Brevet FR2473187A1 — publié le 19810710

La présente invention concerne un dispositif de mise au point automatique d'un microscope applicable plus particulièrement aux microscopes chirurgicaux. Un microscope chirurgical est, on le sait, essentiellement constitué par une lentille collimatrice, un double oculaire et, un système simple de doublè variation de grossissement continu ou discontinu travaillant en général en faisceaux collimatés interposé entre ladite lentille et ledit oculaire. Ainsi, le double trajet visuel utilise seulement deux zones circulaires de la lentille collimatrice, ce qui laisse la possibilité de placer dans la partie restante d'autres zones que l'on peut alors avantageusement utiliser pour ltéclairage du champ opératoire. Le système optique utilisé à cet effet est, le plus souvent, également double.Chacun de ses deux systèmes constitutifs comporte un condenseur à deux lentilles éclairé uniformément au moyen d'une source lumineuse constituée par exemple par l'extrémité d'une fibre optique éclairée à l'autre extrémité par une source lumineuse; lequel condenseur reforme l'image de l'extrémi- té de la fibre dans le plan d'une lentille disposée entre la lentille collimatrice et lui, la face de sortie de la seconde lentille du condenseur étant placée dans le plan focal de cette lentille intermédiaire. I1 résulte de cette disposition de type traditionnel connue sous le nom d'éclairage de Köhler que la lentillecollimatrice forme dans son plan focal, plan où se situe le champ operatoire, l'image de la-plage uniformément éclairée'constituée par la seconde lentille du condenseur. Pour des raisons évidentes, il est important de donner à l'éclairement du champ opératoire une valeur élevée, atteignant ou même dépassant 30 000 lux. Comme il n'est pas souhaitable que les radiations infra-rouges qui provoquent un échauffement nuisible parviennent sur le champ opératoire, la lumière issue de la source lumineuse est filtrée avant son entrée dans la fibre optique de manière à éliminer ces radiations, si bien que le champ opératoire ne reçoit que de l'énergie comprise dans la bande des radiations visibles. La mise au-point d'un tel microscope binoculaire est obtenue le plus souvant par des moyens mécaniques, l'ensemble optique ci-dessus schématiquement décrit est déplacé en translation axiale au moyen d'un moteur électrique associé à un réducteur de vitesse convenablement choisi. Ce moteur est commandé par un interrupteur à trois positions, la position centrale correspondant à -l'arrêt du moteur et les deux positions extrêmes aux deux sens possibles de translation. Bien qu'une telle commande soit d'utilisation aisée, elle conduit cependant à des pertes de temps dues à ce que chaque fois que I'opé- rateur veut changer ou améliorer la mise au point, il doit préalablement déterminer le sens dans lequel il doit effectuer le déplacement de objectif pour obtenir le résultat désire. La présente invention obvie à cet inconvénient en fournissant au dispositif de mise au point automatique d'un microscope binoculaire, en particulier d'un microscope chirurgical, permettant une mise au point ou une amé-lioration de celui-ci sans tâtonnements préalables de l'opérateur, simplement commandée au moyen d'un bouton marche-arrêt, dont l'utilisation ne demande aucune réflexion et n'occasionne aucune perte de temps. Le dispositif de mise au point automatique d'un microscope binoculaire selon l'invention présente en outre l'avantage de pouvoir être aisément incorporé parmi les éléments des microscopes de types connus, notamment tels que ceux ci-dessus déjà décrit, c'est-à-dire des microscopes binoculaires du type comportant une lentille collimatrice formant objectif, un premier ensemble de deux voies visuelles aboutissant à un double oculaire, après passage au travers d'un système optique simple de double variation de grossissement pouvant travailler en faisceau collimaté et un selon ensemble de deux voies d'éclairage dont chacune est constituée par un système optique de Kôbler comprenant un condenseur formé de deux lentilles. Ce dispositif de mise au point automatique est essentiellement caractérisé par le fait- qu'il comporte: un ensemble de deux voies d'éclairage du champ opératoire par deux faisceaux modulés de rayons parallèles du spectre. de l'infra-rouge, convergeant l'un et l'autre dans le plan focal objet de la lentille collimatrice et qui, lorsque la mise au point est obtenue, recoupent alternativement une même zone circulaire du plan focal objet de ladite lentille collimatrice et dont le centre est le foyer objet; un organe de séparation sélective de rayonnements disposé sur le trajet de chacune des voies visuelles avec lesquels coïncident les trajets de retour -correspondant des faisceaux de radiations infra-rouges, et de réflexion seulement de ces derniers sur un organe photo sensible de détection des signaux émis par le faisceau infra-rouge correspondant; des organes d'exploitation des signaux alternatifs à la fréquence de modulation desdits faisceaux infra-rouges et fonction de la valeur du dépointage; et, un moteur de déplacement de ltobjectif du microscope asservi auxdits organes d'exploitation. D'une manière avantageuse permettant notamment d'insérerle dispositif selon l'invention dans les éléments constitutifs préexistants du microscope binoculaire, la lentille collimatrice dudit microscope constitue l'organe unique de projection de chacun des deux faisceaux modulés de rayonnement infra-rouge vers le centre duchamp opératoire. En vue de mettre en oeuvre de la manière la plus simple et la plus avantageuse, -cette dernière caractéristique, chacune des voies d'éclairage du champ opératoire par le faisceau de rayonnement infra-rouge modulé emprunte une partie d'une voie d'éclairage en lumière visible du champ opératoire ; à cet effet, chaque voie d'éclairage comporte: une diode laser modulant à une fréquence de valeur prédéterminée une émission d'un rayonnement infra-rouge sur une surface réfléchissante disposée entre les deux lentilles du condenseur et réfléchissant le rayonnement reçu le long de l'axe optique de la lentille de sortie du condenseur et Vt 3 une lentille convergente disposée entre cette dernière et la lentille collimatrice, la face de sortie de ladite lentille sortie, étant d'une part, dans le plan focal de ladite lentille convergente, et, d'autre part revêtue sur toute sa surface, -à l'exception d'une zone circulaire centrée sur son axe optique de très faible diamètre et formant diaphragme, d'une matière transparente pour les radiations du spectre visible et opaque pour les radiations du spectre infra-rouge. Suivant une première forme de-réalisation dans chaque voie visuelle, les organes photosensibles de réception des faisceaux modulé de radiations infrarouges disposé en regard de l'organe de séparation -et de réflexion dudit faisceau pour la mesure de la défocalisation du champ opératoire est constitué par une cellule photosensible différentielle. Suivant une autre forme de réalisation l'organe photosensible de réception du faisceau modulé de radiations infra-rouges disposé en regard de l'organe de séparation et de réflexion dudit faisceau pour la mesure de la défocalisation du champ opératoire est constitué par un prisme séparateur et deux cellules photosensibles de réception de chacune des fractions de faisceaux séparés par ledit prisme. Les caraetéristiques et avantag-es de l'invention ressortiront mieux de la description faite ci-après, à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels: -- la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe axiale passant par les axes des éléments constitutifs des deux voies visuelles d'un microscope chirurgical binoculaire; - la figure 2 représente une vue en plan de la lentille collimatrice du microscope de la figure t montrant les zones circulaires occupées sur la -lentil- le collimatrice d'entrée d'un microscope binoculaire respectivement par les deux voies visuelles et les deux voies d'éclairage du champ opératoire de ce microscope;; - la figure 3 représente schématiquement une vue en coupe axiale des éléments constitutifs des deux voies d'éclairage du champ opératoire du microscope de la figure 1; - la figure 4 représente schématiquement une vue axiale passant par l'une des voies d'éclairage du champ opératoire d'un microscope chirurgical muni du dispositif de mise au point automatique selon l'invention; - la figure 5 représente une vue axiale des faisceaux laser d'éclairage du centre du champ opératoire à leur sortie de la lentille collimatrice d'entrée d'un microscope chirurgical binoculaire muni du dispositif de mise au point selon l'invention; et, - la figure 6 représente schématiquement une vue en coupe axiale passant par les axes des deux voies visuelles et montrant deux formes de réalisation possibles du dispositif d'exploitation des signaux fournis par les faisceaux laser d'éclairage du centre du champ opératoire. Sur ces figures, les mêmes références représentent les mêmes éléments. En se référant tout d'abord aux figures 1, 2 et 3: un microscope chirurgical binoculaire de type connu comporte essentiellement un objectif, constitué par une lentille dite "lentille collimatrice" 1 dont le diamètre est de l'ordre de 50 mm et de focale comprise entre 200 et 400 mm, disposé en avant d'un système simple 2 de double variation de grossissement continu ou discontinu travaillant généralement en faisceaux collimatés lequel système est suivi d'un double oculaire 3, chaque oculaire individuel de ce double oculaire coopérant avec l'élément correspondant du système simple 2 de double variation de grossissement.Comme représenté en 4 sur la figure 2, le double trajet visuel ci-dessus décrit n'occupe sur la lentille collimatrice 1 dont l'axe optique constitue un axe de symétrie pour les axes optiques de chacun des deux trajets visuels, que deux zones. circulaires 4, symétriques l'une de l'autre par rapport au centre de ladite lentille, c'est-à-dire seulement une partie de sa surface. D'autres zones de cette même lentille peuvent, par suite, être avantageusement utilisees à d'autres fins, en partie culier pour l'éclairage du champ opératoire. Habituellement cet éclairage est réalisé au moyen de deux voies, dont chacune, comme représenté sur la figure 3, comprend une fibre optique 5 dont une première extrémité est éclairée de manière connue au moyen d'une source lumineuse (non représentée) et dont l'autre extrémité, disposée au regard d'un condenseur 6 constitue de deux lentilles 6a et 6b coaxiales, éclaire uniformément la lentille ventrée dudit condenseur reformant l'image de l'extrémi- té de la fibre dans le plan dtune lentille 7 placée en aval de la seconde lentille 6b ou lentille de sortie dudit condenseur, la face de sortie de celle-ci étant, par ailleurs, disposée dans le plan focal de cette même lentille 7. Cette disposition connue sous le nom d'éclaira- ge de Köhler fait que la lentille 1 forme dans son plan focal, qui est celui du champ opératoire l'image de la plage uniformément éclairée constituée par la lentille de sortie 6b du condenseur. Les deux voies dJéclairage telles qu'elles viennent d'être décrites occupent, sur la surface de la lentille restant libre en dehors des deux zones circulaires occupées par les deux voies visuelles, deux autres zones circulaires 8 d'axes parallèles à l'axe optique de la lentille 1 lesquels sont placés dans le même plan que lui et sont symétriques l'un de l'autre par rapport à lui, ce même plan étant lui-même perpendiculaire au plan contenant les axes des deux zones circulaires 4 correspondant aux. deux voies visuelles et le recoupant suivantl'axe optique de la lentille 1. Le dispositif de mise au point automatique d'un microscope chirurgical binoculaire tel que ci-d-essus décrit peut lui être incorporé aisément en utilisant à cet effet les deux voies d'éclairage du champ opératoi- re. Un tel dispositif comporte en effet, et comme représenté sur la figure 3 et dans chaque voie, les été'mentis suivants: une diode laser 9 montée sur le support de la voie corres-pondante, disposée un niveau situé entre les deux lentilles 6a et 6b du condenseur 6 en regard d'un miroir ou d'un petit cube 10 de Lummer placé entre' ces deux mêmes lentilles, et de telle manière q-u'il réfléchisse le rayonnement laser émis par ladiode 9 sur la lentille de sortie 6b dudit condenseur et parallèlement à l'axe optique de ce-dernier. La face de sortie de la lentille de sortie 6b du condenseur est, en outre, traitée sur toute sa surface à l'exception d'un cercle central dont le centre se trouve sur l'axe optique du, condenseur et dont le diamètre est très faible, par exemple un millimètre. La diode laser 9 est une diode pouvant émettre,- à une fréquence élevée, par exemple 1000 Hz, des impulsions très brèves de puissance suffisante, sur une longueur d'onde de 850 mm ou de 900 mm, c'est-à-dire dans le spectre de l'infra-rouge. Par ailleurs, le traitement il appliqué sur la face de sortie de la seconde lentille du condenseur est choisi de telle manière qu'il soit transparent pour les longueurs d'onde appartenant au spectre visible et qu'ainsi il ne perturbe pas le fonctionnement normal de l'éclairage du champ opératoire, mais que, par contre, il ne laisse passer aucune radiation du spectre de l'infra-rouge.De cette manière et du fait de la présence de la zone circulaire centrale non traitée, le rayonnement infra-rouge ne peut traverser cette face que par cette zone circulaire qui, par suite, constitue pour l'énergie en provenance de la diode laser, un diaphragme ou un micromètre de faible diamètre. Ainsi cette disposition permet,d'une part, d'éclairer le champ opératoire, en lumière visible, dans sa totalité, et, d'autre part, d'envoyer en son centre un étroit faisceau de lumière infra-rouge en-provenance de la diode laser à chaque impulsion de celle-ci. Ce faisceau après traversée de la lentille 7 et de la lentille collimatrice 1 éclaire dans le champ opératoire une zone circulaire de quelques millimètres de diamètre et r qui est l'image de la zone circulaire non traite de la face de sortie de la seconde lentille du condenseur et aggrandie dans le rapport des focales des lentilles 1 et 7. Comme représenté sur la figure 5, les deux faisceaux infra-rouges 12a et 12b émis par la diode laser sont réglés de telle manière que,lorsque la mise au point est réalisée, ils éclairent tous les deux la même zone du champ opératoire, c'est-à-dire la zone circulaire image à travers les deux dites lentilles 1 et 7 de la zone circulaire centrale non traitée de la face de sortie de la seconde lentille 6b du condenseur. Par ailleurs, les impulsions fournies par les deux diodes laser 9b sont en alternance si bien que la zone éclairée en infra-rouge, lorsque la mise au point est réalisée, est éclairée alternativement par le faisceau 12a et par le faisceau 12b. Par contre, si la position du champ opératoire occupe un emplacement 13 compris entre le plan focal de la lentille 1 et cette même lentille la zone circulaire éclairée par le faisceau 12a dans le plan correspondant, est déplacée vers la gauche tandis que la zone circulaire éclairée par le faisceau 12b est déplacé vers la droite.De même, si le champ opératoire est défocalisé de manière à occuper ltemplacement 14 situé au-delà du plan focal de la lentille 1 la zone circulaire éclairée par le faisceau 12a dans le plan correspondant est déplacée vers la droite tandis que celle éclairée par le faisceau 12b est déplacée vers la gauche. C'est par l'exploitation, par des moyens photoélectriques de ces déplacements que l'on peut, comme ci-après indiqué, connaitre l'amplitude et le sens de la défocalisation et, par suite, d'élaborer le signal permettant de commander le moteur de mise au point. Cette exploitation est réalisée de la manière et au moyen de l'un des dispositifs suivants. Chaque voie d'observation visuelle comporte une lame séparatrice15 laquelle existe normalement en fait, sur les microscopes binoculaires chirurgicaux équipés d'un appareil photographique et/ou d'une caméra de télévision. Cette lame qui est avantageusement un cube de Lummer permet, dans le cas du dispositif de mise au point selon l'invention, de partager la lumière en provenance du champ opératoire en deux parties dont l'une est dirigée vers les oculaires et l'autre vers un organe de détection photoélectrique disposé dans un plan image du champ.S-uivant une première forme de réalisation représentée sur la figure 6 du côté de la voie de gauche,l'organe de détection est constitué par une cellule photosensible différeritielle 16 qui délivre un signal directement proportionnel au déplacement du centre de gravité photométrique de la tache lumineuse qui la frappe. Suivant une deuxième forme de réalisation représentée sur la figure 6 du côté de la voie de droite, l'organe de détection est constitué par un dièdre séparateur 17 associé à deux cellules photosensibles 18a et 18b respectivement placées sur le trajet de chacun des deux faisceaux lumineux résultant du fractionnement en deux parties du faisceau réfléchi par la lame séparatrice sur ledit dièdre séparateur. Afin d'éviter que les cellules photosensibles, dans chacune des deux formes de réalisation, soit influencées par la lumière de fond continue provenant des rayons du spectre visible du champ opératoire et ainsi élimine des sources possibles d'erreur, le traitement semi-refléchissant des plans diagonaux des cubes de Lummer dans chacune des deux voies d'observation, sont avantageu sement choisis de telle sorte qu'il laisse passer le rayonnement visible vers les oculaires correspondants, et au contraire, réfléchisse le rayonnement infra-rouge seul vers les cellules photosensibles. Dans le cas où un appareil de photographie et/ou une caméra de télévision sont associés au microsco pe et que celui-ci comporte, par suite, déjà une ou deux lames séparatrices formées notamment, par un ou deux cubes de Lummer, il n'est pas possible de traiter les surfaces réfléchissantes correspondantes de la manière ci-dessus indiquée, les radiations du spectre visible devant parvenir à la fois jusqu'aux oculaires et jusqu'aux objectifs des appareils récepteurs, tandis que les radia tions infra-rouges émises par les diodes laser et réflé chies depuis le champ opératoire-doivent seules parvenir aux cellules photosensibles. Ce résultat est obtenu en plaçant devant chacune desdites cellules un écran protecteur 19 constitué par un filtre ne laissant passer que les radiations de meme longueur d'onde que celles émises par la diode laser 9. Dans un cas comme dansl'autre, et comme il ressort clairement des indications ci-dessus données, une défocalisation du microscope, c'est-à-dire un défaut de mise au point sur le champ opératoire se traduit au niveau du ou des préamplificateurs associés aux cellules photosensibles par l'apparition d'un signal alternatif à la fréquence de répétitions des impulsions émises par chacune des diodes laser, par exemple, avec une fréquence de 1000 Hz comme ci-dessus indiqué, impulsions dont l'ampli tude est proportionnelle à la valeur de cette défocalisa tion et dont la phase est fonction du sens de dépointage. Ces signaux sont exploités par tous moyens connus appropriés pour permettre à un servomécanisme d'élaborer le signal de commande du moteur d'entrainement du microscope dans le sens approprié pour sa mise au point et jusqu'à btention de la mise au point. Par ailleurs, il est clair que le servomécanisme ne peut fonctionner correctement que si les signaux parvenant aux cellules photosensibles 16 ou 18a et 18b ne sont pas perturbés par des causes d'origine extérieures, comme c'est le cas, par exemple, lorsque les faisceaux 12a et 12b émis par les diodes laser 9, sont interceptés par les doigts ou les instruments du chirurgien.C'est pour cette raison que le dispositif de mise au point tel que ci-dessus décrit ne peut rester en fonctionnement continu afin de n'apporter aucune entrave à la liberté de mouvements du chirurgien, et qu'il est nécessaire de ne le faire fonctionner qu'à la volonté de l'opérateur, lequel par suite, ne l'utilise d'une part qu'au moment de la mise au point initiale et seulement jusqu'à obtention du résultat'recherché, et d'autre part, que lorsque un déplacement dans le champ opératoire nécessite une nouvelle mise au point. Le dispositif de mise au point automatique, tel que ci-dessus décrit à titre d'exemple non limitatif, est également utilisable sous la forme décrite pourla mise au point d'un appareil photographique pouvant lui être associé. il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite qu'à titre d'exemple préférentiel etqu'on pourra apporter des équivalences techniques à ses éléments constitutifs sans pour autant sortir du cadre de ladite invention tel que ci-après revendiqué. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mise au point automatique d'un microscope binoculaire en particulier à usages chirurgicaux, du type comportant une lentille collimatrice formant obiectif, un premier ensemble de deux voies visuelles aboutissant à un oculaire double après passage au travers d'un système optique simple dè double variation de grossissement pouvant -travailler en faisceau collimaté et un -second ensemble de deux voies d'éclairage du champ opératoire, lequel est disposé dans le plan focal objet a de la lentille collimatrice et, dont chacune est constituée par un système optique de Köhler comprenant un condenseur formé de deux lentilles, caractérisé par le fait qu'il comporte: un ensemble de deux voies d'éclairage du champ opératoire par deux faisceaux modulés de rayons parallèles du spectre de-l'infra-rouge, convergeant l'un et l'autre dans le plan focal objet de la, lentille collimatrice 'et qui, lorsque la mise au point est obtenue, recoupent alternativement une même zone circulaire du plan focal objet de ladite lentille collimatrice et dont le centre est le foyer objet; un organe de séparation sélective de rayonnements disposé sur le trajet de chacune des voies visuelles avec lesquels coïncident les trajets de retour correspondant des faisceaux de radiations infrarouges, et de réflexion seulement de ces derniers sur un organe photo sensible de détection des signaux émis par le faisceau infra-rouge correspondant; des organes d'exploitation des signaux alternatifs à la fréquence de modulation desdits faisceaux infra-rouges et fonction de la valeur.du dépointage; et, un moteur de déplacement de l'objectif du microscope asservi auxdits organes d'exploitation. 2. Dispositif de mise au point automatique d'un microscope binoculaire selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la lentille collimatrice dudit microscope constitue l'organe unique de proJection de chacun des deux faisceaux modulés d-e rayonnement infra rouge vers le centre du champ opératoire. 3. Dispositif de mise au point automatique d'un microscope binoculaire selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que chacune des voies d'éclairage du champ opératoire par le faisceau de rayonnement infra-rouge modulé emprunte une partie d'une voie d'éclairage en lumière visible du champ opératoire et qui à cet effet, chaque voie d'éclairage comporte: une diode laser modulant à une fréquence de valeur prédéterminée une émission d'un rayonnement infra-rouge sur une surface réfléchissante disposée entre les deux lentilles du condenseur et réfléchissant le rayonnement reçu le long de l'axe optique de la lentille de sortie du condenseur; et vers une lentille convergente disposée entre cette dernière et la lentille collimatrice, la face de sortie de ladite lentillede sortie, -étant d'une part, dans le plan focal de ladite lentille convergente, et, d'autre part revêtue sur toute sa surface, à l'excep- tion d'une zone circulaire centrée sur son axe optique de très faible diamètre et formant diaphragme, d'une matière transparente pour les radiations du spectre visible et opaque pour les radiations du spectre infra-rouge. 4 Dispositif de mise au point automatique d'un microscope binoculaire selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4 caractérisé par le fait que dans chaque voie visuelle, les organes photosensibles de réception des faisceaux modulé de radiations infrarouges disposé en regard de l'organe de séparation et de réflexion dudit faisceau pour la mesure de la défocalisation du champ opératoire est constitué par une cellule photosensible différentielle. 5. Dispositif de mise au point automatique d'un microscope binoculaire selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4 caractérisé par le fait que, dans chaque voie visuelle, l'organe photosensible d-e réception du faisceau modulé de radiations infra-rouges disposé en regard de l'organe de séparation et de réflexion dudit faisceau pour la mesure de la défocalisation du champ opératoire est constitué par un prisme séparateur et deux cellules photosensibles de réception de chacune des fractions de faisceaux séparés par ledit prisse