie de système optique comportant une multiplicité de lentilles et de miroir susceptible de superposer lesimages sur un segment unique peut également étre mise en ceuvre, nous ne les décrirons pas toutes. Lerecepteur optique est décrit plus précisérment en figure 3. Il comporte une lentille 30. un capteur opto-électronique 31 dans le plan contenant l'image du point de Cle plus eloigné et perpendicularie è l'axe O de la lentille. Le capteur opto-électronique est un capteur linéaire, une barrette CCD par exemple permettant une mesure échantillonée de l'intensité lumineuse sur le segment image ; ou un recepteur linéaire , permettant une mesure continue de l'intensité lumineuse sur le segment image. Nous allons décrire le fonctionement échantilloné d'une barrette CCD le mèmetype de traitement s'appliquera continuement à un recepteur linéaire. La baryte CCD est constitoée d'une multiplicité den dio des receptrices accoléesémettant à fréquencefixe un train den signaux électriques respectivement proportionnels à la quantité de lumièrereçue pendant une période par chacune des diodes. On ne représente pas le système optique avec superposition des segments images. Il comporte deux lentilles, deux miroirs et une barrette CCD ou un recepteur linéaire suivant la géométrie de la figure 2 En figure 4 le -il de la luminosité sur le segment image met en évIdence unpic à l'abcisse x correspondant à l'angle a tel que F tg a=x de la source lumineuse. Le sommet de ce pic correspond à l'abcisse exacte de lalumière ,il est détecté par la diode Nde la CCD. Le signal n dans le train de signaux atteint un maximum correspondant à l'abcisse x du pic lumineux.Une simple detection de maximum de la luminosité permet donc d'enregistrer l'adresse de la diode illuminée ,d'en déduire l'abcssse de l'image de la source lumineuse, et de calculer l'angle a de la source lumineuse. Deux recepteurs optiques perznetnt donc de mesurer pour une source unique 10 deux angles a1 et a2 et de calculer la position de la source lumineuse danslazone C. Le traitement auquel est soumis le signal continu d'un recepteur linéaire est similaire, il consiste à calculer la phase de l'impulsion correspondant à l'image de la source lumineuse par rapport à la commande de synchronisation de début de signal . Cette phase est alors proportionnelle àl'abcissexmesnrée. L'inconvénient d'une simple détection de maximum dans la courbe d'échantllonage de la luminosité est qu'une telle détection est facilement bruitée, ce qui déplace aléatoirement la position apparente de l'image que d'autre part l'image de lasonrce lumineuse s'étale sur un grand nombre de diodes contigües car le systèmen' est pasfocalise, ce qui réduit la sensibilité de la détection, et enfin qu'il est difficile par une telle méthode de mesurer plusieurs maxima sur un même echantillonage . Pour ces raisons nous proposons un exemple de traitement de signal de CCD et un exemple d'électronique pour effectuer ledittraitement. Cetraitement consiste à convoluer simultanément le signal échantillonéreprésenté en a figure 5 par toris signaux b, c, d, en temps réel. Les trois signaux sont à des fréquences de base multiples . Les trois signaux convolués admettent des maxima qui. sont moins sensibles aux bruits ,l'effet de l'étalement de la tâche lumineuse est compensé : b filtre une tâche lumineuse étroite ,c une tache moyenne ,d une large; et enfin ,il est possible de détecter plusieurs maxima d'un meme échantillonage convole ce qui permet la mesure de plusieurs abscisses. Les courbes B et C représentent les résultats de convolution par les fonction b etc de courbes d'intensités lumineuses bruitées correspondant à des taches lumineuses respectivement étroites ,moyennes alarges. Ces courbes de convolution apparaissent moins bruitées, le maximum correspondant pourle filtre de largeur adéquatearabcisserecherchee. En figure 6, on donne un exemple d'o@ganigramme de l'électronique de traitement en temps réel du signal émis par la CCD ,dontla sortie S est un ensemble d'adresses de maxima des échantillonages convolués par les courbes b , c, et d respectivements. Ces adresses sont interpetees par un calculateur qui en déduit la position de la ou des sources lumineuses. L'organigramme comporte une barrette CCD , synchronisée par une horloge H et un compteur C qui commande le début d'échantillanage. Le signal de sortie de CCD est converti par un convertisseur analogique numérique CANsynchronisé avec la CCD; il génère des mots de k bits à la fréquence de l'horloge, c'est le signal lumineux échantilloné. Chaque mot parcourt une série de 1 mémoires volatiles L respectivement qu constituent un registre à décalage, I étant la largeur du filtre d en nombre de signaux .Pour le schéma présenté on a par par exemple 1=81. A chaque période une série d'additions et de soustractions de mots est effectuée, ces mots sont acquis en sortie de quelques mémoires L du registre et le résultat de cette sommation est la convolution du signal échaniilloné å la période donnée , par la fonction définie par les opérations effectuées surIes différents mots. Ala période suivante le registre est décalé et le résultat des opérations est la valeur suivante de la convolution. Une fonction de convolution étant la sommede groupes de mots qui se suivent, cette somme est renouvelée 9 chaque décalage des mots en ajoutant à sa dernière valeur connue le dernier mot du groupe et en soustrayant le premier. En procédant ainsi, on obeient en B, C, D les résultats de convolutions pour les trois filtres . Le maximum des trois convolutions est calculé et comparé au précédant maximum. L'adresse de chaque nouveau maximum supérieur au précédant est stocké dans le registre S. L'adresse finale stockée quand tons les mots ont été convolués donne l'abcisse et l'angle réels dela source lumineuse. En figure 7 est décrit un exemple de stylo muni de la source lumineuse détectée. Ce stylo permet une écriture normale sur papier. La source lumineuse n' est allumée que pendant le contact de la mine avec le papier. Ainsi la trajectoire mesurée par le capteur reproduit exactement l'écriture sur le papier et l'interruption ou tracé s'accompagne de l'extinction de la source lumineuse. Le stylo comporte une source lumineuse 71, une mini diode luminescente infrarouge par exemple une mine de type stylo bille n munie de sa réserve d'encre, dont l'extrémité métallique est connectée à une pile 73.L'autre broche de la pile est connectée à lentrée de la diode émettrice. Lasottie de diode est connectée à un contacteur 74 que touche la mine quand celle ci appuie sur le papier et se déforme de manière élastique. Le contacteur 74 et la mine métalliques tiennent donc lieu de contacteur par pression. Une linge lame ressort75maintientle circuit ou vert et la lumière éteinte quand le papier n'appuie pas sur la mine . Suivant l'invention la pile pont etre rechargeable, le circuitmuni d'un dispositif de régulation du courant traversant la diode et le dispositif contacteur peuvent être de toute autre nature. La source lumineuse peut ne pas être une diode. Suivant un mode de realisation non exclusif, le capteur comporte un calculateur programmé pour la reconnaissance des caractères manuscrits mesurés et la transmission de L'écriture en caracteres informatiques notamment ascii. Revendications 1 )Capteur d'ecriture manuscrite constitué - d'une source lumineuse ponctuelle mobile associée a - un capteur de mesure muni - de deux capteurs optiques mesurant chacun une coordonnee angulaire dans un plan commun aux-dits capteurs optiques d'une source lumineuse ponctuelle, permettant atout instant la mesure des deux coordonnées de ladite source lumineuse mobile dans ledit plan lié au-dit capteur de mesure et -muni de l'electronique de traitement. 2 ) Captent de mesure suivant la revendication 1 caractérise en ce que les deux dits capteurs optiques mesurent l'abcisse de la tache lumineuse image conjuguée de ladite source lumineuse mobile a travers une optique de conjugaison sur un segment image dudit plan. 3e) Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caracterise en ce que le dit segment est physiquement constitue d'une barrette CCD c'est a dire dlunreseau d'unemultiplicites de diodes electro-optique accolees delisuant des charges electriques respectivement proportionelles a l'intensiteiumineusereçuependantune durcie définie 4 ) Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caracterise en ce que le dit segment est physiquement contttitue d'une barrette lineaire àtransfertde charge continu. 5Q) Capteur optique suivant les revendications 1 et 5, 3 ou 4 caractérise en ce qu'il comporte une combinaison de miroirs et de lentilles permettant de superposer les deux images de la source lumineuse sur une barrette unique et d'effectuer les mesures des deux angles sur une barrette unique: les-dites images pouvant être dissociée par l'interposition sur les trajets optiques d'attenuateurs lumineux à cristaux liquides. 6") Dispositif electronique de filtrage du signal de la CCD ou de la barrette à transfert de charge associe au capteur suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce qu'il realise une convolution du signal emis par la barrette CCD parune ou plusieurs fonctions tests pour obtenir une mesure plus precise de l'abaisse de l'image de la source lumineuse et une détection au rapport signal sur bruit améliore. 7") Capteur suivanttoute les revendications precédentes caracterisé en ce qu'il comporte un calculateur porgrammé pour la reconnaissance des caractéres manuscrits mesurés et la transmission del 'écriture encaracteresinformatiquesnotammentascii . 8') Stylo comportant une source lumineuse ponctuelle suivant la revendication 1 caracterisé en ce qu'il est muni d'une batterie rechargeable et d'un contacteur par pression qui permet d'alimenter encourant la source lumineuse quand le stylo écrit. 9e) Capteur d'écriture manuscrite caractérisé en ce qu'il associe un captent suivant les revendications 1, 2 et 3 ou 4 etun stylo suivant larevendication 8