Brevet FR2979143A1 — publié le 20130222

B10645 - 01800-03 1 DISPOSITIF OPTIQUE D'ANALYSE INTERFÉROMÉTRIQUE DE L'ÉTAT DE SURFACE INTERNE D'UN TUBE Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif d'analyse de l'état de surface de l'intérieur d'un tube, et en particulier d'un tube de petit diamètre intérieur. Exposé de l'art antérieur On connaît des dispositifs de mesure du diamètre interne d'un tube, tels que celui décrit dans la demande de brevet US 2010/0220369, qui utilisent des systèmes optiques classiques à lentilles. Dans la demande de brevet US 2010/0220369, on prévoit un renvoi de la lumière orthogonalement à la direction d'un faisceau principal en rajoutant un système de miroir. Ces dispositifs ne permettent pas d'effectuer des mesures dans des tubes de très petits diamètres et avec une très forte définition. Par ailleurs, il existe des dispositifs optiques d'analyse interférométrique qui permettent de mesurer avec une précision de l'ordre du nanomètre la rugosité d'une surface. Un exemple d'un tel dispositif est décrit dans la demande de brevet français N° 0859091 (B9031) des demandeurs. La figure 1 reprend la figure 1 de la demande de brevet susmentionnée. Une source optique 1 envoie un faisceau B10645 - 01800-03 2 lumineux, par exemple un faisceau laser, vers la surface 2 d'un objet à analyser par l'intermédiaire d'une fibre optique 3 comprenant un coeur 4 et une gaine optique 5. Le faisceau laser forme sur l'objet 2 une tache lumineuse. Le faisceau lumineux est renvoyé dans la fibre d'une part par la surface d'extrémité 7 de la fibre, d'autre part par l'objet 2, en direction d'une séparatrice 8 et d'un détecteur 9. Ainsi, au niveau du détecteur, on peut observer une interférence entre la lumière renvoyée par l'extrémité de la fibre et la lumière renvoyée par l'objet. Si la surface de l'objet est globalement orthogonale à l'axe du faisceau de sortie de la fibre, et si on déplace la fibre de sorte que son extrêmité reste dans un plan parallèle au plan de l'objet on observe une variation de la figure d'interfé- rences et cette variation permet de déterminer la topographie de l'objet. Ce dispositif permet d'analyser avec précision l'état de surfaces planes. On souhaiterait pouvoir analyser avec une même précision la surface interne d'un tube. Résumé Ainsi un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un dispositif adapté à mesurer la topographie de la surface interne d'un tube de très petit diamètre avec une très haute résolution. Un autre objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un dispositif simple et compatible avec les dispositifs d'analyse interférométrique à fibre optique existants. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un dispositif optique d'analyse interférométrique de l'état de surface de l'intérieur d'un tube, comprenant une fibre optique dont l'extrémité libre est taillée en biseau de façon à renvoyer un faisceau incident perpendiculairement à l'axe de la fibre, la surface biseautée étant métallisée. B10645 - 01800-03 3 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau de métallisation est de l'or. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la fibre optique est taillée de sorte que seule une partie de la 5 surface du coeur de la fibre contribue au renvoi du faisceau incident. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la fibre est taillée en pointe puis taillée en biseau au niveau de son seul coeur. 10 Selon un mode de réalisation de la présente invention, le dispositif comprend en outre des moyens de filtrage du signal d'interférences éliminant les fréquences résultant du déplacement de la fibre optique. La présente invention prévoit un procédé d'analyse 15 interférométrique de l'état de surface de la surface interne d'un tube comprenant les étapes consistant à introduire une extrémité d'une fibre optique dans le tube, l'extrémité de la fibre étant taillée en biseau de façon à renvoyer un faisceau incident perpendiculairement à l'axe de la fibre, la surface 20 biseautée étant métallisée ; déplacer la fibre optique en translation et en rotation ; et détecter le signal d'interférences entre une onde lumineuse réfléchie par la fibre optique et une onde renvoyée par la surface interne du tube. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 25 le procédé comprend en outre une étape consistant à filtrer le signal d'interférences pour éliminer les fréquences résultant du déplacement de la fibre optique. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que 30 d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1, décrite précédemment, représente schématiquement un dispositif optique d'analyse interférométrique de 35 la topographie d'une surface à analyser, B10645 - 01800-03 4 la figure 2 représente l'extrémité d'une fibre optique d'un dispositif d'analyse interférométrique de la topographie de la surface interne d'un tube selon une mode de réalisation de la présente invention, la figure 3 illustre une variante de réalisation d'un dispositif d'analyse interférométrique de la topographie de la surface interne d'un tube, et les figures 4A et 4B illustrent une autre variante de réalisation d'un dispositif d'analyse interférométrique de la 10 topographie de la surface interne d'un tube. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été dési- gnés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. 15 La figure 2 représente l'extrémité d'une fibre optique d'un dispositif d'analyse interférométrique de la topographie de la surface interne d'un tube. Une fibre optique 3, dont une seule extrêmité est représentée, comprend un coeur 4, une gaine optique 5 enrobant le coeur 4 et une gaine de protection 6 entou- 20 rant la gaine optique 5. L'extrêmité de la fibre optique est dénudée en éliminant une partie de la gaine de protection pour former une partie de fibre optique nue. Le coeur 4 et la gaine optique 5 sont par exemple en des oxydes de silicium différemment dopés. L'extrêmité de la fibre optique nue est taillée en 25 biseau selon un angle voisin de 45°. Le biseau est recouvert d'une couche réfléchissante 10, par exemple une couche métallique et plus particulièrement une couche d'or. Pour former la couche réfléchissante sur le biseau, on peut par exemple exposer l'extrémité de la fibre optique nue à une source d'évaporation 30 ou de pulvérisation. L'évaporation et la pulvérisation étant directionnelles, toutes les surfaces de la fibre optique nue en regard de la source sont recouvertes par la couche réfléchissante, comme cela est illustré dans la figure. De façon générale, avant de déposer la couche réflec35 trice on déposera une couche d'accroche, par exemple en chrome B10645 - 01800-03 ou en titane et la couche réflectrice pourra être de l'or ou de l'aluminium. On notera que la modalité de renvoi de la lumière de la figure 2 est particulièrement avantageuse par rapport aux 5 structures antérieures telles que décrites par exemple dans la demande de brevet US 2010/0220369. En effet, on évite d'ajouter au système existant un miroir de renvoi, ce miroir de renvoi étant incorporé à la fibre par le biais de sa taille en biseau comme cela a été indiqué ci-dessus. L'extrémité de la fibre optique est placée dans un tube 11 qui est l'objet dont on souhaite analyser la surface interne. La fibre optique 3 est positionnée dans le tube 11 de sorte que l'axe de la fibre soit sensiblement confondu avec celui du tube. Pour procéder à une mesure de la topologie de la surface interne du tube 11, un faisceau lumineux 12, par exemple celui d'un laser émettant dans le domaine visible, est injecté dans la fibre optique 3. A l'extrêmité de la fibre optique représentée en figure 2, le faisceau est réfléchi par la couche réfléchissante 10 et se propage transversalement à l'axe de la fibre optique dans la direction opposée au biseau. Le faisceau forme sur la surface interne du tube une tache lumineuse de hauteur d2. Le faisceau est renvoyé dans la fibre d'une part par l'interface 14 entre la fibre optique et l'air, d'autre part par le tube 11. Ainsi, on peut observer une figure d'interférences entre les ondes lumineuses 16 renvoyées par la fibre optique et les ondes lumineuses 18 renvoyées par le tube. On peut mesurer l'évolution de la figure d'interférences lors du déplacement de la fibre optique en translation et en rotation selon l'axe du tube 11. Le déplacement des franges d'interférences traduit la variation de distance entre l'extrémité biseautée de la fibre optique et la surface analysée. Ainsi, on obtient une mesure de la topologie de la surface interne du tube. B10645 - 01800-03 6 Tout comme les autres dispositifs d'analyse interférométrique de surface d'un objet, le dispositif proposé ici a une résolution de l'ordre de quelques nanomètres pour les distances radiales entre l'extrêmité taillée de la fibre optique et la surface analysée. La résolution spatiale, c'est-à-dire dans les directions de la surface éclairée du tube, est sensiblement égale aux dimensions de la tache lumineuse, soit sensiblement les dimensions du coeur 4 de la fibre optique (couramment 3 à 5 }gym pour une fibre adaptée à guider une lumière visible). Selon un aspect de la présente invention, il est prévu des moyens pour obtenir une tache lumineuse dont la dimension est inférieure à celle fixée par le diamètre du coeur de la fibre. La figure 3 illustre une première variante du mode de réalisation illustré en figure 2, visant à améliorer la résolution spatiale. Une fibre optique 3 est taillée en double biseau. Le double biseau est formé de deux biseaux 20a et 20b symétriques dans l'exemple représenté. Une couche réfléchissante 22 recouvre le biseau 20b. Contrairement à ce qui est représenté dans la figure, l'angle formé par les deux biseaux est choisi de sorte que la partie du faisceau lumineux se réfléchissant sur le biseau 20b sorte de la fibre orthogonalement à son axe. A l'extrêmité de la fibre optique, un faisceau laser incident 24 est divisé en un faisceau réfléchi 26 sur le biseau 20b et un faisceau transmis 28 au travers du biseau 20a. Seul le faisceau réfléchi 26 est utile à l'analyse interférométrique de la surface interne du tube. On veillera à ce que le faisceau transmis 28 ne soit pas renvoyé dans la fibre. Le faisceau 26, réfléchi par le biseau 20b, subit une réfraction au niveau de sa sortie du biseau 20a. Ce faisceau réfléchi 26 forme sur la surface interne du tube une tache lumineuse de hauteur d3. Le faisceau lumineux est renvoyé dans la fibre d'une part par l'interface 29 entre le coeur 4 et l'air, d'autre part par le tube 11. B10645 - 01800-03 7 Dans la variante proposée en relation avec la figure 3, la résolution spatiale du dispositif est accrue par rapport à celle du dispositif illustré en figure 2. En effet la hauteur d3 de la tache lumineuse sur le tube est divisée par deux par 5 rapport à la hauteur d2 puisque seulement la moitié du faisceau laser est réfléchie sur la couche 22. Ainsi, en limitant la surface de réflexion sur laquelle le faisceau incident est réfléchi vers la surface à analyser, on réalise l'équivalent d'un diaphragme qui limite les dimensions de la tache lumineuse 10 sur la surface du tube. Le double biseau selon lequel l'extrémité de la fibre est taillée peut être dissymétrique. Dans ce cas, si c'est le biseau de plus faible surface qui est métallisé, la résolution spatiale est encore accrue. 15 Les figures 4A et 4B, la figure 4B étant une vue agrandie d'une partie de la figure 4A, illustrent une deuxième variante du mode de réalisation illustré en figure 2, visant également à améliorer la résolution spatiale. Comme précédemment, on a représenté l'extrémité d'une fibre optique 3 compre- 20 nant un coeur 4, une gaine optique 5 entourant le coeur et une gaine de protection 6 entourant la gaine optique 5, l'extrémité de la fibre optique étant dénudée en éliminant une partie de la gaine de protection pour former une partie de fibre nue. Dans cette réalisation, la fibre est taillée de façon 25 extrêmement pointue, de sorte qu'une extrémité en pointe 30 du coeur 4 déborde nettement par rapport à la limite de la gaine optique 3. Ensuite la fibre est taillée de façon à former un méplat 31 seulement sur l'extrémité en pointe 30 du coeur 41, de la façon représentée. Ensuite, comme précédemment, une couche 30 réflectrice 33 est formée de façon orientée de manière à recouvrir le côté de la fibre comportant le méplat 31. L'angle du méplat 31 est choisi pour que la lumière arrivant dans la fibre optique et venant frapper ce méplat 31 se réfléchisse pour former un faisceau de sortie 36 orthogonal à la direction 35 générale de la fibre. Par contre la lumière arrivant sur la B10645 - 01800-03 8 partie 34 du coeur est perdue (elle se réfléchit dans des directions d'où elle ne sera pas renvoyée dans la fibre). Le faisceau de sortie 36 a un diamètre d4 qui, comme on le comprendra peut être réglé de façon choisie en fonction de la distance à la pointe de la fibre à laquelle on a formé le méplat. En pratique, on pourra prévoir pour la surface réflectrice 31 des dimensions de l'ordre de la demi-longueur d'onde de la lumière incidente. Bien que cela ne soit pas représenté en figures 3 et 4B, on comprendra que, en sortant de la fibre, le faisceau est défléchi sous l'effet de la réfraction. L'angle des surfaces réflectrices (20b, 31) sera choisi pour que le faisceau de sortie soit effectivement à 90° de l'axe de la fibre en tenant compte de cette déflection. D'un point de vue mécanique, on s'aperçoit qu'il est en pratique impossible de centrer la fibre optique dans le tube avec la précision requise qui devrait être au moins équivalente à la résolution du dispositif, c'est-à-dire quelques nanomètres. Lors d'une mesure par le dispositif décrit ici, la fibre optique est entraînée en rotation et déplacée en rotation à vitesse constante. Si la fibre est décentrée, il apparaît lors de la rotation une variation de distance entre la fibre et le tube, même si le tube a un relief parfaitement régulier. En d'autres termes le signal d'interférences mesuré est modulé par la fréquence de rotation de la fibre. Pour s'affranchir de cette erreur de mesure, on prévoit des moyens de filtrage du signal d'interférences pour éliminer la fréquence de rotation de la fibre optique. Les moyens de filtrage peuvent être par exemple un filtre passe-haut puisque les signaux correspondant à la topologie d'une surface analysée ont une fréquence élevée par rapport à la fréquence de rotation de la fibre. Le filtrage peut être réalisé avec un logiciel de traitement du signal. De façon courante, le diamètre d'une fibre optique nue est de l'ordre de 100 }gym, et le diamètre de la gaine de protec35 tion est de l'ordre de 250 à 600 }gym. Si le tube est de très B10645 - 01800-03 9 petit diamètre, on n'y introduit que l'extrêmité dénudée de la fibre. Le dispositif proposé ici peut réaliser des mesures sur des tubes de diamètre interne inférieur au millimètre. Le dispositif proposé ici permet de réaliser des 5 mesures sur des tubes de longueurs très variables, de quelques millimètres à quelques centimètres, comme par exemple des seringues ou des cathéters. On n'a pas décrit en détail le traitement du signal d'interférences, car, à l'exception des moyens d'élimination des 10 composantes parasites liées à la rotation de la fibre, ce traitement est analogue à celui utilisé dans les systèmes classiques d'analyse interférométrique de l'état de surface d'une surface plane. Les diverses variantes de traitement décrites dans ces systèmes classiques peuvent s'appliquer, 15 mutatis mutandis, à un dispositif tel que décrit ici. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la longueur d'onde d'émission du laser, le type de fibre optique et le 20 matériau de la couche réfléchissante seront choisis en fonction des performances souhaitées du dispositif. Par ailleurs, bien que l'on ait décrit un déplacement en rotation et en translation de la fibre par rapport au tube, il peut être plus simple de déplacer le tube par rapport à la fibre. REVENDICATIONS1. Dispositif optique d'analyse interférométrique de l'état de surface de l'intérieur d'un tube (11), comprenant une fibre optique (3) dont l'extrémité libre est taillée en biseau de façon à renvoyer un faisceau incident perpendiculairement à l'axe de la fibre, la surface biseautée étant métallisée (10). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le matériau de métallisation est de l'or. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel la fibre optique (3) est taillée de sorte que seule 10 une partie de la surface du coeur de la fibre contribue au renvoi du faisceau incident. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la fibre est taillée en pointe puis taillée en biseau au niveau de son seul coeur. 15 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 4, comprenant en outre des moyens de filtrage du signal d'interférences éliminant les fréquences résultant du déplacement de la fibre optique (3). 6. Procédé d'analyse interférométrique de l'état de 20 surface de la surface interne d'un tube (11), comprenant les étapes suivantes : introduire une extrémité d'une fibre optique (3) dans le tube (11), l'extrêmité de la fibre étant taillée en biseau de façon à renvoyer un faisceau incident (12) perpendiculairement à 25 l'axe de la fibre, la surface biseautée étant métallisée (10) ; déplacer la fibre optique (3) en translation et en rotation ; et détecter le signal d'interférences entre une onde lumineuse (16) réfléchie par la fibre optique et une onde (18) 30 renvoyée par la surface interne du tube. 7. Procédé selon la revendication 6, comprenant en outre une étape consistant à filtrer le signal d'interférences pour éliminer les fréquences résultant du déplacement de la fibre optique (3).