Brevet FR2896595A1 — publié le 20070727

" Système et procédé de mesure capacitive à résolution spatiale variable." La présente invention se rapporte à un système et un procédé de mesure capacitive permettant de détecter la proximité d'un objet. La présente invention trouve une application particulièrement intéressante dans des domaines où un équipement est en mouvement à proximité d'un objet ou d'une personne. Elle permet alors de détecter la io présence ou de mesurer la distance de l'objet ou de la personne. Dans de nombreuses applications médicales, qu'il s'agisse d'applications de radiologies ou d'imagerie ou d'applications de traitement médical ou chirurgical, il est essentiel de pouvoir fournir à l'opérateur d'un équipement ou de systèmes de contrôle automatisés, des informations de 15 positionnement aussi précises que possible. A titre d'exemple, pour des applications de radiologie par rayons X, une connaissance fine de la position en temps réel d'un équipement de radiologie par rapport à un patient et à son environnement matériel immédiat permettrait d'accroître la vitesse de la machine, d'améliorer la sécurité, et de 20 minimiser le temps d'exposition aux rayons X. On souhaite actuellement augmenter la vitesse des mouvements des positionneurs vasculaires. Aujourd'hui les vitesses angulaires sont faibles et les mouvements sont arrêtés quand le détecteur ou le tube arrive au contact du patient ou d'une autre partie de l'équipement. L'augmentation de la 25 vitesse n'est possible que si le détecteur ralentit avant d'arriver au contact, grâce à un capteur anti-collision sans contact. On connaît le document WO 2004/023067, dans lequel est décrit un détecteur de proximité par capteurs capacitifs. Ce système comprend une antenne composée de plusieurs électrodes. La proximité d'un objet ou d'une 30 personne agit sur la capacité relative entre chaque électrode et l'objet ou la personne. Les électrodes sont scrutées de manière séquentielle de façon à mesurer la capacité vue par chaque électrode. On connaît le document US 5,651,044 (Klotz et al. / General Electric), qui divulgue un détecteur capacitif de proximité prévu pour commander la - 2 position d'un imageur à rayonnement. Ce détecteur comporte plusieurs électrodes qui sont commandées sélectivement afin d'apprécier la distance entre le détecteur et l'imageur. Toutefois, ce détecteur ne permet pas de réaliser des mesures de précision, notamment de l'ordre du 0,1 à 1 % de l'étendue de mesure. La présente invention a pour but un nouveau système de mesure capacitive dans lequel l'antenne est optimisée en fonction de la distance de l'objet. Un autre but de l'invention est la conception d'un capteur capacitif Io adaptatif. L'invention a encore pour but un système de mesure rapide et de grande précision. On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un système de mesure capacitive comprenant un capteur capacitif composé d'une pluralité d'électrodes segmentées, caractérisé en ce qu'il comprend : 15 -au moins une garde pour rendre négligeable l'ensemble des capacités parasites (capacités de fuite); des moyens de sélection desdites électrodes; et - une unité de commande pour commander les moyens de sélection de façon à modifier la résolution spatiale du capteur capacitif en 20 sélectionnant chaque électrode de façon individuelle ou par groupes d'électrodes. Avec le système selon l'invention, on adapte la résolution spatiale, c'est-à-dire la surface de mesure, et la portée du capteur capacitif en fonction de la distance de l'objet. Les moyens de sélection peuvent être des 25 interrupteurs électroniques qui sont reliés aux électrodes. Ces interrupteurs sont pilotés par l'unité de commande de façon à sélectionner chacune des électrodes de manière séquentielle ou par groupe. Le système selon la présente invention permet la mesure de déplacement, de distance et de la métrologie dimensionnelle, et plus 30 généralement des équipements d'instrumentation mettant en oeuvre des mesures capacitives. En métrologie capacitive notamment, les capacités à mesurer sont en général de très faible valeur et pour obtenir des mesures précises, il est nécessaire de minimiser les capacités parasites liées à la liaison entre le - 3 capteur et l'électronique et à l'étage d'entrée de cette électronique. Avec le système selon l'invention, la mesure est de grande précision puisqu'on utilise une garde qui rend négligeable, c'est à dire réduit au niveau du bruit, les capacités parasites. Pour ce faire, on peut utiliser une électronique alimentée par une source de tension continue flottante à haut isolement électrique résistif et capacitif par rapport à la terre, l'ensemble étant inclus dans une garde portée au potentiel de la garde des électrodes. Cette électronique utilise un amplificateur de charge comme étage d'entrée, une excitation sinusoïdale ou carrée, un démodulateur synchrone et un modulateur afin d'effectuer une mesure de capacité ou une mesure de l'inverse de capacité, conformément au document FR2756048. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la segmentation du capteur capacitif en plusieurs groupes d'électrodes est réalisée de façon automatique en fonction de la distance de l'objet. Le système selon l'invention est une sorte de caméra 3D de faible portée, quelques mm à 1 m, avec les avantages de la technologie capacitive, c'est à dire différentes formes, une mesure possible à travers différents matériaux diélectriques comme le bois, le plastique,... Pour une bonne résolution spatiale, le capteur capacitif selon l'invention peut comprendre un grand nombre d'électrodes, typiquement quelque dizaines à quelques milliers, chaque électrode constituant un point élémentaire de type pixel. Dans ces conditions, la caméra 3D possède des pixels à géométrie variable afin d'optimiser la portée en distance et la résolution spatiale c'est-à-dire le nombre de pixels sur une surface donnée. Les signaux provenant de chaque électrode ou groupe d'électrodes sont traités par l'unité de commande de façon à élaborer des images. Selon un mode de réalisation de l'invention, le capteur capacitif est de type à pont flottant ou à excitation flottante. Plus précisément, chaque capteur capacitif peut être doté d'un pont capacitif flottant ou à excitation flottante coopérant avec des moyens de scrutation pour mesurer les capacitances respectives entre les électrodes et l'objet. Le pont capacitif flottant peut avantageusement être du type divulgué dans le document FR2756048 ou WO 2004/023067. - 4- Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de mesure capacitive permettant de détecter la proximité d'un objet, ce procédé étant mis en oeuvre dans un système tel que décrit ci-dessus. Selon l'invention, on commande le capteur capacitif composé d'une pluralité d'électrodes segmentées de telle sorte que : - lorsque ledit objet s'éloigne du capteur capacitif, on regroupe plusieurs électrodes entre elles de façon à constituer un capteur capacitif de grande portée, - lorsque ledit objet se rapproche du capteur capacitif, on io segmente les électrodes de façon à constituer un capteur capacitif de grande résolution spatiale. Lorsque l'objet est distant, typiquement de l'ordre du mètre, on peut regrouper les électrodes de façon à constituer une électrode unique. En d'autres termes notamment, lorsque l'on souhaite détecter la 15 présence ou mesurer la distance d'un objet se trouvant loin du capteur capacitif, des moyens électroniques peuvent relier entre elles toutes les électrodes afin de créer une grande électrode unique qui pourra avoir une portée maximale mais une résolution spatiale faible. Puis, lorsque l'objet cible se rapproche du capteur, les moyens électroniques segmentent l'électrode en 20 plusieurs électrodes plus petites, par exemple en quatre pour avoir une forme carrée. Cette segmentation peut être automatique ou manuelle, par mesure de la distance par exemple. Dans ces conditions, la résolution spatiale est améliorée mais la distance maximale est réduite. La segmentation peut être réalisée une multitude de fois. 25 Plus précisément, l'étape de segmentation consiste à former plusieurs groupes d'électrodes liées; chaque groupe obtenu étant de taille inférieure ou égale à la taille du groupe d'origine. Pour réaliser une mesure, on peut alors sélectionner les électrodes par groupe. L'étape de segmentation peut aussi consister à séparer chaque 30 électrode. Pour réaliser une mesure, on sélectionne alors les électrodes de manière séquentielle, individuellement. Selon l'invention, on regroupe des électrodes de façon à constituer une forme géométrique prédéterminée. Le système peut être commandé de façon à ce qu'un ensemble d'électrodes soient reliées entre elles de façon à - 5 constituer la forme d'un objet donné. Par exemple, lorsqu'on souhaite détecter, identifier ou imager une jambe, on peut commander le système de façon à constituer un "I" (ou un trait) en regroupant plusieurs électrodes. Le système n'est ainsi sensible qu'à un type de forme. Selon un mode de mise en oeuvre avantageux, lorsque l'objet est proche, on réalise une topographie de la surface de l'objet. Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé des applications telles que : application du système pour la réalisation d'imagerie 3D; to application du système pour la biométrie utilisée pour l'authentification ou l'identification de personnes; û application du système pour une reconnaissance automatique de formes; - application du système pour un positionnement automatique d'un 15 robot médical par reconnaissance des parties du patient et positionnement de ces parties dans l'espace. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement 20 limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 est une vue synoptique schématique d'un capteur capacitif distant par rapport à un patient; - La figure 2 est une vue synoptique schématique du capteur capacitif de la figure 1 se rapprochant du patient; 25 - La figure 3 est une vue synoptique schématique du capteur capacitif de la figure 1 disposé proche du patient; - La figure 4 illustre la structure d'un système de mesure comprenant un capteur capacitif selon l'invention; et - La figure 5 illustre un exemple de réalisation d'un capteur capacitif 30 selon l'invention sous la forme d'un circuit souple. Sur la figure 1 est représenté un exemple de mise en oeuvre du système selon l'invention dans une machine de radiologie X (non représenté), pour un positionneur vasculaire. - 6 La machine de radiologie comprend au moins un capteur capacitif 1 selon l'invention. Ce capteur capacitif 1 est mobile par rapport à un patient 2 allongé sur une table d'examen 3. Le capteur capacitif est de préférence solidaire d'une caméra X ou d'une source de rayons X non représentée. Le capteur capacitif peut être traversé par le rayon X et quasiment transparent à ces rayons. Selon l'invention, ce capteur capacitif 1 est composé d'une pluralité d'électrodes segmentées Ei,j disposées sur la face externe du capteur capacitif face au patient. Les électrodes Ei,j sont commandées de telle sorte que lorsque le to capteur capacitif 1 est loin du patient comme sur la figure 1, le capteur capacitif 1 forme une grande électrode unique 4 présentant une portée maximale. On peut alors réaliser efficacement des mesures de la distance et de détection de présence. Dans ces conditions, la résolution spatiale est dégradée puisque la surface élémentaire du capteur capacitif est en fait la 15 somme des surfaces des électrodes. Mais cela n'est pas gênant comme le patient est lointain. Par contre, comme représenté sur la figure 2, lorsque le capteur capacitif, a fortiori la caméra X, se rapproche du patient, les moyens de commande segmentent alors le capteur capacitif 1 en fonction de la distance 20 entre ce capteur capacitif et le patient. De préférence, le système réagit de façon quasi linéaire, c'est à dire qu'on réalise plusieurs segmentations, chaque segmentation correspondant à une distance prédéterminée. Cette opération de segmentation est réalisée de façon automatique en fonction de la distance. Sur la figure 2, par exemple, on réalise une segmentation en 25 quatre groupes d'électrodes 5, 6, 7 et 8. Chaque groupe présente évidemment une surface plus petite que la surface présentée par l'électrode unique 4. La résolution spatiale s'améliore tandis que la portée diminue. Dans ces conditions, lors d'une mesure, on sélectionne les électrodes par groupes et non pas de manière individuelle et séquentielle. On tient donc compte de la 30 charge capacitive de chaque groupe d'électrodes. Enfin, lorsque le capteur capacitif est très proche du patient, de l'ordre de quelques centimètres à quelques millimètres, comme représenté sur la figure 3, on segmente complètement le capteur capacitif 1 en les individualisant. Chaque électrode peut donc être sélectionnée - 7- individuellement lors d'une mesure. On peut mesurer par exemple une distance successivement sur chaque électrode selon un ordre donné. En particulier, on réalise une mesure en sélectionnant séquentiellement chaque électrode du capteur capacitif 1. Ainsi, la résolution spatiale est maximale et la portée est faible. Il est alors possible de réaliser une topographie de la surface du patient. Le capteur capacitif selon l'invention est assimilable à une caméra permettant d'acquérir des données tridimensionnelles et donc de réaliser une profilométrie ou une cartographie d'un objet. Par ses fonctions de détecteur de proximité, le capteur mesure la distance de l'objet par rapport to audit capteur. Lorsque l'objet est suffisamment proche pour réaliser des mesures, on scinde les électrodes pour augmenter la résolution. Chaque électrode est un pixel. Les données de chaque pixel permettent de constituer une image statique ou dynamique lorsque la caméra (ledit capteur) est en mouvement. La vitesse d'acquisition d'images peut être rapide de l'ordre de 15 20 images par seconde, il s'agit d'un film vidéo. On peut utiliser cette caméra 3D pour obtenir un profil 3D complet d'un patient. Pour ce faire, le patient étant de taille supérieure à l'objectif de la caméra (surface totale des électrodes), on réalise plusieurs images haute résolution de chaque partir du patient. Ces images sont partiellement 20 recouvertes. On réalise ensuite un recollement d'images par des procédés conventionnels de façon à reconstituer une image du patient en entier. On peut ensuite reconnaître les différentes parties du patient : reconnaissance automatique de formes telles que la tête, les mains, le thorax,... Ces informations ainsi que les coordonnées de chaque partie dans l'espace sont 25 sauvegardées dans l'unité de commande. Puis, lorsque l'utilisateur souhaite acquérir à nouveau une image sur une partie du patient, par exemple la tête, il lui suffit d'indiquer à l'unité de commande "acquisition tête". Le capteur ou caméra 3D se positionne donc automatiquement sur la tête à l'aide des informations sauvegardées. La caméra devient autonome. 30 On peut également utiliser cette caméra 3D pour réaliser de la biométrie : reconnaissance automatique de formes, d'une main par exemple, afin de contrôler l'accès de personnes à des sites donnés tels que les aéroports, bâtiment sous surveillance,... - 8 Une chaîne de commande du capteur capacitif 1 est illustrée sur la figure 4. Le capteur capacitif 1 selon l'invention est relié via un câble de liaison souple CL à une carte électronique 60 incluant un multiplexeur analogique permettant une scrutation d'entrée, un pont flottant capacitif multivoies à garde mettant en oeuvre une technologie divulguée dans le document FR2756048, un module de conversion analogique/numérique, et un module numérique de calcul des distances, de contrôle de bon fonctionnement et de communication avec le système SI d'information et de commande de la machine équipée d'un capteur capacitif 1. Avantageusement, la carte électronique 60 comprend une matrice d'interrupteurs électroniques 9 commandée par les moyens de commande SI. Cette matrice 9 permet de réaliser des segmentations en formant des groupes d'électrodes. Les interrupteurs permettent de relier des électrodes d'un même groupe entre elles. La figure 5 illustre un exemple de réalisation d'un capteur capacitif 1 sous la forme d'un circuit souple. Ce capteur capacitif peut être réalisé suivant une technique multicouche, comme l'illustre schématiquement la figure 5. Ainsi, on peut utiliser un circuit imprimé souple 50 composé d'un isolant I métallisé sur ses deux faces d'une couche mince d'aluminium et de cuivre Cu des pistes de liaison, des électrodes capacitives Ca , une piste de test P, et une garde G. L'aluminium, utilisé sur la surface traversée par le faisceau X, a l'avantage d'être très peu absorbant des rayons X. Le cuivre est utilisées sur la surface qui se trouve en dehors du faisceau X afin de ne pas perturber l'image X. Une couche conductrice G de garde et sont réalisées suivant un processus industriel utilisant des circuits souples multi-couches, qui possèdent sur un support polyimide ou tout autre type de polymère une couche mince métallique. Ce processus industriel est maîtrisé par les fabricants de circuits souples. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Plus généralement, des systèmes de mesure capacitive selon l'invention peuvent être mis en oeuvre dans toute application industrielle, lorsqu'il s'agit de détecter des - 9 formes complexes ou une présence. On peut ainsi prévoir des systèmes de mesure selon l'invention équipant des robots mobiles ou des véhicules de transport, pour améliorer la sécurité autour de ces équipements. Des systèmes de mesure selon l'invention peuvent aussi être mis en oeuvre dans des dispositifs anti-effraction, dans des dispositifs anti-collision ou de reconnaissance de forme ou d'objet. REVENDICATIONS 1. Système de mesure capacitive comprenant un capteur capacitif composé d'une pluralité d'électrodes segmentées, caractérisé en ce qu'il 5 comprend : - au moins une garde pour rendre négligeable les capacités parasites; - des moyens de sélection desdites électrodes; et - une unité de commande pour commander les moyens de sélection de façon à modifier la résolution spatiale du capteur capacitif en io sélectionnant chaque électrode de façon individuelle ou par groupes d'électrodes. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de commande est agencée pour réaliser une segmentation du capteur capacitif 15 en plusieurs groupes d'électrodes, de façon automatique en fonction de la distance de l'objet. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de sélection comprennent des interrupteurs électroniques. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur capacitif comprend un grand nombre d'électrodes. 25 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur capacitif est de type à pont flottant ou à excitation flottante. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, 30 caractérisé en ce que l'unité de commande comprend des moyens traitement pour élaborer une image 3D à partir des données provenant des électrodes. 20 30- 11- 7. Procédé de mesure capacitive permettant de détecter la proximité d'un objet, ce procédé étant mis en oeuvre dans un système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on commande un capteur capacitif composé d'une pluralité d'électrodes segmentées de telle sorte que : - lorsque ledit objet s'éloigne du capteur capacitif, on regroupe plusieurs électrodes entre elles de façon à constituer un capteur capacitif de grande portée, - lorsque ledit objet se rapproche du capteur capacitif, on segmente 10 les électrodes de façon à constituer un capteur capacitif de grande résolution spatiale. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que lorsque l'objet est distant, on regroupe les électrodes de façon à constituer une électrode 15 unique. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la segmentation est réalisée de façon automatique en fonction de la distance de l'objet par rapport au capteur capacitif. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'étape de segmentation consiste à former plusieurs groupes d'électrodes liées. 25 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, pour réaliser une mesure, on sélectionne les électrodes par groupe. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que l'étape de segmentation consiste à séparer chaque électrode. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, pour réaliser une mesure, on sélectionne les électrodes de manière séquentielle. 20- 12 - 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que lorsque l'objet est proche, on réalise une topographie de la surface de l'objet. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 14, caractérisé en ce que l'on regroupe des électrodes de façon à constituer une forme géométrique prédéterminée. 16. Application du système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 io pour la réalisation d'imagerie 3D. 17. Application du système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour la biométrie. (pour authentification ou identification de personnes) 15 18. Application du système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour une reconnaissance automatique de formes. 19. Application du système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 pour un positionnement automatique d'un robot médical. (par reconnaissance 20 des parties du patient et le positionnement de ces parties dans l'espace)