Brevet FR2723215A1 — publié le 19960202

-1 La présente invention se rapporte à des systèmes optiques en général, et plus particulièrement à un système optique destiné à réaliser des images des parois inté- rieures d'un tube flexible et qui projette les parois intérieures du tube sur un plan d'image parallèle à la section transversale du tube. On a souvent souhaité scruter attentivement les parois et profondeurs internes d'un tube, tel qu'un tuyau, des vaisseaux sanguins, et des intestins. On a inventé et développé à cet effet des endoscopes. Les endoscopes comportent un tube flexible qui peut se déplacer à travers les tubes à scruter et un système optique à l'extrémité distale du tube pour réaliser des images des parois ou des profondeurs internes du tube. Typiquement, le système optique endoscopique regarde directement en avant du tube et présente un champ de vision à l'avant du tube. Ainsi, le système optique réalise des images à la fois des parois intérieures du tube et du contenu du tube, à condition que les objets tombent dans la profondeur de champ de l'optique. Un tel système optique fonctionne bien avec des tubes rigides ou semirigides. Cependant, il ne peut pas fournir d'images des parois intérieures d'un tube flexible, tel que l'intestin grêle ou d'un tuyau flexible car la position des parois par rapport au système optique n'est pas fixe et les objets dont on souhaite obtenir l'image sont dis- posés à proximité immédiate de la lentille. De façon spécifique, le problème réside dans le fait que le champ de vision disponible est limité à la proximité immédiate de la lentille frontale et que la distance de l'objet pour cette lentille n'est pas définie avec précision. Un objet de la présente invention consiste précisément à proposer un système optique apte à réaliser des images des parois intérieures des tubes flexibles. On propose en conséquence, selon un mode de réalisation préféré de la pré- sente invention, un système optique comportant un élément axial conique formé au R \13000\13035 DOC -17 juIlet 1995 - i/8 moins à partir d'un trapèze de révolution, et venant en butée sur les parois intérieures d'un tube flexible. L'élément axial conique présente un plan d'objet qui est situé à une distance variable par rapport à un plan d'image, qui est parallèle à la base de l'élément axial conique. En d'autres termes, l'élément axial conique forme une sur- face d'objet conique. Selon l'invention, le système optique comprend: a) un élément optique axial conique présentant une surface extérieure conique qui, lorsque cette dernière est en contact avec lesdites parois intérieures, crée un objet conique sur ladite surface extérieure conique, pour compenser la forme conique dudit objet conique; b) un détecteur d'images, et c) une unité relais qui transmet en relais ledit objet compensé audit détecteur d'images. Ledit élément optique axial conique présente un axe de symétrie et un trou d'alésage centré autour dudit axe de symétrie. Le système comprend également une source lumineuse et un guide de lumière s'étendant depuis ladite source lumineuse jusqu'audit élément optique axial conique. Ledit guide de lumière s'étend de ladite source lumineuse jusqu'à l'intérieur dudit trou d'alésage, et ledit guide de lumière présente un revêtement qui s'étend partout à l'exception dudit trou d'alésage. Ledit élément axial conique est disposé en avant de ladite unité relais et dudit détecteur d'image de manière à entrer en premier dans ledit tube flexible et à ouvrir ce tube flexible lorsqu'il s'est refermé ou replié. Le système optique comporte de façon additionnelle une lentille relais. L'élément axial conique compense la variation de la distance entre le plan objet et la lentille relais et fournit les images de l'objet compensé à un plan détecteur. Enfin, on propose selon un mode de réalisation préféré de la présente inven- tion, un procédé pour réaliser des images d'un tube flexible, ce procédé comprenant les étapes consistant: a) à forcer un élément optique axial conique, comportant une surface extérieure conique, contre les parois intérieures dudit tube, de manière à créer un objet conique sur au moins une partie de ladite surface extérieure conique; et b) à transmettre en relais une version compensée dudit objet conique à un élément détecteur. D'autres buts, caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la des- cription d'un mode de réalisation de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé, dans lequel: La figure 1 est une vue latérale en coupe destinée à illustrer un système optique per- mettant de voir les parois intérieures de tubes flexibles, le système optique R\13000\13035DOC- 17juflled 1995-2/8 étant réalisé et fonctionnant selon un mode de réalisation préféré de la présente invention; La figure 2 est une vue en perspective isométrique des trajets optiques de quatre fais- ceaux lumineux à travers le système optique de la figure 1; et La figure 3 est une représentation schématique de l'image reçue dans le plan détecteur et qui permet de comprendre le fonctionnement du système optique de la figure 1. On va maintenant se référer aux figures 1 à 3 qui illustrent le système optique selon la présente invention ainsi que son mode de fonctionnement. Le système op- tique est typiquement disposé à une extrémité distale d'un logement tubulaire 10 et est utilisé pour se déplacer à travers un tube flexible 12 qui pourrait être constitué par les parois d'un vaisseau sanguin, par exemple d'une veine ou artère. Le système optique comprend un élément optique axial conique 14 qui consti- tue l'extrémité frontale en angle, une unité de lentille relais 16, un détecteur d'image 18, une source de lumière 20 et un guide de lumière 22. Le détecteur ou capteur d'image 18 est typiquement centré autour d'un axe de symétrie 29 qui sert également d'axe optique pour le système optique. Le détecteur d'image 18 comprend de façon typique un capteur 24 tel qu'un dispositif à charge couplée (CCD) et son circuit de commande associé 26. L'élément axial conique 14 est le résultat de la rotation d'un trapèze autour de l'axe 29 (trapèze de révolution). Les faces extérieures de l'élément axial conique 14 forment un angle et du fait que l'élément axial conique 14 est le premier élément du système optique à pénétrer dans le tube flexible 12, l'élément axial conique 14 sert à ouvrir ou "évaser" le tube flexible replié 12 à travers lequel se déplace le système optique. Il en résulte que les parois intérieures désignées par les références 40 du tube flexible 12 sont pressées contre les faces extérieures de l'élément axial conique 14. Cet élément axial conique 14 présente typiquement un trou d'alésage 30 en son centre, ce trou étant recouvert d'un capuchon arrondi 32. Le trou d'alésage axial co- nique 30 peut être cylindrique ou bien présenter un angle, c'est-à-dire être conique, comme représenté sur les figures. Le guide de lumière 22 guide de façon typique la lumière à partir de la source , constituée par exemple d'une diode émettrice de lumière (LED) jusqu'à l'intérieur du trou d'alésage 30. Le guide de lumière 22 est typiquement un guide de lumière en fibres optiques formé d'une fibre de verre 34 revêtue d'un revêtement 36 qui est apte à retenir la lumière à l'intérieur du guide de lumière 22. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, la partie de guide de lumière 22 à l'intérieur du trou d'alésage 30 n'est pas revêtue du revêtement 36 et, en conséquence, peut fournir de la R\13000\13035 DOC - 17ju1let 1995 - 3/8 lumière à l'élément axial conique 14. Les flèches 38 indiquent les directions prises par la lumière émise par le guide de lumière 22. Le guide de lumière 22 fournit de la lumière pour illuminer les parois inté- rieures 40 du tube flexible 12 qui viennent presser contre l'élément axial conique 14 lorsque le système optique selon la présente invention traverse le tube 12. L'objet à détecter est ainsi présent sur la surface de l'élément axial conique 14. Les objets à détecter sont constitués par les parois intérieures d'un tube flexible. Du fait de la forme en angle de l'élément axial conique 14, les parois inté- rieures 40 son repoussées contre la surface extérieure de l'élément axial conique 14, de manière à assurer la création d'un objet dont les distances par rapport au capteur 24 sont bien définies. Cependant, l'objet résultant est renversé par rapport à l'axe op- tique 29. Comme ceci est bien connu de l'art antérieur, les objets renversés forment des images uniquement sur des détecteurs plats renversés placés en formant un angle par rapport à l'axe optique. Ce problème est connu dans l'art antérieur comme étant la "Condition Scheimpflug". On en a discuté aux pages 812 et 813 du Manual of Pho- togrammetrv, volume 1, troisième édition, American Society of Photogrammetry, 1966, ce livre étant à considérer à titre de référence comme faisant partie de la pré- sente description. Plus spécifiquement, la Condition Scheimpflug nécessite que le plan de l'objet renversé, le plan de la lentille principale et le plan d'image convergent en un point. Lorsque l'on forme des images avec des lentilles classiques, les objets coniques forment des plans d'images coniques qui, à leur tour, provoquent de la distorsion d'image et des images tordues et défocalisées sur ledit détecteur plat. En plus de la création de la forme de l'objet à détecter, l'élément axial conique 14 réalise la compensation de la forme conique de l'objet. Cette compensation est due au fait que l'élément axial conique constitue un "coin" plutôt qu'uniquement une surface conique. Le coin assure que les rayons provenant de différentes parties de l'objet renversé suivent différents trajets optiques, les longueurs optiques étant pré- vues pour compenser d'une manière générale la Condition Scheimpflug. Ainsi, l'élément axial conique 14 fournit un objet perpendiculaire et permet à l'unité de len- tille relais 16 de former une image sur le capteur 24, lorsque ce dernier est perpendi- culaire à l'axe optique 29. L'unité de lentille relais 16 est une lentille relais à grand angle qui réduit la taille de l'objet perpendiculaire produit par l'élément axial conique 14. Elle sert éga- lement à réduire à un minimum les aberrations optiques du système optique. Comme représenté sur les figures 1 et 2, l'unité de lentille relais 16 comporte deux lentilles 41. L'élément axial conique 14 fournit une image en forme de tore au capteur 24. R \13000\13035 DOC - 17 j iiet 1995 -4/8 2723215 Un exemple d'une telle image captée en forme de tore est représentée à la figure 3. L'image en forme de tore comporte un trou 42 dû à la présence du trou d'alésage 30. Dans l'exemple de la figure 3, la goutte indiquée par la référence 44, est cou- ramment placée à proximité du trou d'alésage 30 et la goutte indiquée par la réfé- rence 46 est alors placée à proximité du bord extérieur de l'élément 14. Lorsque le système optique se déplace plus loin dans le tube flexible 12, la goutte 44 se déplace radialement vers le bord extérieur de l'image de la figure 3. L'élément axial conique 14 est typiquement formé par un matériau translucide approprié quelconque, tel que du verre ou de la matière plastique. Il présente une surface extérieure axial conique 50 (figure 2) faisant un angle alpha avec l'axe de symétrie 29, les côtés 52 et une surface intérieure 54. Plus l'angle alpha est faible, plus il est facile pour les parois intérieures 40 de se déplacer le long de l'élément axial conique 14. Cependant, si l'angle alpha est trop petit, l'élément 14 peut ne pas être capable de réaliser la compensation pour la condition Scheimpflug. La figure 2 montre un tracé de rayon pour quatre faisceaux A, B, C et D. On peut voir à partir des points A, B, C, D, indiqués sur le plan de détecteur 24', que l'objet renversé de la surface extérieure 50 d'un élément axial conique 14 a son image sur le plan détecteur plan 24'. On peut en outre voir que l'élément axial conique 14 ne focalise pas l'image. On indique ci-après les paramètres du système optique selon la présente inven- tion à titre d'exemple de mode de réalisation: - diamètre extérieur du tube de logement 10: 8 mm - angle ac de la surface extérieure axiale conique 50: 25 à 35 degrés - diamètre du capteur 24: 2,5 à 6,0 mm longueur focale effective du système optique: 2 mm - F/# de l'élément 14 du côté image: F/2,3 - grossissement: M x 1/4 - champ de vision annulaire: entre 12 degrés et 20 degrés - taille de l'image sur le capteur 24: diamètre extérieur = 1,8 mm diamètre intérieur = 0,6 mm Dans un mode de réalisation en variante de la présente invention, le capuchon 32 est constitué par une lentille, de manière à permettre de réaliser l'image du centre du tube flexible. Cependant, ceci exige que l'illumination ou l'éclairement ne vienne pas à travers le trou d'alésage mais depuis le côté du logement 10. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation dé- crit et représenté, mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à R \13000\13035 DOC - 17 juIlet 1995 - 5/8 l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. R \13000\13035 DOC- 17 judlet 1995 6/8 REVENDICATIONS 1.- Système optique destiné à réaliser des images des parois intérieures d'un tube flexible, caractérisé en ce qu'il comporte: a) un élément optique axial conique (14) présentant une surface extérieure co- nique qui, lorsque cette dernière est en contact avec lesdites parois intérieures (40), crée un objet conique sur ladite surface extérieure conique, pour compen- ser la forme conique dudit objet conique; b) un détecteur d'images (18); et c) une unité relais (16) qui transmet en relais ledit objet compensé audit capteur d'images (18). 2.- Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élé- ment optique axial conique (14) présente un axe de symétrie 29 et comporte un trou d'alésage (30) centré autour dudit axe de symétrie. 3.- Système optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il com- porte également une source lumineuse (20) et un guide de lumière (22) s'étendant de ladite source lumineuse audit élément optique axial conique (14). 4.- Système optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit guide de lumière (22) s'étend de ladite source de lumière (20) jusqu'à l'intérieur dudit trou d'alésage (30) et en ce que ledit guide de lumière (22) comporte un revêtement (36) partout sauf à l'intérieur dudit trou d'alésage (30). 5.- Système optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que ledit élément axial conique (14) est disposé devant ladite unité relais (16) et ledit capteur d'image (18), de manière à ce que ledit tube flexible (12) pénètre en premier et ouvre ledit tube flexible s'il s'est écrasé ou s'est fermé ou replié sur lui- même. 6.- Procédé pour réaliser des images d'un tube flexible, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant: a) à forcer un élément optique axial conique, comportant une surface extérieure conique, contre les parois intérieures dudit tube, de manière à créer un objet conique sur au moins une partie de ladite surface extérieure conique; et b) à transmettre en relais une version compensée dudit objet conique à un élément capteur. 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