FR2637698A1

FR2637698A1 - Monolithic catadioptric device

Info

Publication number: FR2637698A1
Application number: FR8813401A
Authority: FR
Inventors: Pascal Rol
Original assignee: Lasag AG
Current assignee: Lasag AG
Priority date: 1988-10-10
Filing date: 1988-10-10
Publication date: 1990-04-13

Abstract

Catadioptric device DC intended to deflect a light beam 3 through a predetermined angle along a broken optical axis a-b and to focus this optical beam onto a predetermined image plane 5, this device including means 7b defining a plane optical total-reflection surface, one point c of which coincides with the point of inflection of the said axis a-b and means 7a, 7c defining optical surfaces for focusing the said beam, the device being characterised in that the said focusing surfaces S1, S3 are convergent optical surfaces placed in the said optical path, respectively on either side of the said total-reflection surface S2, and in that the said total-reflection surface S2 as well as the said convergent surfaces S1, S3 are made in a single monolithic body 7 produced from an optical material.

Description

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.MONOLITHIC CATADIOPTRIC DEVICE
The present invention relates to a retro-reflecting device capable of causing a deflection of a predetermined angle and a focusing of a light beam, along an optical path with a broken axis.

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. Devices of this kind that the year currently knows make it possible to irradiate locations that are difficult to access for the purpose of observation or treatment. They are used in the medical field, in particular for endoscopy operations. They also lend themselves to therapeutic applications, for example for the treatment of specific points of the eye. In therapeutic applications, the light beam passing through the device is often a coherent light beam of high power so that the use of glue or slightly absorbent materials is excluded.

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. Devices of the specified type are also used in industrial applications, for example for the observation or treatment of internal surfaces of tubes or cavities.

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. Figures 1, 2 and 3 of the accompanying drawing are schematic representations of retro-reflecting devices of the prior art and make it possible to explain the problem encountered in the applications indicated.

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. FIG. 1 represents a straight prism 1, made of transparent optical material, fixed opposite one end of an optical conductor 2, this end constituting for the prism a light source.

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.Such a device has a minimum number of optical surfaces and fulfills the deflecting function, but has no refocusing function. The beam 3 is divergent from the end 4 of the conductor 2 so that the irradiated surface 5 is relatively large. This constitutes a serious drawback in therapeutic or surface treatment applications where a high power density is necessary.

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. Figures 2 and 3 show devices of the same kind as that of Figure 1 but in which a biconvex lens 6 is associated with the prism 1. These devices have both a deflecting function and a refocusing function, but they have the disadvantage of having at least four optical surfaces, which cause heating and loss of usable energy. In addition, in the case where the lens 6 is placed between the optical conductor 2 and the prism 1 (FIG. 2), it is difficult to obtain an appropriate concentration of the beam in the image plane 5 because the distance between the lens 6 and this plan 5 cannot be shortened as much as would be desirable.

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. In the case where the lens 6 is placed downstream of the prism 1 (FIG. 3), the refocusing is facilitated but the lateral dimension of the system relative to the input optical axis is important. However, this is troublesome in particular for endoscopy applications.

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. The object of the present invention is to create a device of the type indicated at the start, which eliminates the faults and inadequacies of the known devices.

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. The subject of the invention is therefore a retro-reflecting device intended to deflect a light beam by a predetermined angle along a broken optical axis, and to focus this optical beam on a predetermined image plane, this device comprising means defining a surface. planar total reflection optic, a point of which coincides with the point of inflection of said axis and means defining optical focusing surfaces of said beam, characterized in that said focusing surfaces are converging optical surfaces placed on said optical path, respectively on either side of said total reflection surface, and in that said total reflection surface as well as said converging surfaces are housed on a single monolithic body made of an optical material.

On va décrire ci-apres en se référant aux dessins annexes, plusieurs exemples de réalisation non limitatifs de l'invention. We will describe below with reference to the accompanying drawings, several non-limiting exemplary embodiments of the 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. FIGS. 1, 2 and 3, already described, are examples of the prior art,
FIG. 4 is a view similar to FIGS. 1, 2 and 3 showing a preferred embodiment of the retro-reflecting device, object of the invention,
FIGS. 5, 6 and 7 are views respectively in plan, in axial section and in front elevation of the device of FIG. 4,
FIG. 8 is a graph illustrating the performance of the device, and
- Figures 9, 10 and 11 are views similar to Figures 4 showing three variants of the retro-reflecting device of 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. The retro-reflecting device DC represents diagrammatically in FIG. 4, is irradiated by an optical conductor 2 which may consist of a single optical fiber or of a bundle of optical fibers conducting coherent or non-coherent light Of course, depending on the other light sources can be used. The DC device comprises a body 7 which is mounted fixed opposite the end 4 of the conductor 2, thanks to a suitable mount which is not shown in this figure. The body 7 is monolithic, that is to say in one piece made of transparent optical material, for example sapphire, here having the shape of a hemisphere. From the point of view of the optical functions, the body 7 has a zone input 7a playing the role of a converging plano-convex lens, a central zone 7b playing the role of prism and an exit zone 7c playing the role of a plano-convex focusing lens.

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. The light beam 3 exiting from the end 4 of the conductor 2 is divergent. It refracts on the surface S1 of the zone 7a then undergoes a total reflection on the planar surface 52 of the zone 7b and refracts again on the surface 53 of the zone 7c to exit in the form of a convergent beam reaching the plane -image 5. The spherical surface portions which delimit the zones 7a and 7c are thus placed on either side of the surface 7b with total reflection along the broken optical axis ab along which the light beam propagates. We also see that the inflection point c of this broken axis is located in the plane of the total reflection surface 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. The result of this arrangement is an extremely compact shape of the optical assembly defined by the body 7, the optically active surfaces of which are at minimum distances from one another. Compared to the size of the prior devices, that of the retro-reflecting device of the invention is therefore extremely reduced, which makes it particularly usable in medical applications such as endoscopy and laser treatments.

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. In the arrangement shown in solid lines in FIG. 4, the two sections a and b of the broken axis are perpendicular, but it suffices to modify the angular position of the body 7 relative to the conductor 2 to obtain another angle between these sections. that is to say a deflection angle different from 90 ". The limits of the possible angular movement of the body 7 relative to the axis of the input beam depend on the refractive index (n) of the material used. With the sapphire (n = 1.76) a movement of +20 of the light beam is easily possible. To increase it, we could plan to make the body 7 in a material having a higher refractive index, for example diamond ( The limit of the inclination of the reflecting surface relative to the section a of the axis depends on the phenomenon of total reflection which must occur on this surface. One could also provide on the plane face of the body 7 a 7 'coating capable of reflect the light whatever its angle of incidence, but the reflection is then accompanied by a loss of energy by absorption. In FIG. 4, the limit angular positions of the flat face of the area 7b are indicated by the lines in dashed lines 8 and 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. Figures 5, 6 and 7 show a preferred embodiment of a retro-reflecting device according to the invention, the retro-reflecting body 11 is similar to the body 7. The device can be used for example in endoscopy. It comprises a frame 12 of truncated cylindrical-conical shape fixed on a rigid tube 13 into which an optical conductor 14 is introduced.

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. The body 11 is cut into a hemispherical shape in a piece of sapphire and has two parallel flats 15 and 16 which are oriented perpendicular to the flat face 17 on which the light beam led by the conductor 14 is reflected.

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. The frame 12 has two branches 18 and 19 having flat and parallel inner faces1 spaced apart by a distance which corresponds to the spacing between the flats 15 and 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. The body 11 can be fixed, for example by a cement, an adhesive, or a mastic, between the branches 18 and 19 of the frame 12, giving the flat face 17 the desired inclination relative to the axis of the tube. 13. One can also adjust at will the distance between the end of the conductor 14 and the body 11 and thus choose the beam focusing conditions.

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. Returning to FIG. 4, we now explain how the choice of the distance between the end 4 of the conductor 2 and the body 7 makes it possible to determine on the one hand the focusing distance, that is to say the position of the focal point of the zone 7c which constitutes the plano-convex meniscus of exit, and on the other hand the diameter fi of the beam at the focal point. The graph in FIG. 8 reproduces these curves for a hemispherical body 7 of sapphire whose diameter is 4 mm and whose planar face is oriented at 450 relative to the axis of the optical conductor 2. Curves A and B respectively give the position of the focusing image plane 5 with respect to the point of intersection of the axis ab and the surface of the area 7c (distance F) and the diameter d of the focused beam. As can be seen, these two parameters vary differently depending on the distance (D) between the end 4 of the conductor 2 and the point of intersection of the axis ab and the surface of the area 7a, that is to say as a function of the distance that the incident beam travels in the air, diverging, between the place where it leaves the optical fiber 2 and the place where it enters the body 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. For a distance D of 4 mm, a focusing diameter d of 0.2 mm is obtained and the image plane 5 is located approximately 1.3 mm from the surface of the area 7c.

Les figures 9, 10 et Il représentent des variantes du corps catadioptrique selon l'invention. Figures 9, 10 and II show variants of the retro-reflecting body according to the 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. FIG. 9 shows a monolithic body 20 in the form of two plano-convex lenses 21 and 22 of the same dimensions, glued to the perpendicular faces of a straight prism 23. This body is therefore monolithic in opposition to the devices of the prior art shown in FIGS. 2 and 3 which, on the contrary, are produced in two separate elements. The centers of curvature of the lenses coincide at the same point situated on the reflecting surface of the prism 23. The properties of this body are identical to those of the body 7, but the use of glue prevents the use of the device with lasers of high power. The device is therefore mainly intended for observation operations.

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. FIG. 10 shows a body 24 of the same structure as the body 20 but in which the two plano-convex lenses 24 and 26 have different curvatures.

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). FIG. 11 shows a body 28 still having the same structure, that is to say that it is formed of two plano-convex lenses 27 and 28 bonded to a prism 30. Here the convex surfaces of the lenses are not portions of spherical surfaces as it is the case in the structures of figures 4 and 5 to 10 but conical surfaces of revolutions (hyperbololdes, parabololdes or ellipsol- des).

Bien entendu, on pourrait envisager de réaliser les variantes des figures 10 et il sous forme de corps monoblocs moulés, par exemple. Of course, one could consider making the variants of Figures 10 and it in the form of molded one-piece bodies, for example.

On a décrit plus haut un corps hémisphérique 7 de 4 mm d. We have described above a hemispherical body 7 of 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.However, the diameter of this body could be reduced to 0.5 mm with an optical fiber itself having a core diameter of 0.5 mm. It is nevertheless possible to use any kind of optical fibers having a core of between a few microns and a few millimeters. On the other hand, one can also use, as optical conductor, in the case where one chooses dimensions greater than 0.5 mm for the body 7, a bundle of fibers, which makes it possible to produce an image for endoscopic applications. .

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. Another advantage of the device according to the invention is the fact that the position of the body 7 with respect to the optical conductor 2 can be easily adjusted from case to case, thanks to a frame whose production represents no difficulty for the person skilled in the art. art. We can therefore control the deflection angle, which, with a prism whose reflecting face has a mirror structure, can reach 1800. We can also control the refocusing of the beam by varying the distance D.

Claims

1. Retro-reflecting device (DC) intended to deflect a light beam (3) by a predetermined angle along a broken optical axis (ab), and to focus this optical beam on a predetermined image plane (5) , this device comprising means (7b) defining a planar optical surface of total reflection, a point (c) of which coincides with the inflection point of said axis (ab) and means (7a, 7c) defining optical focusing surfaces of said axis beam, characterized in that said focusing surfaces (S1, S3) are converging optical surfaces placed on said optical path, respectively on either side of said total reflection surface (52), and in that said surface total reflection tus2) as well as said converging surfaces (Sl, S3) are formed on a single monolithic body (7) made of an optical material.

2. Device according to claim 1, characterized in that said converging optical surfaces (7a, 7c) are of spherical shape.

3. Device according to claim 2, because said monolithic body (7) has a hemispherical shape whose spherical outer surface forms said converging surfaces (S1, S3) and whose diametral outer surface forms said surface with total reflection (S2).

4. Device according to claim 1, characterized in that said monolithic body (23,24,28) is formed of a prismatic element (23) to each of the perpendicular faces of which is attached a plano-convex lens (21,22; 25.2 & 27.29).

5. Device according to claim 4, characterized in that at least one of said lenses has an ellipsoldic, paraboloSdale or hyperbololdate conical face.

6. A medical device for observation and treatment with light energy, characterized in that it comprises in combination a retro-reflecting device (11) according to any one of claims 1 to 5 and a frame (12) in which is fixed the end of at least one optical fiber (14) from which said light beam comes, said mount being arranged so that said end is placed opposite one of the converging surfaces.