Brevet FR2637698A1 — publié le 19900413

DISPOSITIF CATADIOPTRIQUE MONOLITHIQUE La presente invention concerne un dispositif catadioptrique capable de provoquer une deflexion d'un angle prédetermine et une focalisation d'un faisceau lumineux, le long d'un trajet optique à axe brisé. Les dispositifs de ce genre que l'an connait actuellement permettent d'irradier des emplacements difficilement accessibles dans un but d'observation ou de traitement. Ils sont utilisés dans le domaine médical, notamment pour des opérations d'endoscopie. Ils se prêtent aussi à des applications thérapeutiques, par exemple pour le traitement de points precis de l'oeil. Dans les applications thérapeutiques, le faisceau lumineux qui traverse le dispositif est souvent un faisceau de lumière cohérente de grande puissance de sorte que l'emploi de colle ou de materiaux legerement absorbants est exclu. Des dispositifs du genre spécifié sont aussi utilises dans des applications industrielles, par exemple pour l'observation ou le traitement de surfaces internes de tubes ou de cavités. Les figures 1, 2 et 3 du dessin annexe sont des representations schématiques de dispositifs catadioptriques de l'art antérieur et permettent d'expliquer le problème que l'on rencontre dans les applications indiquées. La figure 1 représente un prisme droit 1, en matiere optique transparente, fixé en regard d'une extrémité dtun conducteur optique 2, cette extrémité constituant pour le prisme une source lumineuse. Un tel dispositif présente un nombre minimum de surfaces optiques et remplit bien la fonction déflectrice, mais ne présente aucune fonction de refocalisation. Le faisceau 3 est divergent a partir de l'extrémité 4 du conducteur 2 de sorte que la surface irradiée 5 est relativement grande. Ceci constitue un inconvénient grave dans les applications thérapeutiques ou de traitement de surface ou une grande densité de puissance est nécessaire. Les figures 2 et 3 montrent des dispositifs du même genre que celui de la figure 1 mais dans lesquels une lentille biconvexe 6 est associée au prisme 1. Ces dispositifs ont à la fois une fonction déflectrice et une fonction de refocalisation, mais ils ont l'inconvenient de presenter au moins quatre surfaces optiques, qui entrainent un échauffement et une perte de l'énergie utilisable. En outre, dans le cas ou la lentille 6 est placée entre le conducteur optique 2 et le prisme 1 (figure 2), il est difficile d'obtenir une concentration appropriée du faisceau dans le plan image 5 car la distance entre la lentille 6 et ce plan 5 ne peut pas être raccourcie autant qu'il serait souhaitable. Dans le cas ou la lentille 6 est placée en aval du prisme 1 (figure 3), la refocalisation est facilitee mais la dimension latérale du système par rapport à l'axe optique d'entrée est importante. Or, ceci est gênant notamment pour les applications en endoscopie. La présente invention a pour but de créer un dispositif du genre indiqué au début, qui elimine les défauts et les insuffisances des dispositifs connus. L'invention a donc pour objet un dispositif catadioptrique destine a dévier un faisceau lumineux d'un angle prédéterminé le long d'un axe optique brisé, et a focaliser ce faisceau optique sur un plan image prédéterminé, ce dispositif comportant des moyens définissant une surface optique plane de réflexion totale dont un point coïncide avec le point d'inflexion dudit axe et des moyens définissant des surfaces optiques de focalisation dudit faisceau, caractérisé en ce que lesdites surfaces de focalisation sont des surfaces optiques convergentes placées sur ledit trajet optique, respectivement de part et d'autre de ladite surface a réflexion totale, et en ce que ladite surface à réflexion totale ainsi que lesdites surfaces convergentes sont ménagees sur un unique corps monolithique réalisé en une matiere optique. On va décrire ci-apres en se référant aux dessins annexes, plusieurs exemples de réalisation non limitatifs de l'invention. - les figures 1, 2 et 3, déja décrites sont des exemples de l'art antérieur, - la figure 4 est une vue analogue aux figures 1, 2 et 3 montrant une forme d'exécution préférée du dispositif catadioptrique, objet de l'invention, - les figures 5, 6 et 7 sont des vues respectivement en plan, en coupe axiale et en élévation frontale du dispositif de la figure 4, - la figure 8 est un graphique illustrant les performances du dispositif, et - les figures 9, 10 et 11 sont des vues analogues aux figures l a 4 montrant trois variantes du dispositif catadioptrique de 1 1invention. Le dispositif catadioptrique DC représente schematiquement à la figure 4, est irradié par un conducteur optique 2 qui peut être constitué d'une seule fibre optique ou d'un faisceau de fibres optiques conduisant de la lumière cohérente ou non-cohérente Bien entendu, selon les besoins d'autres sources lumineuses peuvent être utilises. Le dispositif DC comporte un corps 7 qui est monte fixe en regard de l'extrémité 4 du conducteur 2, grace a une monture appropriée qui n'est pas représentée sur cette figure. Le corps 7 est monolithique c'est-a-dire d'une seule pièce en matériau optique transparent, par exemple en saphir, ayant ici la forme d'une demisphère.Du point de vue des fonctions optiques, le corps 7 comporte une zone d'entrée 7a jouant le rôle d'une lentille plan-convexe convergent, une zone centrale 7b jouant le role de prisme et une zone de sortie 7c jouant le rale d'une lentille plan-convexe de focalisation. Le faisceau lumineux 3 sortant de l'extremite 4 du conducteur 2 est divergent. Il se réfracte sur la surface S1 de la zone 7a puis subit une réflexion totale sur la surface plane 52 de la zone 7b et se refracte a nouveau sur la surface 53 de la zone 7c pour sortir sous forme d'un faisceau convergent atteignant le plan-image 5. Les portions de surface sphérique qui délimitent les zones 7a et 7c sont ainsi placées de part et d'autre de la surface 7b a réflexion totale le long de l'axe optique brisé a-b selon lequel se propage le faisceau lumineux. On voit également que le point d'inflexion c de cet axe brisé est situé dans le plan de la surface à réflexion totale 7b. Il résulte de cette disposition une forme extrêmement ramassée de l'ensemble optique défini par le corps 7 dont les surfaces optiquement actives se trouvent a des distances minimales les unes des autres. Comparé a l'encombrement des dispositifs antérieurs, celui du dispositif catadioptrique de l'invention est donc extrémement reduit, ce qui le rend particulièrement utilisable dans des applications médicales telles que l'endoscopie et les traitements au laser. Dans la disposition représentée en traits pleins a la figure 4, les deux troncons a et b de l'axe brisé sont perpendiculaires , mais il suffit de modifier la position angulaire du corps 7 par rapport au conducteur 2 pour obtenir un autre angle entre ces tronçons c'est-à-dire un angle de deflexion différent de 90". Les limites du débattement angulaire possible du corps 7 par rapport a l'axe du faisceau d'entrée dépendent de l'indice de réfraction (n) du matériau utilise. Avec le saphir (n = 1,76) un débattement de + 20 du faisceau lumineux est facilement possible. Pour l'augmenter, on pourrait prévoir de réaliser le corps 7 en un matériau ayant un indice de réfraction plus élevé par exemple en diamant (n = 2,4).La limite de l'inclinaison de la surface réfléchissante par rapport au tronçon a de l'axe dépend du phénomène de réflexion totale qui doit se produire sur cette surface. On pourrait aussi prévoir sur la face plane du corps 7 un revêtement 7' capable de réfléchir la lumiere quel que soit son angle d'incidence, mais la réflexion est alors accompagnée d'une perte d'énergie par absorption. A la figure 4, les positions angulaires limites de la face plane de la zone 7b sont indiquées par les lignes en traits mixtes 8 et 9. Les figures 5, 6 et 7 représentent une forme d'exécution préferée d'un dispositif catadioptrique selon l'invention dont le corps catadioptrique 11 est analogue au corps 7. Le dispositif est utilisable par exemple en endoscopie. Il comporte une monture 12 de forme cylindro-conique tronquée fixée sur un tube rigide 13 dans lequel est introduit un conducteur optique 14. Le corps 11 est taillé en une forme hémisphérique dans une pièce de saphir et presente deux méplats parallèles 15 et 16 qui sont orientés perpendiculairement a la face plane 17 sur laquelle le faisceau lumineux conduit par le conducteur 14 se refléchit. La monture 12 comporte deux branches 18 et 19 ayant des faces intérieures planes et parallèles1 ecartées d'une distance qui correspond a l'écartement entre les méplats 15 et 16. Le corps 11 peut titre fixe, par exemple par un ciment, une colle, ou un mastic, entre les branches 18 et 19 de la monture 12, en donnant à la face plane 17 l'inclinaison désirée par rapport et l'axe du tube 13. On peut aussi ajuster a volonté la distance entre l'extrémité du conducteur 14 et le corps 11 et choisir ainsi les conditions de focalisation du faisceau. Revenant à la figure 4, on explique maintenant comment te choix de la distance entre l'extrémité 4 du conducteur 2 et le corps 7 permet de déterminer d'une part la distance de focalisation, c'est-à-dire la position du foyer de la zone 7c qui constitue le ménisque plan-convexe de sortie, et d'autre part le diamètre fi du faisceau au point de focalisation. Le graphique de la figure 8 reproduit ces courbes pour un corps 7 hémisphérique de saphir dont le diametre est de 4mm et dont la face plane est orientée à 450par rapport à l'axe du conducteur optique 2.Les courbes A et B donnent respectivement la position du plan-image 5 de focalisation par rapport au point d'intersection de l'axe a-b et de la surface de la zone 7c (distance F) et le diamètre d du faisceau focalisé. Comme on le voit, ces deux paramètres varient différemment en fonction de la distance (D) entre ltextremité 4 du conducteur 2 et le point d'intersection de l'axe a-b et de la surface de la zone 7a, c'est- -dire en fonction de la distance que le faisceau incident parcourt dans l'air, en divergeant, entre l'endroit ou il sort de la fibre optique 2 et l'endroit ou il pénètre dans le corps 7. Pour une distance D de 4 mm on obtient un diamètre de focalisation d de 0,2 mm et le plan-image 5 se trouve à environ 1,3 mm de la surface de la zone 7c. Les figures 9, 10 et Il représentent des variantes du corps catadioptrique selon l'invention. La figure 9 montre un corps monolithique 20 forme de deux lentilles plan-convexes 21 et 22 de mêmes dimensions, collés sur les faces perpendiculaires dsun prisme droit 23. Ce corps est donc monolithique par opposition aux dispositifs de l'art anterieur représentés aux figures 2 et 3 qui sont au contraire réalisés en deux éléments separés. Les centres de courbure des lentilles sont confondus en un même point situé sur la surface réfléchissante du prisme 23. Les propriétes de ce corps sont identiques à celles du corps 7, mais l'emploi de colle empêche l'utilisation du dispositif avec des lasers de haute puissance. Le dispositif est donc principalement destiné à des opérations d'observation. La figure 10 montre un corps 24 de même structure que le corps 20 mais dans lequel les deux lentilles plan-convexes 24 et 26 ont des courbures différentes. La figure 11 montre un corps 28 ayant encore la même structure c'est-à-dire qu'il est formé de deux lentilles plan-convexes 27 et 28 collées sur un prisme 30. Ici les surfaces convexes des lentilles ne sont pas des portions de surface sphériques comme c'est le cas dans les structures des figures 4 et 5 à 10 mais des surfaces coniques de révolutions (hyperbololdes, parabololdes ou ellipsol- des). Bien entendu, on pourrait envisager de réaliser les variantes des figures 10 et il sous forme de corps monoblocs moulés, par exemple. On a décrit plus haut un corps hémisphérique 7 de 4 mm d. Cependant, le diametre de ce corps pourrait être réduit jusqu'à 0,5 mm avec une fibre optique ayant elle-même un diamètre de coeur de 0,5 mm. On peut néanmoins utiliser toute sorte de fibres optiques ayant un coeur compris entre quelques microns et quelques milimétres. D'autre part, on peut-aussi utiliser, comme conducteur optique, dans le cas ou on choisit des dimensions supérieures à 0,5 mm pour le corps 7, un faisceau de fibres, ce qui permet de produire une image pour des applications endoscopiques. Un autre avantage du dispositif selon l'invention est le fait que la position du corps 7 par rapport au conducteur optique 2 peut être ajustée facilement de cas en cas, grâce à une monture dont la réalisation représente aucune difficulté pour l'homme de l'art. On peut donc commander l'angle de déflexion, qui, avec un prisme dont la face réfléchissante a une structure de miroir, peut atteindre 1800. On peut aussi commander la refocalisation du faisceau en faisant varier la distance D. REVENDICATIONS 1. Dispositif catadioptrique (DC) destiné a dévier un faisceau lumineux (3) d'un angle prédéterminé le long d'un axe optique brisé (a-b), et à focaliser ce faisceau optique sur un plan-image (5) pre- déterminé, ce dispositif comportant des moyens (7b) définissant une surface optique plane de réflexion totale dont un point (c) coïncide avec le point d'inflexion dudit axe (a-b) et des moyens (7a,7c) définissant des surfaces optiques de focalisation dudit faisceau, caractérisé en ce que lesdites surfaces de focalisation (S1,S3) sont des surfaces optiques convergentes placées sur ledit trajet optique, respectivement de part et d'autre de ladite surface à réflexion totale (52), et en ce que ladite surface à réflexion totale tus2) ainsi que lesdites surfaces convergentes (Sl,S3) sont menagées sur un unique corps monolithique (7) réalisé en une matière optique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites surfaces optiques convergentes (7a,7c) sont de forme sphériques. 3. Dispositif selon la revendication 2, car ledit corps monolithique (7) présente une forme hémisphérique dont la surface extérieure sphérique forme lesdites surfaces convergentes (S1,S3) et dont la surface extérieure diamétrale forme ladite surface à reflexion totale (S2). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps monolithique (23,24,28) est formé d'un élement prismatique (23) à chacune des faces perpendiculaires duquel est accolé une lentille plan-convexe (21,22;25,2 & 27,29). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'au moins une desdites lentilles présente une face conique ellipsoldale, paraboloSdale ou hyperbololdate. 6. Appareil médical pour l'observation et le traitement par de l'énergie lumineuse, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison un dispositif catadioptrique (11) suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 et une monture (12) dans laquelle est fixee l'extrémité d'au moins une fibre optique (14) dont est issu ledit faisceau lumineux, ladite monture etant agencée de manière que ladite extrémité soit placée en regard de l'une des surfaces convergentes.