FR2606522A1 - Dispositif et procede optique de mise au point photoelectrique, notamment pour microscopes d'operations chirurgicales - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIF ET PROCEDE DE MISE AU POINT PHOTOELECTRIQUE CARACTERISE EN CE QU'EN DEPLACANT LE PLAN OBJET 22, LA LIGNE DE CONTRASTE MOYEN MAXIMAL DU DISPOSITIF EN FORME DE MATRICE DETERMINE LA VARIATION DE POSITION DE LA LIGNE DE CONTRASTE MOYEN MAXIMAL, ET EN CE QU'A PARTIR DE LA DIRECTION ET DE L'IMPORTANCE DE L'ECART, IL EST FORME UN SIGNAL DE COMMANDE DESTINE A UNE COMMANDE MOTORISEE DE LA FOCALISATION.
Description
L'invention est utilisable dans les appareils optiques d'observation, de
prise de vues et de mesure à courte distance, c'est-à-dire que l'éloignement de l'objet correspond à la distance focale de l'objectif, notamment dans les microscopes pour
opératior chirurgicale ainsi que pour inspection.
Les solutions techniques connues se répartissent selon leur principe en trois groupes principaux de
procédés.
(a) Télémètres de base.
(b) Détermination de la position du plan image à
partir de la mesure du contraste maximal.
(c) Mesures du temps de transit.
Dans les télémètres de base, le pouvoir de résolution angulaire pouvant être atteint par (le plus souvent) deux points à la distance de l'objet et qui sont séparés dans l'espace d'une certaine distance (largeur de base), est utilisé pour la mise au point. La précision de ce procédé dépend du principe utilisé (ultra-sons (temps de transit), lumière infra- rouge) et de la largeur de base qui n'est généralement pas supérieure aux dimensions extérieures de l'appareil. La précision pouvant être atteinte, a donc des limites qui sont fixées par l'appareil et par l'application. Un autre inconvénient réside dans le fait que l'on n'utilise pas pour la mise au point l'image formée elle-même, mais une valeur préalablement définie par la géométrie des points de base et du plan objet. Pour les objets ayant une extension dans l'espace ou fortement fracturés, ou dont l'axe est oblique, le plan de mise au point ne peut être défini automatiquement. L'exploitation de différences de temps de transit ou de différences de phase dans le
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domaine des courtes distances nécessite une grande complexité électronique (temps de transit très court). La détermination de la position du plan image à partir de la mesure du contraste maximal peut s'effectuer de deux façons différentes: - exploitation du contraste propre à l'objet et exploitation d'un contraste produit artificiellement. Dans les plages de grande profondeur de champ qui constituent le but recherché dans l'observation à courte distance, ces procédés n'ont pas non plus une grande précision, puisque l'on a une plage étendue de contraste relativement élevé sur une grande largeur ou profondeur. Pour déterminer la direction de la déviation focale, il faut une grande complexité technique et électronique, comme dans le cas des télémètres de base. Pour les très grandes déviations focales (contraste minimal, écart supérieur à 10% de la distance de l'objet), il faut des moyens spéciaux
pour déterminer le signe de l'écart directionnel.
L'invention a pour but d'éviter les inconvénients ci-dessus, notamment d'accroître la
précision en fonctionnement automatique.
L'invention a pour but de réaliser un dispositif et de proposer un procédé, présentant un faible encombrement, des éléments constitutifs non mobiles, une précision suffisante et une sensiblité en cas de grande déviation focale, et qui puisse fonctionner même dans le cas d'objets faiblement structurés et peu contrastés. Ce but est atteint avec un dispositif optique de mise au point photo-électrique suivant l'invention, notamment pour microscopes pour opérations chirurgicales, en ce qu'il est prévu au moins un premier plan de mise au point placé après le
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premier objectif de reproduction et incliné par-
rapport à son axe optique, dans lequel est placé un verre dépoli, en ce qu'un deuxième plan de mise au point au moins est placé après un deuxième objectif de reproduction, le premier plan de mise au point étant reproduit par le deuxième objectif de reproduction dans le deuxième plan de mise au point et au moins un récepteur photo-électrique à déclenchement local, en forme de matrice, étant prévu dans le deuxième plan de mise au point, dont les lignes sont parallèles à la ligne d'intersection du premier plan de mise au point et du plan image du premier objectif de reproduction, la position réciproque du premier et du deuxième plans de mise au point satisfaisant à la condition de Scheimpflug, en ce que chaque point du premier plan de mise au point est conjugué à un point du deuxième plan de mise au point, et une valeur moyenne de contraste étant formée par un calculateur pour chaque ligne du
récepteur en forme de matrice.
Des variations avantageuses prévoient deux verres dépolis inclinés l'un vers l'autre dans deux plans de mise au point inclinés l'un vers l'autre dont la ligne d'intersection se situe sur l'axe optique, ainsi que deux dispositifs de réception inclines l'un vers l'autre dans deux plans de mise au point inclinés l'un vers l'autre et dont le deuxième est conjugué au premier, ou trois verres dépolis ainsi que trois dispositifs de réception, ou une cascade de n verres dépolis dans plusieurs paires de plans de mise au point auxquels est associé un
dispositif de réception en forme de matrice.
Il est possible encore de former l'image d'une source lumineuse en forme de grille dans la plage de longueur d'ondes non visible par l'intermédiaire d'un diviseur de faisceaux, dans le plan objet et de former son image avec l'objet dans le premier et le deuxième plans de mise au point ou de former sur l'objet une fente étroite, le dispositif de réception en forme de matrice étant remplacé par une ligne de
récepteurs disposés parallèlement à la fente.
Le procédé suivant l'invention consiste en ce qu'en déplaçant le plan objet, la ligne de contraste moyen maximal du dispositif de réception sous forme de matrice détermine la variation de position de la ligne de contraste moyen maximal, et en ce qu'à partir de la direction et de l'importance de l'écart, un signal de commande est formé pour une commande motorisée de la focalisation; dans ce cas, il est possible avantageusement de déterminer une inclinaison du plan objet par rapport à l'axe optique du premier objectif en exploitant la position d'au moins deux bandes de contraste moyen maximal sur les récepteurs, ainsi que d'obtenir une commande de l'inclinaison de l'appareil optique d'observation ou
de mesure par rapport au plan objet.
L'invention réside dans une exploitation de la dépendance à l'égard du lieu du contraste maximal et de la détection, c'est-à-dire dans l'exploitation de la position de contraste maximal sur une surface de détecteur. A l'aide de la formation d'une image supplémentaire, on obtient ce signal dépendant du lieu et destiné à commander un moteur de focalisation, d'après la condition de Scheimpflug, entre des verres dépolis inclinés et des détecteurs de contraste. Les avantages de ce procédé et du dispositif résident dans la simplicité de mise au point. Les défauts d'exemplaire des détecteurs jouent un rôle secondaire, ce qui permet de maintenir les tolérances mécaniques à un faible niveau. La
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précision obtenue est suffisante pour obtenir toujours une image nette que ce soit en observation visuelle ou en documentation photographique ou cinématographique. Diverses autres caractéristiques de l'invention
ressortent de la description détaillée qui suit. Des
modes de réalisation de l'invention sont illustrés & titre d'exemple non limitatif en référence aux
dessins annexés.
La figure 1 est un schéma de la constitution optique d'un dispositif suivant l'invention (cas le
plus simple).
La figure 2 est un mode de réalisation comportant deux verres dépolis et deux récepteurs
(cas spécial).
La figure 3 est un mode de réalisation comportant deux verres dépolis et deux récepteurs
(cas général).
La figure 4 est un mode de réalisation comportant trois verres dépolis et trois récepteurs
(cas le plus général).
La figure 5 est une cascade de n verres dépolis
avec un détecteur.
La figure 6 représente un dispositif pour objets
peu contrastés (cas le plus simple).
La figure 7 est un schéma du principe de fonctionnement. La figure 1. 'eprésente un schéma d'un cas
général du dispositif de télémétrie photoélectrique.
Un objet 1, disposé perpendiculairement & l'axe optique 0, a son image formée & l'infini par un objectif 2. La référence 3 désigne un système optique de réfringence zéro destiné à faire varier l'échelle de l'image formée (en général un système de lunette
de Galilée ou un système pancratique).
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L'image du plan objet 1l est formée par un objectif tube 4 dans un plan image 5. Le plan image 5 est coupé sur l'axe optique O par un verre dépoli 6 à grains fins, incliné. La référence 7 désigne la position de contraste maximal dans la zone de profondeur de champ de l'objectif tube 4, au point d'intersection des plans 5 et 6. A l'aide d'une autre image formée au moyen d'un système optique 8 en respectant la condition de Scheimpflug, le plan 6 du verre optique a son image formée dans le plan d'un récepteur & balayage 10 opto-électrique (détecteur & balayage CCD). Le plan 5 du verre dépoli, le plan du système optique 8 et le plan de récepteur 10 doivent
satisfaire à la condition de Scheimpflug, c'est-à-
dire qu'ils doivent avoir une ligne d'intersection commune. Dans le plan image 9, il se forme sur le détecteur 10, l'image du plan du verre dépoli 6 avec le lieu du plus grand contraste 11. D'une manière avantageuse, les lignes du détecteur CCD sont parallèles à la ligne d'intersection des plans 9 et ou 5 et 6, afin de faciliter le repérage du signal. Les figures 2 et 3 montrent un autre mode de réalisation du dispositif suivant l'invention avec des formes modifiées pour les verres dépolis et les récepteurs. Les références 12 et 13 désiqnent
respectivement deux verres dépolis ou récepteurs incli-
nés l'un vers l'autre avec les lieux de plus grand contraste 7' et ll'. A la figure 2, le plan objet 1 est orienté perpendiculairement à l'axe optique 0. La figure 3 représente un cas général avec plan objet 1' incliné, le lieu de plus grand contraste 7" et 11" et
le plan image 5' et 9'.
La figure 4 représente un autre mode de réalisation comportant trois verres dépolis 14
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(inclinés de 90' l'un par rapport à l'autre) et trois récepteurs 15 (également inclinés de 90' l'un par rapport à l'autre). Tous les dispositifs partiels doivent satisfaire de manière connue à la condition de Scheimpflug. La figure 5 montre la possibilité d'une cascade de n verres dépolis et récepteurs 16 disposés l'un derrière l'autre, la précision et le pouvoir de résolution de l'appareil, déterminés par le rétrécissement constant de la zone de constraste
maximal dans le plan image pouvant être accrus.
La figure 6 représente un autre mode de réalisation du dispositif suivant l'invention pour le cas d'objets peu contrastés. L'image d'une grille de diodes émettrices de lumière infra-rouge 17 est formée par un système de 'projection 8, dans le plan objet 1, par l'intermédiaire d'un miroir à lumière infra-rouge 19 semi-perméable. L'image de cette grille de diodes à infra-rouge est formée avec l'objet sur le verre dépoli 20 puis sur la surface
de détecteur 21, avec l'objet.
La figure 7 représente de façon schématique le fonctionnement d'un dispositif suivant l'invention
(par exemple figure 1).
Un plan objet 22 à une distance fl de l'objectif 23 (distance focale de l'objectif) est déplacé en 22 de Sx pour atteindre la distance (6x + f 1). Son image 25 se forme déplacée de la distance Wx' en direction de , à la distance f2 - Sx' de l'objectif tube 24. La distance ix' résulte de l'échelle de reproduction en profondeur 01: 354 m -( r)L soit g X, - a. dry -+'*) X
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En raison du verre dépoli 26 incliné de l'angle par rapport & l'axe optique, on a sur celui-ci un déplacement de la ligne d'intersection avec le plan image, d'une distance A s' de 27 vers 28. 27 et 28 désignent la zone de profondeur de champ de l'objectif tube 24 qui résulte de la pénétration du plan image dans le verre dépoli. On calcule que s' est égal à: bs'- -c.{& cos' cos? ú. ' Proportionnellement à la déviation focale, on a donc un déplacement correspondant d'une zone avec un
contraste moyen maximal sur le verre dépoli 26.
L'image de ce plan de verre dépoli- est formée par un autre système optique 29 avec f3, ouverture libre d3, selon l'équation de reproduction optique connue a= dans le plan du détecteur CCD 31, en respectant la condition de Scheimpflug (lieux de contraste
maximal 32, 33).
En sélectionnant ligne par ligne la diode individuelle j (Pixel) du détecteur CCD et en effectuant le calcul d'après K;3 v= U-; - U;i+4 ains que U3 + U;ai+.4
-
e4
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(Uij - Intensité en Pixel j dans ligne i)
on forme par ligne i un contraste moyen Ki.
La variation de la courbe de contraste permet de déterminer le lieu du contraste moyen maximal et par
conséquent la position du plan image et foyer.
Sur le détecteur 31, on peut enregistrer la variation de position As" de la zone à contraste moyen maximal et à partir de la direction et de l'importance de l'écart, on peut obtenir électroniquement un signal de commande précis pour un moteur de focalisation. La variation de la position A s" sur le détecteur résulte de manière connue du déplacement du plan image 30 du système optique 29 b x": Jx aSX=g"(a. P.LaSx cos
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La sensibilité du système résulte du pouvoir de résolution du récepteur. 31 et de l'échelle de reproduction. Le pouvoir de résolution d'un détecteur CCD est déterminé par la distance séparant deux éléments voisins. x du détecteur. On calcule à partir du pouvoir de résolution du récepteur (diamètre du cercle de défocalisation Q à x) avec l'ouverture relative du système optique 29 S ci 3 une zone de profondeur de champ dans le plan image
30:
-/Z 2X df Du fait de l'inclinaison du détecteur 31 vers l'axe optique, de l'angle È, cette zone diminue: Il en résulte pour la profondeur de champ dans le plan 25, par l'échelle de reproduction 2: Chu;) = 'tr = ( i)dû Z. ir ainsi que pour la profondeur de champ t(22) dans le plan objet 22:
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^(X^) ' (3o)) 4a Cette valeur correspond à la précision réglable du plan foyer de l'objectif à condition qu'un déplacement de la position du contraste moyen maximal sur le détecteur, d'une distance de ligne (mA x) soit détectable. Une comparaison avec l'oeil en tant que
récepteur optique montre (pouvoir de résolution -
0,15 mm à la distance de vision nette 250 mm) qu'en disposant le détecteur CCD on obtient un pouvoir de résolution supérieur d'un facteur 10 au moins. Dans l'oeil, la composante principale de la profondeur de champ dans l'observation visuelle (pour des grossissements "relativement faibles" d'environ 5 à x), est la profondeur dite d'accomodation, la profondeur de champ pouvant être obtenue par modification de la réfringence de.'occulaire qui représente aussi le défaut principal dans la mise au
point visuelle d'une image contrastée.
Un autre avantage du dispositif suivant l'invention de mise au point photo-électrique réside dans le fait que la position des lignes d'intersection 11" des plans 9 et 13 (figure 3) qui déterminent la position locale du contraste moyen maximal sur les surfaces de détecteur 13, permet d'obtenir un signal qui permet d'orienter automatiquement l'appareil optique dans lequel est
intégré le dispositif, vers le plan objet.
Dans le cas d'un plan objet 1' incliné, les plans images 5' et 9' forment aussi un certain angle avec l'axe optique qui dépend de l'inclinaison du plan objet. Il en résulte différentes positions 11"
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locales du contraste moyen maximal sur les surfaces de capteur 13, dont la distance à un point (ligne) préalablement défini sur le détecteur, représente une mesure de l'inclinaison de l'axe optique de l'appareil par rapport au plan objet.
Exemple:
Estimation des rapports dans le microscope pour
opérations chirurgicales.
-20 u Avec ces valeurs f o 450 (approchées) on obtient un 4'5 écart focal dans le plan f3 50 _ objet détectable t 280 aum f_ 100 = (pour comparaison: la 200 profondeur de champ visuel f1= 200m d = 20 mest d'environ 20 mm dont 3 20 mm environ 15 mm sont dus à
système de tl'accomodation).
grossissement r = Pour les appareils à observation visuelle (microscopes d'opérations, autres microscopes, appareils de mesure optiques, etc.), la division du faisceau de mesure (représenté aux figures 1 à 7 par un faisceau allongé) s'effectue de manière connue par des miroirs de déviation semi-perméables à 90' placés dans le faisceau parallèle entre l'objectif et
l'objectif tube.
Claims (8)
1. Dispositif optique de mise au point photo-
électrique, notamment pour microscopes d'opérations chirurgicales, un premier objectif (2) de reproduction étant placé après un plan objet (1), caractérisé en ce qu'il est prévu au moins un premier plan de mise au point (5) placé après le premier objectif (2) de reproduction et incliné par rapport A son axe optique, dans lequel est placé un verre dépoli (6), en ce qu'un deuxième plan de mise au point (8) au moins est placé après un deuxième objectif de reproduction (9), le premier plan de mise au point (5) étant reproduit par le deuxième objectif (8) de reproduction dans le deuxième plan de mise au point (9) et au moins un récepteur photoélectrique à déclenchement local, en forme de matrice, étant prévu dans le deuxième plan de mise au point, dont les lignes sont parallèles A la ligne d'intersection du premier plan de mise au point et du plan image du premier objectif de reproduction (2), la position réciproque du premier et du deuxième plans de mise au point (5,9) satisfaisant A la condition de Scheimpflug, en ce que chaque point du premier plan de mise au point (5) est conjugué à un point du deuxième plan de mise au point (9) , et une valeur moyenne de contraste étant formée par un calculateur pour chaque
ligne du récepteur en forme de matrice.
2. Dispositif selon la revendication 1, caracté-
risé en ce qu'il est prévu deux verres dépolis (12) inclinés l'un vers l'autre dans deux premiers plans de mise au point inclinés l'un vers l'autre dont la ligne d'intersection se situe sur l'axe optique, ainsi que deux dispositifs de réception (13) inclinés l'un vers l'autre dans deux seconds plans de mise au point inclinés l'un vers l'autre et conjugués au premier plan de mise au point.
3. Dispositif selon la revendication 1, caracté-
risé en ce qu'il est prévu trois verres dépolis (14)
ainsi que trois dispositifs de réception (15).
4. Dispositif selon la revendication 1, caracté-
risé par une cascade de n verres dépolis, dans plusieurs paires de plans de mise au point auxquels est associé un
dispositif de réception (16) en forme de matrice.
5. Dispositif selon la revendication 1, caracté-
risé en ce que l'image d'une source lumineuse (17) en forme de grille de la gamme de longueur d'ondes non visibles est formée par l'intermédiaire d'un diviseur de faisceaux (19) dans le plan objet et formée avec l'objet dans le premier et le deuxième plans de mise au point (5, 9).
6. Dispositif selon la revendication 5, caracté-
risé en ce qu'il est formé sur l'objet une fente étroite, le dispositif de réception en forme de matrice étant remplacé par une ligne de récepteurs parallèle à la fente.
7. Procédé de mise au point photoélectrique, caractérisé en ce qu'en déplaçant le plan objet (22), la ligne de contraste moyen maximal du dispositif en forme de matrice détermine la variation de position de la ligne de contraste moyen maximal, et en ce qu'à partir de la direction et de l'importance de l'écart, il est formé un signal de commande destiné à une commande motorisée de la focalisation.
8. Procédé de mise au point photoélectrique
selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'en exploi-
tant la position d'au moins deux bandes de contraste
moyen maximal sur le récepteur, on détermine une incli-
naison du plan objet par rapport à l'axe optique du premier objectif de reproduction et en ce qu'il se produit une commande de l'inclinaison par rapport au plan
objet de l'appareil optique d'observation ou de mesure.
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