Technique d’illumination

Le choix d’une technique d’illumination est déterminant puisqu’il influence considérablement le type d’écran, de caméra et de matériaux utilisés. Nous présentions au chapitre III - 2.2. les différentes solutions qui ont retenu notre attention. Afin d’évaluer ces différentes techniques d’illumination et pour désigner celle qui correspondait le plus à nos besoins, nous avons fabriqué des dispositifs miniatures, d’une surface de 29,7 x 42cm, pour valider leurs défauts et leurs qualités. Voici les résultats de cette étude :

L’illumination par réflexion totale frustrée - FTIR (principe décrit Chapitre III - 2.2.)

Popularisée par les travaux de recherche de Jeff Han¹⁹⁵, cette technique nous a séduit car elle était peu encombrante et tenait la promesse, contrairement aux autres techniques d’illumination, de permettre une illumination du doigt uniquement lorsque celui-ci entre réellement en contact avec la surface. Les tests que nous avons réalisés, avec le concours d’un ingénieur en électronique, nous ont permis d’accéder à de très bons résultats, en termes de luminosité et de contraste, en complétant les caractéristiques techniques définies par Jeff Han :

- La plaque d’acrylique ne peut être inférieure à 6mm et doit avoir les tranches polies, - Il est indispensable de masquer les bords de l’écran, là où sont placés les diodes

électroluminescentes, afin d’éviter toute fuite de lumière,

- La longueur d’onde de lumière, émise par les diodes, donne de meilleurs résultats lorsqu’elle est située entre 780 et 850nm,

- Pour la diode, une intensité radiante supérieure à 120 mW est préférable,

- Utiliser les diodes en lumière pulsée permet d’augmenter la luminosité et la portée de l’illumination,

- L’angle d’émission des diodes doit être situé entre 96° et 120° pour assurer le bon fonctionnement du principe de réflexion totale frustrée,

- Plus la surface à couvrir est grande et plus les diodes doivent être proches les unes des autres.

Malgré les bons résultats obtenus avec ces réglages, nous avons été confrontés à un problème assez ennuyeux puisque nous nous sommes rendu compte que le principe de réflexion totale frustrée fonctionnait considérablement moins bien lorsque l’utilisateur avait les doigts très secs. Une solution existait à ce problème, consistant à recouvrir la surface en polycarbonate d’une couche intermédiaire, une surface de médiation (compliant surface), en silicone ou toute autre matière permettant de provoquer le principe de réflexion totale frustrée. Toutefois, la taille considérable de l’écran que nous devions couvrir et les difficultés

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HAN Jefferson Y. Low-cost multi-touch sensing through frustrated total internal reflection. In Proceedings of

the 18th annual ACM symposium on User interface software and technology (UIST '05). ACM, New York, USA,

techniques de l’application de la surface de médiation, nous ont découragé de poursuivre dans cette direction.

Plan de lumière laser - LLP (principe décrit Chapitre III - 2.2.)

Cette technique d’illumination nous a également séduits car elle est peu encombrante et elle permet de couvrir de grandes surfaces. De plus, la bande passante du spectre lumineux étant très faible puisque l’illumination se fait grâce à des lasers, cela augmente l’efficacité de la détection des points de contact tout en diminuant l’influence des interférences lumineuses. Toutefois, deux facteurs nous ont contraints de mettre de côté cette solution. D’une part, afin de créer un plan de lumière homogène sur l’ensemble de la surface à couvrir, les tests que nous avons menés ont montré qu’il fallait installer au minimum huit modules lasers d’une puissance de 20mW chacun. Installer ces lasers sur des fixations en bordure d’écran requiert une extrême précision puisqu’une légère modification de l’inclinaison d’un laser, d’un côté de l’écran, peut entraîner un décalage de plusieurs centimètres du plan de lumière à l’extrême opposé. Reproduits sur les huit lasers, ces décalages entraînent une répartition hétérogène de la lumière en plans non parallèles et cela diminue la qualité de la détection des points de contact, qui peuvent alors être détectés bien avant le contact réel du doigt sur l’écran.

D’autre part, même si les lasers que nous comptions utiliser étaient munis d’une lentille génératrice de ligne, réduisant ainsi son intensité, nous ne souhaitions pas courir le risque lié à l’utilisation de lasers infrarouges. Lors de nos tests, nous portions d’ailleurs des lunettes de protection spécialisées car la lumière laser peut causer des dommages irréversibles aux yeux. De plus, étant invisible, la lumière infrarouge ne provoque pas le phénomène d’éblouissement qui peut dans certains cas obliger le regard à se détourner de la source laser. Comme nous souhaitions présenter ce dispositif au public, même si les risques étaient limités par la pose de caches optiques, un accident était toujours possible et nous n’avons pas souhaité en courir le risque.

Illumination diffuse - DI (principe décrit Chapitre III - 2.2.)

Il s’agit de la technique d’illumination que nous avons sélectionnée car elle est plus simple à installer et à configurer que les techniques évoquées précédemment. Son fonctionnement, par diffusion de la lumière infrarouge à travers une surface diffusante, n’impose pas le

recours à une surface de médiation. L’avantage de cette configuration réside en l’utilisation d’une surface unique, qui sert à la fois d’écran et de diffuseur pour la lumière infrarouge. De plus les principes optiques impliqués dans cette configuration autorisent la pose d’un verre de protection devant la surface afin de la protéger du vandalisme et renforcer la rigidité de l’écran. Toutefois, cette technique d’illumination génère des blobs (zone de lumière émise par le doigt en contact) moins contrastés et implique l’installation encombrante d’illuminateurs infrarouges derrière l’écran de projection.

Nous avons donc travaillé à réduire ces défauts grâce au savoir-faire de Jean-François Montchamp, ingénieur en optique et en électronique, qui a participé au projet. D’une part, nous avons réalisé une batterie de tests sur une dizaine de surfaces en polycarbonate sablées afin de sélectionner celle qui répondrait aux exigences suivantes :

- Un taux de diffusion élevé afin de limiter la zone de détection des doigts à l’avant de la surface.

- Un taux de réflexion minimal, à l’arrière, afin de limiter la pollution lumineuse générée par la réflexion éventuelle des illuminateurs.

- Une diffusion homogène de la lumière, pour des angles d’incidence compris entre 70° et 75°.

- Un taux de luminosité et de contraste élevé pour la vidéo-projection.

- Une surface suffisamment sombre et opaque pour limiter les phénomènes de points chauds (hotspots), zone de l’écran plus lumineuse créée par la vue de la source de lumière du vidéoprojecteur à travers l’écran.

- Une épaisseur suffisamment importante pour ne pas subir de déformations lors du contact.

D’autre part, comme les illuminateurs infrarouges vendus dans le commerce ne correspondaient pas aux caractéristiques que nous avions formulées, nous avons décidé de construire nos propres illuminateurs. Les tests d’illumination préliminaires nous ont aidés à définir les spécifications nécessaires pour obtenir des zones de contact lumineuses et contrastées :

- Une longueur d’onde située entre 790 et 850nm correspondant à la bande passante autorisée par la caméra.

- Un angle d’émission suffisamment large pour diminuer la distance entre les illuminateurs et les écrans et obtenir une répartition plus homogène de la lumière infrarouge.

- Une intensité variable pour ajuster l’illumination globale.

- Un système électronique de lumière pulsée pour profiter de la puissance des diodes CMS.

- Un système de sécurité (coupure automatique) et de refroidissement (ventilateur au dos) si la température excède les conditions normales d’utilisation.

Figure 63 - Illuminateur infrarouge conçu en interne. 16 illuminateurs de ce type, situés à une cinquantaine de centimètres tout autour de l’écran, nous ont permis d’obtenir une illumination homogène et d’intensité suffisante. Les schémas

électroniques sont soumis à la politique de confidentialité de l’entreprise.