WO1997042532A1 - Filtre spatial pour fibre multicoeurs et procede de realisation - Google Patents

Filtre spatial pour fibre multicoeurs et procede de realisation Download PDF

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WO1997042532A1
WO1997042532A1 PCT/EP1997/002052 EP9702052W WO9742532A1 WO 1997042532 A1 WO1997042532 A1 WO 1997042532A1 EP 9702052 W EP9702052 W EP 9702052W WO 9742532 A1 WO9742532 A1 WO 9742532A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fiber
core
image
heart
hearts
Prior art date
Application number
PCT/EP1997/002052
Other languages
English (en)
Inventor
Ramiro Conde
Fatemeh Taleblou
Christian Depeursinge
Original Assignee
Andromis S.A.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Andromis S.A. filed Critical Andromis S.A.
Publication of WO1997042532A1 publication Critical patent/WO1997042532A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/04—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres
    • G02B6/06—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres the relative position of the fibres being the same at both ends, e.g. for transporting images
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating
    • G02B6/02042—Multicore optical fibres

Definitions

  • the invention relates to the field of multicore optical fibers.
  • a conventional multimode fiber comprises, as illustrated in FIG. 1A, a core 1 and a mantle 3.
  • a multicore fiber is a bundle of fibers, melted and stretched, which therefore forms a continuous whole. The coat of each individual fiber is melted with the coats of neighboring hearts.
  • FIG. 1B represents a cross-sectional view of a multi-core fiber, the hearts 24 and the coats 26 being grouped inside a first sheath 2b, for example made of silica, and a second sheath 30, called sheath external or "black" coating
  • the external diameter D ⁇ of the enseraole can be for example of the order of 200 to 500 ⁇ m.
  • Figure 1C is an enlarged view of the portion 32 of the string of hearts.
  • the hearts have cross sections of variable shape, more or less homogeneous.
  • the diameter d of each heart that is to say the greatest distance separating two points from the same heart, varies from one heart to another.
  • 1yoiquemer.td can, for example, vary between 3 and 4 ⁇ rn for 1 "the same multicore fiber.
  • the average distance from one core to another is not uniform and can for example vary, for the same multicore fiber, from 3 ⁇ to 3.5 ⁇ m.
  • the concept of multi-core fiber is to be distinguished from that of multi-fiber, which is an assembly or bundle of independent fibers placed together and possibly glued at the end.
  • the invention also applies to multifibers.
  • Multicore fibers and multifibers are used in imaging, especially in the medical field. Endoscopy, and in particular microendoscopy, allows the practitioner to acquire information, or images, of parts inside the human body, such as the stomach, lungs or heart.
  • FIG. 2 A device for the implementation of such a technique is shown diagrammatically in FIG. 2, or the reference 2 designates a light source which is focused by a lens 4 at the entrance of a light guide 6.
  • the latter is in fact most often connected to a plurality of optical fibers 8, 10 disposed at the periphery of a multi-core fiber 12.
  • An illumination beam 14 can thus be directed onto an area 16 of an organ to be observed, which reflects radiation 18 at the input 20 of a multi-core fiber 12.
  • the latter comprising a coherent beam of individual hearts, these therefore transmit light in an orderly manner between them, and the image obtained at output 22 of the multi-core fiber corresponds to the image formed at the input 20
  • Means for memorizing, analyzing and / or representing the image can also be provided in combination with this device
  • a multi-core fiber such as fiber 12 can comprise approximately 700 to 10,000 hearts, for applications in microendoscopy.
  • the rays 18 reflected by the object or the area 16 to be observed may be incident on the end of a heart 24 or on an inter-core area 26.
  • the incident light is not transmitted to the outlet end 22. Consequently, only part of the radiation reflected by the object or the area 16 to be observed is transmitted, and the proportion of radiation transmitted depends on the limited number of cores in the multi-core fiber, and on the inter-core distance. The smaller this distance, the higher the number of points in the input image that can be sampled.
  • reducing the inter-core distance is not without its problems. Below a certain limit, there is no longer improvement, but on the contrary degradation, of the image obtained at the output of multicore fiber, due to the appearance of a phenomenon of coupling between neighboring hearts. This coupling can be attributed to two physical phenomena.
  • the first is linked to the existence, for each mode of propagation inside an individual heart, of an evanescent field distributed spatially in the inter-core zones and in the neighboring hearts.
  • This evanescent field is all the more important as the order of the mode is high. It follows that, for an incident intensity I 0 at the input of a core, the latter transmits a certain intensity I 0 - ⁇ 0 , while the neighboring hearts transmit an intensity ⁇ 0 .
  • a second phenomenon of a different nature from the first, is linked to the existence of weakly guided modes.
  • the latter have the property of being guides in a core of the fiber, but with significant losses in the form of radiation directed towards the neighboring hearts.
  • the invention proposes a solution to these problems.
  • the subject of the invention is an optical device for the transmission of incident radiation, comprising:
  • a multi-core fiber itself comprising a set of hearts separated by zones called inter-core zones, and
  • the spatial filter may include a mask, with perforations, deposited on one face of the bundle of multi-core fiber, each perforation being centered on a corresponding individual core, and having an edge closing off the peripheral part of this heart, the inter-core zones being closed by the mask
  • the mask can for example be a metallic deposit produced on the inlet end of the multi-core fiber.
  • the spatial filter can comprise a photographic emulsion representing the image of a face of one end of the multi-core optical fiber.
  • the invention therefore also relates to such a spatial filter as such.
  • the invention also relates to an imaging device, in particular an endoscopic device, comprising a device with multicore fiber and spatial filter, as described above.
  • the invention also relates to a method for producing a spatial filter at one end of a multi-core fiber comprising a set of hearts, a layer of material being deposited at one end of the multi-core fiber, comprising:
  • a mask is thus obtained, the perforations of which are self-aligned with the individual hearts and adapted to the shape of each heart.
  • this mask is then particularly well suited to allow only a preferential excitation of the fundamental mode inside each core.
  • the fact of perforating by directing the laser beam of perforation inside the very heart makes it possible to avoid the formation, during the perforation, of craters in the deposited material.
  • the heat released by this perforation operation is evacuated by the multi-core fiber and by the metal layer, which avoids vaporization of the material deposited at the places where there must be sealing.
  • a centering of the beam that is to say a positioning making it possible essentially to excite only the fundamental mode of the core, can be carried out by observing the near field transmitted at the fiber outlet, through the layer of material to punch.
  • the invention also relates to a method for producing a spatial filter, at one end of a multicore fiber, comprising the following steps:
  • this method provides an effective filter of higher order modes than the fundamental mode that could propagate in the individual hearts of a multicore fiber.
  • the method can advantageously include a preliminary step of defining the zones where the laser beam must be successively positioned in order to make the perforations.
  • This definition of the zones can consist in the formation of a global image of the multicore fiber, the digitalization of this image, the search for the barycenter of each core and the calculation of the surface associated with each core in this image.
  • the invention also relates to a device for implementing this process, this device being able in particular to include:
  • the invention also applies to a multifiber. All the objects and processes defined above, in which the multicore fiber is replaced by a multifiber, are therefore part of the invention.
  • FIGS. 1A, 1B and 1C represent cross-sectional views of an optical fiber and a multi-core fiber
  • FIG. 2 is a schematic representation of an endoscopy device
  • FIG. 3 represents a first embodiment of the invention
  • FIG. 4 represents a device for depositing at the end of a multi-core fiber
  • FIG. 5 represents a device for drilling a film deposited on one face of an end of a multi-core fiber
  • FIG. 6 represents theoretical and experimental profiles of intensity transmitted at the output of an individual fiber in a multicore fiber
  • FIG. 7 represents a core of a multicore fiber
  • the neighboring hearts and the immediately following hearts FIGS. 8A and 8B respectively represent the intensity coupled in the fundamental mode, as well as the coupling efficiency in this mode
  • FIGS. 9A to 9E illustrate steps for carrying out a process for automating drilling
  • FIG. 10 represents the formation of a photographic filter
  • FIG. 11 represents a device for characterizing a photographic mask according to the invention
  • FIG. 12 schematically illustrates a method of interpolating an image obtained with a photographic mask
  • FIG. 13 gives modulation and transfer functions with and without a photographic mask
  • FIG. 14 represents spatial distributions of intensities, with and without a photographic mask
  • FIG. 15 schematically represents a general device for the use of a photographic mask
  • FIG. 16 shows the principle of a confocal device with multicore fiber.
  • the multi-core fiber itself can be purchased commercially (e.g. fiber
  • the fiber is then cleaved and polished.
  • the individual fibers of a multi-core fiber have a core diameter which varies in the range from 1.8 to 2.1 ⁇ m and an inter-core distance which varies in the range from 3 to 3.5 ⁇ m.
  • the hearts 34, 36, 38 of a multi-core fiber 40 are separated by inter-core zones 42, 44, 46, 48, and one of the objectives is first of all to close these inter-core zones, which remain passive in the process of image transmission; injecting light into these areas could only degrade this transmission,
  • the reference 56 therefore designates a metal mask, making it possible to fulfill these functions when a beam 58 of light is incident on the input face of the multi-core fiber 40.
  • the formation of the mask 56, at the end of multi-core fiber, can be carried out with any type of material. However, it is preferable to choose materials having a not too high vaporization temperature, in order to be able to make perforations, by laser beam, in the layer of deposited material. It is therefore possible to choose dielectric materials or metals. They are good candidates for the following reasons:
  • the absorption / transmission ratio is sufficiently low to allow online control of the perforation.
  • aluminum is particularly interesting because it is a material which has good adhesion and good layer development properties. Furthermore, the presence of an oxide layer makes the more resistant layer.
  • chromium is also a good candidate for making metal masks. It is possible to provide a combined deposit of chromium, which has excellent adhesion to silica, then to add over the aluminum, which considerably increases the adhesion of the assembly by forming an alloy at 1 ' interface.
  • a vacuum chamber 60 houses a crucible 62 intended to contain the chosen metallic material, and which can be heated. Means 64 for pumping the interior of the enclosure 60 are also provided. The enclosure also houses the fiber 40 at the end of which it is desired to deposit.
  • the vacuum caused in the vaporization enclosure implies a significant free medium path of the aluminum atoms which will leave the surface of the molten metal located in the crucible 62, and which will gradually deposit on the target, in a non-metallic form. oxidized. In order to obtain a good layer quality, precise control of the growth rate of this layer is carried out.
  • a vibrating quartz makes it possible to measure very precisely the mass deposited, and therefore the thickness of the layer (nanometric precision). Sufficient distance is maintained between the molten aluminum and the target to avoid angular effects.
  • An example of a device that can be used is the "Edwards Auto-306 Coating Plant” device.
  • the thickness of the layer to be deposited is preferably as thin as possible.
  • the thickness is preference chosen in order to be able to achieve an attenuation equal to or greater than a factor of 1000, but while allowing sufficient light to pass so as to achieve, before perforation, the centering of the laser beam of perforation relative to the core of the fiber.
  • centering can be achieved by observing the intensity which is transmitted by the core and which passes through the layer of deposited material.
  • the thermal conduction in the metal layer is directly proportional to the thickness.
  • the power must be increased, otherwise the layer is liquefied with poor control of the shape, size and edges of the perforation. In this case, it is preferable to reduce the interaction time by limiting the width of the laser pulse.
  • a layer of thickness between 35 nm and 45 nm, for example 40 nm constitutes a good compromise for producing a mask making it possible to achieve sufficient spatial filtering, while allowing sufficient light to pass through. , before perforation, to allow centering of the laser beam, and to allow easy evaporation of material.
  • Such a thickness makes it possible to obtain an attenuation factor of approximately 10 ⁇ .
  • the reference 40 always designates the multi-core fiber, with ends 66 and 68, the end 66 being that on which the masking material has been deposited.
  • the beam of a continuous laser 70 for example an ionized argon laser (beam at 514.5 nm) is modulated by an acousto-optical modulator 72 triggered by a pulse generator.
  • a beam splitter 73 and a diode 75 make it possible to measure the intensity of the laser beam.
  • the beam is then directed towards a beam expander 74 and is focused by a microscope objective 76 on the entry face 68 of the multi-core fiber.
  • the microscope 76 allows both the observation of the input face of the multicore fiber and the observation of the focused laser beam.
  • a camera 78 transmits the image of the input face and of the focused laser beam to a display device 80.
  • the multi-core fiber is mounted on a table 82 allowing precision adjustments to be made in three directions X, Y, Z by micrometric mechanical control and by submicrometric piezoelectric control. By these adjustment means, the focused laser beam is brought into coincidence with the interior of an individual heart.
  • the laser beam is transmitted through the deposited layer.
  • the image obtained is enlarged by a lens 82, and focused on a camera 84 itself connected to a display device 86.
  • the modulator 72 When the modulator 72 is triggered, a significant part of the intensity of the laser beam is deflected to the first order, and does not reach the beam expander device 74.
  • the intensity trans ⁇ se (a few percent of order 0) is directed towards the entry of the core, crosses it as well as the layer of material deposited at the outlet, and is observed with the second camera 84.
  • the relative position of the transmitted beam can be adjusted with the setting 82, as input, until the best geometric adjustment of the energy transmitted by the heart is obtained. In practice, we try as much as possible to confine the energy injected into the heart in the lowest possible order mode, that is to say in the fundamental mode.
  • the modulator 72 When the modulator 72 is stopped, all of the intensity is transmitted on the input face of the fiber, in order to send a laser pulse of high intensity and, in the case of the example chosen, of a duration of approximately 10 ⁇ s
  • the intensity of the beam laser is gradually and successively increased, until a significant increase in the transmitted intensity is observed with the camera 84, which indicates that the perforation of the film or of the layer deposited at the outlet 66 of the fiber 40 is performed.
  • the optimum perforation diameters are obtained for laser powers slightly above the limit power, that is to say the power allowing the perforation limit to be reached.
  • the shape and diameter of the perforation are similar to those of the beam introduced into the core.
  • no perforation is not observed, or a perforation is made, but of a diameter much smaller than the diameter of the heart. It is an unstable regime, and the perforation is not performed every time.
  • perforations were carried out with a laser beam of 40 milliwatts of power and pulses of temporal width 10 ⁇ s.
  • the perforation produced is then mainly defined by the geometry of the individual heart.
  • the aluminum is evaporated under the action of the laser pulse, since a thickness of 40 nm is not sufficient to remove, by conduction, the heat deposited by the laser pulse. If the aluminum layer is too thick, the material no longer evaporates, but melts. This results in less precise control of the characteristics of the perforation. In general, and whatever the material used, it is therefore advantageous to work with small thicknesses, so as to promote a vaporizing effect under the action of the laser beam.
  • the diameter of the hole does not vary significantly with a variation in power.
  • a perforation may be performed for a neighboring individual core or another individual core. The process can thus be repeated as many times as there are individual hearts in the multi-core fiber.
  • the multi-core fiber itself can help dissipate the heat or energy deposited by the laser pulse in the layer of material. This avoids parasitic vaporization phenomena.
  • the attack is carried out from the front, that is to say if the laser beam comes to perforate the layer while being directed on the face of the latter which is not turned towards the multi-core fiber, craters can form around the perforation, and the latter is much less clear.
  • the attack on the perforation by the fiber-layer interface of deposited material reduces the importance of inhomogeneities caused by variations in the surface condition of the layer of material.
  • the perforations obtained with this technique are self-centered on the individual hearts and the control of the laser power makes it possible to control their diameter.
  • a spatial filter is obtained, which essentially only excites the fundamental mode of propagation in the heart (because there is overlap of the mask and the edges of each individual heart), and which allows '' close off the inter-core spaces (because the deposit is made on the entire end of the multi-core fiber, and there can be no perforations in the inter-core zones).
  • FIG. 6 represents profiles of transmitted intensity, measured at the output of two different hearts of a multi-core fiber having a mask as described above, as a function of the radius measured from the center of the heart.
  • magnification device magnification factor between 40 and 100
  • the profiles are normalized to a maximum intensity of 1.
  • the slight variations in width from one intensity profile to another come from variations in diameter and ellipticity of the two hearts tested. These variations induce corresponding modifications in the diameter and the shape of the perforations.
  • Curves III and IV represent the theoretical profiles of the fundamental mode and of the order mode 1 respectively. Insofar as curves I and II relate to the total intensity transmitted by each core, the profiles defined by these curves I and II contain the contribution of each of the excited modes.
  • the comparison with the theoretical profiles of the order 0 and order 1 modes shows that the contribution of the order 1 modes, in the intensity actually transmitted, is negligible. This shows that the result sought, namely the reduction of the contribution of the modes of order 1 and more, is obtained.
  • the average inter-core coupling could also be measured. Due to statistical variations in the diameter of the hearts and in the inter-core distances, the results had to be average to obtain the intensities of inter-core coupling. Different individual hearts were excited using a point source of 3 ⁇ m in diameter. For each excited core 91 (see FIG. 7), the intensities leaving the neighboring individual hearts 93- ⁇ , 95-j were measured, on the other side of the multicore fiber with respect to the source, and the intensity distribution. is statistically evaluated It has been noted that 15% of the intensity introduced into a heart 91 are coupled in neighboring hearts 93-1, 93-2,, 93-6, and 6% in the immediately following hearts 95-1, ..., 95-12.
  • the average inter-core coupling is approximately 0.5% for the neighboring hearts and approximately 1.9% for the immediately following hearts.
  • the inter-core coupling is therefore reduced by a factor of 30 for the neighboring hearts and by a factor of 3.2 for the immediately following hearts.
  • the fact that the reduction factor is greater in the first case probably means that it is the reduction of the parasites due to the evanescent waves which is the most effective.
  • Coupling over longer distances is mainly due to leakage from one heart to the other hearts.
  • the spatial filter obtained is perhaps less effective for the reduction of this type of parasite.
  • the degradation of the image quality in the area of high spatial frequencies is mainly due to the contribution of the first type of parasite. Reducing the latter therefore means a significant improvement in the optical performance of multicore fibers.
  • the diameter ⁇ p of the perforations is less than the average diameter ⁇ c of the corresponding fiber core, by a value ⁇ substantially between 0 and 1 ⁇ m , preferably between 0.2 ⁇ m and l ⁇ m, or, better still, between 0.5 ⁇ m and 0.8 ⁇ m
  • the intensity curve was normalized with respect to the maximum, which corresponds to complete illumination of the entire surface of the heart (see Figure 8A).
  • the illumination on a circulated ry area with a radius twice the size that the core gives the maximum excitation of the fundamental mode and corresponds to the maximum which can be injected into the heart. If the radius of the perforation is reduced to 1 ⁇ m (respectively 0.75 ⁇ m, then only 60% (respectively 30%) of this maximum is reached.
  • the reduction in the size of the perforation causes changes in the excitation of the mode. fundamental, and this changes from 60 to 10% when this radius is reduced from 1 to 0.5 ⁇ m.
  • FIG. 8B gives, for a core of diameter 2 ⁇ m, as a function of the radius r of the perforation, the coupling efficiency ⁇ , that is to say the intensity actually coupled in the fundamental mode, divided by the intensity actually incident on the heart, through the perforation.
  • the units are arbitrary, but a maximum appears clearly for a radius of 0.9 ⁇ m.
  • the coupling efficiency is reduced by 30% when the radius goes from 0.9 to 0.5 ⁇ m.
  • the diameter narrows a larger portion of the incident light intensity escapes from the heart in the form of radiative modes; Indeed, a small opening causes very important diffraction effects which are marked by very divergent light rays at the entrance of the heart.
  • the zone acceptable for the radius of the perforation is between 0.5 ⁇ m and 0.9 ⁇ m (for a core with a radius of 1 ⁇ m; l ⁇ rrK ⁇ p ⁇ 1.8 ⁇ m ; 0.2 ⁇ £ l ⁇ m).
  • the mask is pierced heart by heart.
  • a method has been developed which allows this drilling to be carried out automatically.
  • the device described above in connection with Figure 5 is modified; it incorporates, in addition to the elements already described above, means (beam splitter, white light source) making it possible to subject the multicore fiber 40 to uniform white lighting which is introduced through one of the ends of the fiber. By the other end, an image of the fiber core network is obtained, due to this lighting.
  • Means for digitizing the image obtained are provided, as well as means for memorizing the digitized values. The image obtained under uniform white lighting therefore leads to a set of NxN points or pixels.
  • Each pixel corresponds to a digital intensity value, which is a function of the position of the point or of the pixel p (X, Y) in the plane of the image.
  • the process for processing the data thus obtained makes it possible to determine three basic pieces of information: - first of all a digital mask for the image of the fiber is defined, which makes it possible to distinguish the pixels of the multi-core fiber and the pixels located in the region between the multi-core fiber and the outer sheath of the fiber (sheath referenced 30 in Figure 1B); the determination of this mask saves the calculation time and the number of operations;
  • FIG. 9A represents the reference image obtained in white lighting.
  • the reference 81 designates the circular surface of the network of cores of the multi-core fiber: this surface contains the information useful for image processing.
  • the determination of a digital mask, which delimits this surface makes it possible to apply the subsequent operations only in this region, and therefore to reduce the number of operations and the calculation time. For this, a scan from left to right of the image is carried out, on each line of the reference image (that is to say of the image obtained with white light illumination) up to the pixel which has an intensity greater than a given threshold.
  • the one with the minimum order column from the left determines the far left column, represented schematically in FIG. 9A by a dashed line 83.
  • the applied threshold (the same for all the dimensions of the image) is defined according to the noise level of the image.
  • the pixels located inside the image 81 are coded at "0", while the other pixels are coded at "1". This coding is recorded in a matrix of the same size as the reference image.
  • the next step is to find the barycenter of each heart. This research is done using the region growth segmentation method. It allows to group the contiguous pixels belonging to the same core.
  • a threshold T is defined, such that, for any coordinate pixel (x ⁇ _, y ⁇ ):
  • Ip (x ⁇ , y ⁇ _) designates the intensity of the pixel with coordinates (xi, y ⁇ _) and Ck designates the core number k.
  • the threshold T is determined from the cumulative histogram of the intensities of the reference image (taking into account only the pixels located at inside the fiber, using the defined mask), and it is based on the information given by the manufacturer. More precisely, from the data relating to the diameter of the core, to the number of cores of the fiber, the average number of pixels is calculated according to the following relationship:
  • Npc (N pb xA mc> / A mb
  • a mc denotes the area of a heart (in ⁇ m ⁇ ) calculated from the diameter of the heart;
  • a mr designates the area of the section of the multicore fiber (in ⁇ m ⁇ ) defined according to the data of;
  • Np ⁇ designates the number of pixels in the image of the multicore fiber, or else the area of the section of the multicore fiber in pixels defined from the cumulative histogram;
  • Np C denotes the number of pixels in the core, or the average area of each individual core, in pixels.
  • the fibers will deform during their hot drawing, and the diameter of the hearts can therefore decrease or increase in one direction.
  • the hearts then no longer have the circular shape. Therefore, the number of pixels obtained has only an average value.
  • the surface (pixel) of an individual core we obtain the "useful" surface of the multi-core fiber. Then, from the cumulative histogram such as that illustrated in FIG. 9D, and which groups, on the abscissa, the cumulative level of gray and on the ordinate the number of pixels, the gray level ⁇ e which corresponds to this surface is defined "useful".
  • the segmentation threshold T is defined by the value of this gray level
  • the search is made by moving from right to left (in qris level) on the cumulative histogram until the value of the useful area of hearts be reached. Finally, the area associated with each core is calculated.
  • the response of the heart to the light signal received is defined by the sum of the intensities of the pixels belonging to this heart. To have an exact evaluation of this response, we associate with each heart an area limited by the perpendicular bisectors between the central heart C ⁇ . (see Figure 9E) and each of the neighboring hearts Thus, the surface of the bundle of hearts is divided into adjacent polygons, and each pixel of the image belongs to one and only one region.
  • the method described above can be implemented by a suitably programmed microcomputer.
  • the appropriate program instructions are stored on conventional RAM or ROM units, the data obtained, relating to the identification of the center of each core can then control a relative movement mechanism between the end 68 of the fiber (see FIG. 5) and the device which makes it possible to focus the drilling beam at this end 68.
  • These displacement means can be means of displacement of the table 82 on which the end 68 of the multi-core fiber 40 is fixed.
  • a prior calibration makes it possible to locate the coordinates, in the XY plane of the image of the end of the fiber (see FIG. 9A), of a certain position of this table. This position is then chosen as the origin to define any subsequent displacement.
  • the command to effect the displacement of the end of the fiber in order to carry out the drilling corresponding to a neighboring core, can be sent automatically, from information received by the camera 84 (the intensity transmitted in output 66 of the multicore fiber suddenly increasing after drilling, a threshold condition can be implemented 7/42532 PC17EP97 / 02052
  • This device is in fact a photographic mask, or rather a photographic emulsion representing the image of the output of the multi-core fiber.
  • the reference 90 designates a multi-core fiber, of the type already described above, in connection with the first embodiment, and for which we want to make the photographic mask.
  • a white light source 92 emits radiation which is focused by a lens 94 at the inlet 96 of the fiber 90.
  • the image of the outlet end 98 of the fiber 90 is focused using focusing means 100, for example a lens, on a photographic film 102, for example a Kodalith ortho type 3 film (Kodak).
  • the magnification of the lens, and therefore the magnification of the image of the output 98 of the fiber on the film 102 is chosen according to the resolution that it is possible to obtain with this film.
  • the resolution of the black and white film mentioned above (Kodak) is in the range of 400 to 600 lp / mm 7/42532 PO7EP97 / 02052
  • Filters 103 can be interposed on the light path towards the films 102: a red filter allows adjustments to be made without impress the emulsion, while a green filter is introduced to improve the resolution, the adjustment is done by hand by adjusting the position of the photographic film thanks to the micrometric translation stages, and by directly observing the image of the multi-core fiber (for example in red light, the photographic film is not impressed by this color).
  • the film is then developed, for example with a "fine-line” developer (Kodak), in order to obtain a negative of the mask
  • the image is reversed by direct contact between the developing film and an emulsion, for example a "kodalith ortho" emulsion deposited on a glass
  • an emulsion for example a "kodalith ortho" emulsion deposited on a glass
  • the film is finally developed to obtain the mask
  • a device for characterizing such a mask will be described, in conjunction with FIG. 11.
  • a beam of white light is emitted by a source 106, and is diffused by a glass 108.
  • the scattered light illuminates the photographic mask 104, of which the image is focused using the lens 100 on the input face 98 of the multi-core fiber 90.
  • the mask 104 is mounted on a table 110 making it possible to move in three directions X, Y, Z (a using mechanical means for micrometric displacements and piezoelectric means for submicrometric displacements) and a rotation around the optical axis.
  • the orientation of the mask 104 and the magnification of the lens 100 are chosen precisely in order to have a complete correspondence between the image of the photographic mask and the network of fibers at the end 98 of the multi-core fiber 90.
  • a test or characterization target 111 is also mounted on a table 112 allowing micrometric displacements in three directions X, Y, Z.
  • the targets are chosen from a set of Ronchi patterns (these patterns are made up of layers of chromium deposited in the form of opaque bars on an optical glass) and the spatial frequency of the patterns is 5, 10, 15,. ... 160 and 170, 180, 190, 200 lp / mm (pairs of lines per mm).
  • a lens 114 makes it possible to enlarge and focus, on a CCD camera 116 at 255 gray levels, the image obtained at the output of the fiber.
  • the test patterns arranged opposite the end 98 of the multi-core fiber are precisely adjusted using the table 112, in order to obtain an image, on the camera, for which the lines of the test pattern are arranged vertically.
  • a beam of white light obtained using a source 118 is focused on the exit face 96 of the fiber 90.
  • This beam after having passed through the fiber, the target positioned opposite the exit 98 of the fiber, the lens 100, and the photographic mask 104, is deflected by a beam splitter 120 in the direction of a microscope 122.
  • the optimal position of the photographic mask 104 and the target corresponding to the maximum intensity transmitted through the photographic mask and when the fringes of "Moiré" disappear due to the interference between the two networks, is obtained by adjusting the position of these elements using tables 110, 112.
  • the intensity transmitted by each individual core can be integrated (the sum of the intensities associated with the pixels contained in the surface C ⁇ associated with each core is carried out) and the value obtained is associated with the center of the corresponding heart. Then, the intensities are interpolated bilinearly, in order to avoid the presence of the black zones corresponding to the mantle (or inter-core zone) of the fibers.
  • FIG. 12 represents a diagram giving the integrated intensity I associated with each barycenter of the heart, as a function of the position (x, y) of the heart in the image.
  • Bilinear interpolation is calculated on each triangular surface determined by the barycenters of three hearts: the intensities of the pixels contained in the triangular area between the centers of hearts a, b and c (area 121 in Figure 12) are replaced by the values of interpolated intensity.
  • the pixel intensity of the interpolated images is averaged along a vertical.
  • the interpolation procedure combined with the step of calculating the average along a vertical, gives a one-dimensional intensity function.
  • An algorithm implemented using a conventional computer programmed for this purpose, searches for the extremes of the intensity function, and the corresponding successive contrasts are calculated and averaged.
  • the values obtained for the mean of the contrast are plotted on a graph, as a function of the spatial frequencies of the patterns, and are assimilated to the modulation transfer ionction.
  • the modulation transfer function was measured for a multicore fiber comprising 6000 hearts, on the one hand with and on the other hand without a photographic mask.
  • FIG. 13 gives the two curves obtained, with mask (curve I) and without mask (curve II), for this modulation transfer function. Values of the function for the masked fiber are greater than those of the function for the unmasked fiber, which clearly shows the filtering effect of the mask. The difference is around 30% for a frequency of 100 lp / mm, and 12% for a frequency of 200 lp / mm. This increase in the modulation transfer function for higher frequencies, with mask, provides an improvement in the quality of the image.
  • FIG. 14 represents a spatial distribution, along a dimension, of the intensities of the image obtained, in the case of an image with mask (curve I) and without mask (curve II).
  • the contrast between individual hearts and the mantle is higher for masked fibers (contrast ⁇ 0.7) compared to the contrast for unmasked fibers ( ⁇ 0.6).
  • the image quality is enhanced by more contrasting sampling of the fiber cores.
  • the increase in the modulation transfer function, for the masked multi-core fiber is attributed to a significant reduction in the intensity of inter-core coupling. In turn, this reduction is attributed to a filtering of the guide modes of orders higher than the fundamental mode, and of the modes of leakage in the fiber.
  • the photographic mask plays a similar role, with the same technical function, as the metal mask described in the first embodiment: there is spatial filtering, p ⁇ r masking of one by "of the inter-core space between the individual hearts, and on the other hand peripheral areas of the hearts.
  • references 90, 100 and 104 always represent respectively the multi-core fiber, a lens and a photographic mask obtained for example according to the method which has been described above.
  • An object 124, of which an image is to be obtained, is placed in front of the mask 102, a lens 126 being positioned between these two elements.
  • This lens and the arrangement of the three elements are chosen so that the plane of the photographic mask 104 is coincident with the image plane of the lens.
  • the image obtained on the mask which then acts as a spatial filter, is then focused by the lens 100, at the input 98 of the multi-core fiber 90. At the output of the latter, one can find the elements 114 and 116 described above in conjunction with FIG.
  • any element for processing and / or storing images obtained can be associated with the device.
  • the images can be stored in a microcomputer 117 for further processing and / or viewing.
  • a possible treatment can be the bilinear interpolation treatment, already described above, this treatment makes it possible to avoid the black zones corresponding to the mantle of the fibers.
  • the spatial filters according to the invention can be used in the context of any imaging device implementing a multi-core fiber for which it is necessary to reduce the contributions of the modes of order n> l transmitted by the individual hearts as well as the illumination of the inter-core zones, by the light scattered, re-emitted or reflected by the object studied.
  • Confocal techniques use a double spatial filtering system for the injection of light (illumination of the sample) and the collection of the signal emitted by the sample after illumination. This dual system improves the resolution compared to traditional optical microscopy.
  • the use of a multi-core fiber allows the observation of samples outside the microscope area.
  • the size of the hearts and the distance between the hearts should be as small as possible to obtain the best possible resolution. Coupling between hearts plays a less important role than in traditional microendoscopy, because the measurement is done successively and individually on each heart.
  • Reference 130 designates a multi-core fiber, reference 132 a sample to be studied.
  • a point source 134 emits a beam 136 in the direction of an entry face of the fiber 130, after having passed through a device 138 making it possible to scan the beam and a focusing device 140.
  • the beam 136 is successively focused in different individual hearts of the multi-core fiber 130.
  • two objectives 142, 144 which allow, of a On the other hand, to focus the incident light towards the sample and, conversely, to focus the light coming from the area of interest of the sample 132 on the entry face of the multicore fiber.
  • the observation beam is transmitted towards a beam splitter 146 which deflects it towards a point detector 148.
  • the point detector 148 associated with the detection makes it possible to individually select, heart by heart, the intensity emitted by the illuminated sample.
  • This detector can be as small as desired, the maximum resolution being linked to the size of the heart.
  • a metal mask according to the present invention can be formed at the input or at the output of the multi-core fiber 130.
  • a photographic mask according to the present invention can be placed at several places:
  • the mask allows optimization of the coupling of the light between sample 132 and the multicore fiber: by promoting the excitation of the fundamental mode, we obtain more punctual, and therefore more precise, information of the image.
  • the neighboring hearts are also illuminated and the coupling between the hearts can reduce the resolution.
  • the mask makes it possible to optimize the coupling between the focused beam and the multi-core fiber, by filtering as much as possible the contribution of the modes of order greater than or equal to 1.
  • the photographic mask allows the harvest of the signal emitted by the sample, with maximum efficiency.
  • the order modes greater than or equal to 1 see their contribution greatly reduced in the total intensity transmitted by the multicore fiber 130.
  • the various filters according to the invention can be apply to multifibers, which can for example also be used in microendoscopy.
  • the different fibers, each with its heart and its mantle can be identified individually;
  • the densities of the hearts in a multifiber are less important than in a multicore fiber.
  • optical isolation problems may arise, as in the case of multicore fibers. Training procedures for masks and the characterization methods described above can be applied directly to multifibers.

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Abstract

L'invention a pour objet un dispositif optique pour transmettre un rayonnement incident, comportant: une fibre multicoeurs (40), ou une multifibre, comportant elle-même un ensemble de coeurs (34, 36, 38) séparés par des zones dites zones intercoeurs (42, 44, 46, 48), et un filtre spatial (56) permettant de filtrer, dans chaque coeur, les modes de propagation d'ordre supérieur au mode fondamental, et de plus permettant d'éviter l'injection de rayonnement incident dans les zones intercoeurs. L'invention concerne également un procédé et un dispositif pour réaliser le filtre spatial, ainsi qu'un dispositif endoscopique et un dispositif d'imagerie comportant un dispositif optique selon l'invention.

Description

FILTRE SPATIAL POUR FIBRE MULTICOEURS ET PROCEDE DE
REALISATION
DESCRIPTION Domaine technique et art antérieur
L'invention concerne le domaine des fibres optiques multicoeurs.
Une fibre multimode classique comporte, comme illustre sur la figure IA, un coeur 1 et un manteau 3. Une fibre multicoeurs est un faisceau de fibres, fondu et étire, qui forme donc un ensemble continu. Le manteau de cnaque fibre individuelle st fondu avec les manteaux des coeurs voisins.
A l'intérieur d'une fibre multicoeurs on ne peut distinguer que des coeurs individuels, le manteau des fibres étant devenu en quelque sorte collectif.
La figure 1B représente une vue en coupe transversale d'une fibre multicoeurs, les coeurs 24 et les manteaux 26 étant groupes a l'intérieur d'une première gaine 2b, par exemple en silice, el d'une seconde gaine 30, dite gaine externe ou revêtement "noir" Le diamètre extérieur D} de 1 ' enseraole peut être par exemple de l'ordre de 200 a 500 μm.
La figure 1C est une vue agrandie de la portion 32 du laisceau de coeurs. Sur cette figure 1C, il apparaît que les coeurs ont des sections transversales de forme variable, plus ou mojns homogène. En particulier, le diamètre d de chaque coeur, c'est-a- dire la plus grande distance séparant deux points d'un même coeur, varie d'un coeur a J 'autre. 1yoiquemer.t d peut, par exemple, varier entre 3 et 4 μrn pou1" une même fibre multicoeurs. De même, la distance moyenne d'un coeur a l'autre n'est pas uniforme et peut par exemple varier, pour une même fibre multicoeurs, de 3 <u 3,5 um. La notion de fibre multicoeurs est a distinguer de celle de multifibres, qui est un assemblage ou un faisceau de fibres indépendantes placées conjointement et éventuellement collées en bout. L'invention s'applique également aux multifibres.
Les fibres multicoeurs et les multifibres sont utilisées en imagerie, notamment dans le domaine médical. L'endoscopie, et en particulier la microendoscopie, permet au praticien d'acquérir des informations, ou images, des parties intérieures au corps humain, telles que l'estomac, les poumons ou le coeur
Un dispositif pour la mise en oeuvre d'une telle technique est représente schématiquement sur la figure 2, ou la référence 2 désigne une source de lumière qui est focalisée par une lentille 4 a l'entrée d'un guide de lumière 6. Ce dernier est en fait le plus souvent relie a une pluralité de fibres optiques 8, 10 disposées a la périphérie d'une fibre multicoeurs 12. Un faisceau d'éclairage 14 peut ainsi être dirige sur une zone 16 d'un organe a observer, qui réfléchit un rayonnement 18 a l'entrée 20 d'une fibre multicoeurs 12. Cette dernière comportant un faisceau cohérent de coeurs individuels, ceux-ci transmettent donc la lumière de manière ordonnée entre eux, et l'image obtenue en sortie 22 de la fibre multicoeurs correspond a l'image formée a ] 'entrée 20 Des moyens pour mémoriser, analyser et/ou représenter l'image peuvent être également prévus en combinaison avec ce dispositif
Cette technique d' imagerie est décrite par exemple dans les articles de A Katzir "Optimal Fibers m Medicine", Scientific American, vol.260 (5), p. 120-125, 1989 et "Optimal Fiber Techniques (Medicme) ", Encyclopédia of Physical Science and Technology, vol. 9, p. 630-646, 1987.
Pratiquement, une fibre multicoeurs telle que la fibre 12 peut comporter environ 700 a 10000 coeurs, pour des applications à la microendoscopie..
Lors d'une application à l'imagerie, telle que celle exposée ci-dessus, les rayons 18 réfléchis par l'objet ou la zone 16 à observer, peuvent être incidents sur l'extrémité d'un coeur 24 ou sur une zone intercoeurs 26. Dans ce dernier cas, la lumière incidente n'est pas transmise a l'extrémité 22 de sortie. Par conséquent, seule une partie du rayonnement réfléchi par l'objet ou la zone 16 a observer est transmise, et la proportion de rayonnement transmis dépend du nombre limité de coeurs dans la fibre multicoeurs, et de la distance intercoeurs. Plus cette distance sera petite et plus eleve sera le nombre de points de l'image d'entrée qu'il sera possible d' échantillonner. Cependant, la réduction de la distance intercoeurs ne va pas sans poser certains problèmes. En-dessous d'une certaine limite, il n'y a plus amélioration, mais au contraire dégradation, de l'image obtenue en sortie de fibre multicoeurs, du fait de l'apparition d'un phénomène de couplage entre coeurs voisins. Ce couplage peut être attribue à deux phénomènes physiques.
Le premier est lié à l'existence, pour chaque mode de propagation a l'intérieur d'un coeur individuel, d'un champ evanescent reparti spatialement dans les zones intercoeurs et dans les coeurs voisins. Ce champ evanescent est d'autant plus important que l 'ordre du mode est élevé. Il en resuite que, pour une intensité incidente I0 en entrée d'un coeur, celui-ci transmet en sortie une certaine intensité I0-ι0, tandis que les coeurs voisins transmettent une intensité ι0.
Un deuxième phénomène, de nature différente du premier, est lié a l'existence de modes faiblement guides. Ces derniers présentent la propriété d'être guides dans un coeur de la fibre, mais avec d'importantes pertes sous forme d'un rayonnement dirige vers les coeurs voisins.
Ces phénomènes contribuant, comme on l'a expliqué plus haut, a une diminution de la resolution de l'image, il est important de trouver un moyen permettant d'en réduire l'importance.
Enfin, indépendamment de ces phénomènes physiques de couplage, il reste toujours le problème de la zone intercoeurs (zone 26 sur la figure 2B) . De la lumière incidente sur cette zone n'est pas transmise en sortie, mais peut par contre être diffusée vers les coeurs voisins et dégrader ains: l'image en sortie de fibre. Les mêmes problèmes se posent pour les multifibres .
Expose de 1 ' invention
L'invention propose une solution a ces problèmes.
Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif optique pour la transmission d'un rayonnement incident, comportant :
- une fibre multicoeurs, comportant elle-même un ensemble de coeurs sépares par des zones dites zones intercoeurs, et
- un filtre spatial permettant de filtrer, dans chaque coeur, les modes de propagation d'ordre supérieur au mode fondamental, et permettant d'éviter l'injection de rayonnement incident dans les zones intercoeurs. 7/42532 PCÏ7EP97/02052
Le fait d' "obturer" les zones intercoeurs avec le filtre permet d'éliminer une source de dégradation de l'image transmise. De plus, le fait de réduire l'intensité des modes de propagation d'ordre supérieur au mode fondamental permet de réduire l'intensité des champs evanescents, et des modes de fuite, et donc de réduire les sources de couplage entre les coeurs individuels. (Le mode fondamental peut aussi être caractérisé comme le mode d'ordre 0, les autres modes étant d'ordre n:>l, n=l, n=2, ...) .
Selon un premier mode particulier de réalisation, le filtre spatial peut comporter un masque, muru de perforations, dépose sur une face du faisceau de la fibre multicoeurs, chaque perforation étant centrée sur un coeur individuel correspondant, et ayant un bord obturant la partie périphérique de ce coeur, les zones intercoeurs étant obturées par le masque
Le masque peut être par exemple un dépôt métallique réalise sur l'extrémité d'entrée de la fibre multicoeurs.
Selon un autre mode de réalisation particulier de l'invention, le filtre spatial peut comporter une emulsion photographique représentant l'image d'une face d'une extrémité de la fibre optique multicoeurs.
L'invention a alors également pour objet un tel filtre spatial en tant que tel.
L'invention a également pour objet un dispositif d'imagerie, en particulier un dispositif endoscopique, comportant un dispositif avec fibre multicoeurs et filtre spatial, tel que décrit ci- dessus.
L'invention a également pour objet un procède pour réaliser un filtre spatial a une extrémité d'une fibre multicoeurs comportant un ensemble de coeurs, une couche de matériau étant déposée à une extrémité de la fibre multicoeurs, comportant :
- l'introduction, par l'autre extrémité de la fibre multicoeurs, d'un faisceau laser dans au moins un coeur individuel de la fibre multicoeurs, de manière à exciter le mode fondamental de ce coeur, et
- la perforation de la couche de matériau à l'aide du faisceau laser.
On obtient ainsi un masque dont les perforations sont auto-alignées avec les coeurs individuels et adaptées à la forme de chaque coeur.
Du fait de son procède de réalisation, ce masque est alors particulièrement bien adapté pour ne permettre qu'une excitation préférentielle du mode fondamental à l'intérieur de chaque coeur.
De plus, le fait de réaliser la perforation en dirigeant le faisceau laser de perforation à l'intérieur même du coeur permet d'éviter la formation, lors de la perforation, de cratères dans le matériau dépose. La chaleur dégagée par cette opération de perforation est évacuée par la fibre multicoeurs et par la couche métallique, ce qui évite une vaporisation du matériau déposé aux endroits ou il doit y avoir obturation. Avant perforation, un centrage du faisceau, c'est-a-dire un positionnement permettant de n'exciter essentiellement que le mode fondamental du coeur, peut être effectué en observant le champ proche transmis en sortie de fibre, à travers la couche de matériau à perforer.
L'invention a également pour objet un procédé pour réaliser un filtre spatial, a une extrémité d'une fibre multicoeurs, comportant les étapes suivantes :
- focalisation de l'image de ia face d'une extrémité de ia fibre multicoeurs sur un film photographique, - développement du film,
- inversion de l'image obtenue lors de l'étape de développement, par contact du film avec une emulsion photographique. La encore, ce procédé permet d'obtenir un filtre efficace des modes d'ordre supérieur au mode fondamental qui pourraient se propager dans les coeurs individuels d'une fibre multicoeurs.
De plus, le procédé, quel qu'il soit, peut avantageusement comporter une étape préalable de définition des zones où le faisceau laser doit être successivement positionne afin de réaliser les perforations. Ceci permet d'automatiser le procède, en particulier dans le cas de perforation du masque. Cette définition des zones peut consister en la formation d'une image globale de la fibre multicoeurs, la digitalisation de cette image, la recherche du barycentre de chaque coeur et le calcul de la surface associée a chaque coeur dans cette image. L'invention a également pour objet un dispositif pour mettre en oeuvre ce procède, ce dispositif pouvant en particulier comporter :
- des moyens pour émettre un faisceau laser et des moyens pour engendrer une impulsion laser a partir de ce faisceau laser,
- des moyens pour diriger le faisceau laser sur la face d'entrée de l'extrémité de la fibre multicoeurs sur laquelle la couche de matériau n'est pas déposée,
- des moyens permettant d'exciter essentiellement, avec le faisceau laser, le mode fondamental des coeurs individuels de la fibre multicoeurs.
L'invention s'applique également a une multifibre. Tous les objets et procèdes définis ci- dessus, dans lesquels la fibre multicoeurs est remplacée par une multifibre, font donc partie de 1 ' invention.
Brève description des figures De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux a la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnes a titre explicatif et non limitatif, en se référant a des dessins annexes sur lesquels :
- les figures IA, 1B et 1C représentent des vues en coupe transversale d'une fibre optique et d'une fibre multicoeurs,
- la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif d'endoscopie,
- la figure 3 représente un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4 représente un dispositif pour réaliser un dépôt a l'extrémité d'une fibre multicoeurs,
- la figure 5 représente un dispositif pour réaliser le perçage d'un film dépose sur une face d'une extrémité d'une fibre multicoeurs,
- la figure 6 représente des profils théoriques et expérimentaux d' intensité transmise en sortie d'une fibre individuelle dans une fibre multicoeurs,
- la figure 7 représente un coeur d'une fibre multicoeurs, les coeurs voisins et les coeurs immédiatement suivants, - les figures 8A et 8B représentent respectivement l'intensité couplée dans le mode fondamental, ainsi que le rendement de couplage a ce mode,
- les figures 9A a 9E illustrent des étapes de réalisation d'un procède pour automatiser le perçage, - la figure 10 représente la formation d'un filtre photographique,
- la figure 11 représente un dispositif de caracterisation d'un masque photographique selon l'invention,
- la figure 12 illustre schématiquement un procède d'interpolation d'une image obtenue avec un masque photographique,
- la figure 13 donne des fonctions de modulation et de transfert avec et sans masque photographique,
- la figure 14 représente des répartitions spatiales d'intensités, avec et sans masque photographique, - la figure 15 représente schématiquement un dispositif général pour l'utilisation d'un masque photographique,
- la figure 16 représente le principe d'un dispositif confocal avec fibre multicoeurs.
Description détaillée de modes de réalisation de
1 ' invention
Un exemple de réalisation d'un masque métallique sur une fibre multicoeurs va être décrit. Tout d'abord, la fibre multicoeurs elle-même peut être achetée dans le commerce (par exemple fibre
Fujikura) . Par ailleurs, un procédé de fabrication de fibres multicoeurs est décrit dans l'article de A.
Katzir, intitule "Optimal Fiber Technics (Medicine)", vol.9, p. 630-646, 1987, et en particulier au paragraphe IV, C, intitulé "Fabrication of Fiber-Optic
Bundles" .
La fibre est ensuite clivée et polie.
Typiquement, les fibres individuelles d'une fibre multicoeurs ont un diamètre de coeur qui varie dans la plage de 1,8 à 2,1 μm et une distance intercoeurs qui varie dans la plage de 3 à 3,5 μm.
Afin de mieux comprendre les différentes étapes du procédé mis en oeuvre pour la réalisation d'un masque métallique, on rappellera, en liaison avec la figure 3, que le principe du masquage est double :
- les coeurs 34, 36, 38 d'une fibre multicoeurs 40 sont séparés par des zones intercoeurs 42, 44, 46, 48, et un des objectifs est d'abord d'obturer ces zones intercoeurs, qui restent passives dans le procédé de transmission de l'image ; l'injection de lumière dans ces zones ne pourrait que dégrader cette transmission,
- il s'agit également d'obturer les parties périphérique 50, 52, 54 des coeurs, afin de réduire au maximum l'excitation, dans les coeurs, des modes autres que le mode fondamental.
Sur la figure 3, la référence 56 désigne donc un masque métallique, permettant de remplir ces fonctions lorsqu'un faisceau 58 de lumière est incident sur la face d'entrée de la fibre multicoeurs 40.
La formation du masque 56, en extrémité de fibre multicoeurs, peut être réalisée avec tout type de matériau. Cependant, il est préférable de choisir des matériaux présentant une température de vaporisation pas trop élevée, afin de pouvoir réaliser des perforations, par faisceau laser, dans la couche de matériau déposée. Il est donc possible de choisir des matériaux diélectriques ou bien des métaux. Ces derniers sont de bons candidats pour les raisons suivantes :
- ils permettent une évaporation facile et un contrôle précis de cette évaporation (planéité, épaisseur et état de surface) avec une bonne reproductibilité, - ils présentent de bonnes propriétés d'adhérence sur les composés diélectriques à base de silicate, utilisés notamment pour la réalisation des coeurs et des gaines des fibres individuelles, - ils présentent un point de transition solide-gaz précis, ce qui conditionne la précision des bords des perforations,
- ils présentent un haut coefficient d'atténuation, lié à une réflexion à l'interface, ce qui permet de réduire la couche à déposer à des épaisseurs infimes Une épaisseur réduite à son minimum limite les effets de dilatation différentielle entre la fibre et la couche métallique durant l'échauffement . En effet, les contraintes se répartissent mieux sur une couche très fines qui peut se dilater ou se contracter avec beaucoup plus de facilité. L'adhérence de la couche est, de ce fait, améliorée,
- sous forme de couches, ils présentent une faible conduction thermique. En outre, cette propriété, associée à une réflexion élevée αes faisceaux laser utilisés pour les perforations, permet d'obtenir une couche résistant aux fortes illuminations typiquement utilisées en endoscopie. En comparaison, un matériau diélectrique absorbant la lumière présente plus de risques en raison de la nécessité d'absorber l'énergie dans la couche,
- pour des épaisseurs de matériau relativement minces, le rapport absorption/transmission est suffisamment faible pour permettre un contrôle en ligne de la perforation.
Parmi les différents matériaux possibles, l'aluminium est particulièrement intéressant car c'est un matériau qui présente une bonne adhérence et des bonnes propriétés de développement de couches. Par ailleurs, la présence d'une couche d'oxyde rend la couche plus résistante. Parmi les métaux, le chrome constitue également un bon candidat pour réaliser les masques métalliques. Il est possible de prévoir un dépôt combiné de chrome, qui a une excellente adhérence sur la silice, puis de rajouter par dessus de l'aluminium, ce qui augmente considérablement d'adhérence de l'ensemble par formation d'un alliage à 1 ' interface.
Une fois le matériau choisi, une méthode pouvant être utilisée pour le dépôt consiste à accélérer un faisceau d'électrons en direction d'une cible métallique qui fond. Un dispositif utilisé pour mettre en oeuvre cette étape de dépôt est représenté sur la figure 4. Une chambre a vide 60 abrite un creuset 62 destiné à contenir le matériau métallique choisi, et pouvant être chauffé. Des moyens 64 de pompage de l'intérieur de l'enceinte 60 sont également prévus. L'enceinte abrite également la fibre 40 à l'extrémité de laquelle on souhaite réaliser le dépôt. Le vide provoqué dans l'enceinte de vaporisation implique un libre parcours moyen important des atomes d'aluminium qui vont quitter la surface du métal en fusion situé dans le creuset 62, et qui vont se déposer progressivement sur la cible, sous une forme métallique non oxydée. Afin d'obtenir une bonne qualité de couche, un contrôle précis de la vitesse de croissance de cette couche est effectuée. A cette fin, un quartz vibrant permet de mesurer très précisément la masse déposée, et donc l'épaisseur de la couche (précision nanométπque) . Une distance suffisante est maintenue entre l'aluminium en fusion, et la cible, afin d'éviter des effets angulaires. Un exemple d'appareil pouvant être utilisé est l'appareil "Edwards Auto-306 Coating Plant".
L'épaisseur de la couche à déposer est de préférence aussi mince que possible. L'épaisseur est de préférence choisie afin de pouvoir réaliser une atténuation égale ou supérieure à un facteur 1000, mais tout en laissant passer suffisamment de lumière de manière à réaliser, avant perforation, le centrage du faisceau laser de perforation par rapport au coeur de la fibre. Ainsi, le centrage peut être réalisé par observation de l'intensité qui est transmise par le coeur et qui traverse la couche de matériau déposé.
Pour des couches fines, la conduction thermique dans la couche métallique est directement proportionnelle à l'épaisseur. Pour réaliser la perforation d'une couche épaisse, la puissance doit être augmentée, sinon la couche est liquéfiée avec un mauvais contrôle de la forme, de la taille et des bords de la perforation. Dans ce cas, il est préférable de réduire le temps d'interaction en limitant la largeur de l'impulsion laser.
Dans le cas de l'aluminium, une couche d'épaisseur comprise entre 35 nm et 45 nm, par exemple 40 nm, constitue un bon compromis pour réaliser un masque permettant d'atteindre un filtrage spatial suffisant, tout en laissant passer suffisamment de lumière, avant perforation, pour autoriser le centrage du faisceau laser, et pour permettre une évaporation facile de matériau. Une telle épaisseur permet d'obtenir un facteur d'atténuation d'environ 10^. D'une manière générale, il est possible de réaliser un masque d'épaisseur comprise entre 20 et 75 nm.
Une fois la couche de matériau déposée, les perforations sont effectuées dans cette couche. Pour cela, un dispositif tel que celui représenté schématiquement sur la figure 5 est mis en oeuvre. La référence 40 désigne toujours la fibre multicoeurs, d'extrémités 66 et 68, l'extrémité 66 étant celle sur laquelle le matériau de masquage a été déposé. Le faisceau d'un laser continu 70, par exemple un laser à argon ionisé (faisceau à 514,5 nm) est modulé par un modulateur acousto-optique 72 déclenché par un générateur d'impulsions. Eventuellement, un séparateur de faisceaux 73 et une diode 75 permettent de mesurer l'intensité du faisceau laser. Le faisceau est ensuite dirigé vers un expanseur de faisceaux 74 et est focalisé par un objectif de microscope 76 sur la face d'entrée 68 de la fibre multicoeurs. Le microscope 76 permet à la fois l'observation de la face d'entrée de la fibre multicoeurs et l'observation du faisceau laser focalisé. Une caméra 78 transmet l'image de la face d'entrée et du faisceau laser focalisé a un dispositif de visualisation 80. La fibre multicoeurs est montée sur une table 82 permettant de réaliser des réglages de précision suivant trois directions X, Y, Z par contrôle mécanique micrométrique et par contrôle piézo¬ électrique submicrométrique. Par ces moyens de réglage, le faisceau laser focalisé est amené en coïncidence avec l'intérieur d'un coeur individuel. En sortie de la fibre multicoeurs, et plus précisément en sortie du coeur qui reçoit le faisceau focalisé, le faisceau laser est transmis à travers la couche déposée. L'image obtenue est agrandie par une lentille 82, et focalisée sur une caméra 84 reliée elle-même à un dispositif de visualisation 86.
Lorsque le modulateur 72 est déclenché, une partie importante de l'intensité du faisceau laser est déviée au premier ordre, et n'atteint pas le dispositif expanseur de faisceaux 74. L' intensité transτιιse (quelques pour-cent de l'ordre 0) est dirigée vers l'entrée du coeur, traverse celui-ci ainsi que la couche de matériau déposée en sortie, et est observée avec la seconde caméra 84. La position relative du faisceau transmis peut être ajustée avec la table de réglage 82, en entrée, jusqu'à ce que le meilleur ajustement géométrique de l'énergie transmise par le coeur soit obtenu. Pratiquement, on cherche le plus possible a confiner l'énergie injectée dans le coeur dans le mode d'ordre le plus bas possible, c'est-a-dire dans le mode fondamental. Pour cela, on cherche a obtenir, a l'aide de la caméra 84, une tache approximativement circulaire, ou légèrement elliptique, en sortie de la fibre 40. Les moyens de visualisation 78, 80 permettant de contrôler l'entrée 68 de la fibre 40 permettent en fait de réaliser un réglage grossier du faisceau laser sur la face d'entrée de la fibre, tandis que le réglage fin est réalise a l'aide des moyens 84, 86. Lorsque le modulateur 72 est arrête, la totalité de l'intensité est transmise sur la face d'entrée de la fibre, afin d'envoyer une impulsion laser d' intensité élevée et, dans le cas de l'exemple choisi, d'une durée d'environ 10 μs L'intensité du faisceau laser est progressivement et successivement accrue, jusqu'à ce qu'une augmentation importante de l'intensité transmise soit observée avec la caméra 84, ce qui indique que la perforation du film ou de la couche déposé (e) en sortie 66 de la fibre 40 est réalisée. Les diamètres de perforation optimum sont obtenus pour des puissances laser légèrement au-dessus de la puissance limite, c'est-a-dire de la puissance permettant d'atteindre la limite de perforation.
D'une façon générale, quel que soit le matériau employé, pour une puissance sensiblement égale a la puissance limite de perforation, la forme et le diamètre de la perforation sont similaires a ceux du faisceau introduit dans le coeur Pour des puissances inférieures, aucune perforation n'est observée, ou bien une perforation est réalisée, mais d'un diamètre beaucoup plus petit que le diamètre du coeur. Il s'agit d'un régime instable, et la perforation n'est pas réalisée à chaque coup. Plus la puissance est accrue, au-delà de la puissance limite, et plus la définition du bord de la zone perforée devient imprécise, mais le filtre spatial obtenu peut encore être utilisé. Un accroissement trop important de l'énergie produit un élargissement parasite des perforations.
Dans le cas d'un dépôt métallique d'aluminium de 40 nm d'épaisseur, des perforations ont été réalisées avec un faisceau laser de 40 milliwatts de puissance et des impulsions de largeur temporelle 10 μs. La perforation réalisée est alors principalement définie par la géométrie du coeur individuel. Dans la zone de perforation, l'aluminium est évaporé sous l'action de l'impulsion laser, puisqu'une épaisseur de 40 nm ne suffit pas à éliminer, par conduction, la chaleur déposée par l'impulsion laser. Si la couche d'aluminium est trop épaisse, le matériau ne s'évapore plus, mais fond. Il en résulte un contrôle moins précis des caractéristiques de la perforation. D'une façon générale, et quel que soit le matériau employé, on a donc intérêt à travailler avec des épaisseurs faibles, de façon à favoriser un effet de vaporisation sous l'action du faisceau laser.
Au contraire, pour des puissances légèrement au-dessus de 40 milliwatts, le diamètre du trou ne varie pas de manière significative avec une variation de puissance. Lorsqu'une perforation a été réalisée dans la couche de matériau déposée en sortie de fibre multicoeurs, et plus précisément en sortie d'un coeur individuel, une perforation peut être effectuée pour un coeur individuel voisin ou un autre coeur individuel. Le procédé peut ainsi être répété autant de fois qu'il y a de coeurs individuels dans la fibre multicoeurs.
Les avantages que procurent cette méthode (perforation par injection du faisceau laser dans la fibre multicoeurs) sont multiples. Tout d'abord, la fibre multicoeurs elle-même peut contribuer à l'évacuation de la chaleur ou de l'énergie déposée par l'impulsion laser dans la couche de matériau. On évite ainsi des phénomènes de vaporisation parasites. En outre, si l'attaque est réalisée par l'avant, c'est-à- dire si le faisceau laser vient perforer la couche en étant dirigé sur la face de celle-ci qui n'est pas tournée vers la fibre multicoeurs, il peut y avoir formation de cratères autour de la perforation réalisée, et cette dernière est beaucoup moins nette. Enfin, l'attaque de la perforation par l'interface fibre-couche de matériau déposée réduit 1 ' importance des inhomogénéités causées par des variations de l'état de surface de la couche de matériau. Les perforations obtenues avec cette technique sont autocentrees sur les coeurs individuels et le contrôle de la puissance laser permet de contrôler leur diamètre. Après réalisation de toutes les perforations, un filtre spatial est obtenu, qui permet de n'exciter essentiellement que le mode fondamental de propagation dans le coeur (car il y a recouvrement du masque et des bords de chaque coeur individuel), et qui permet d'obturer les espaces intercoeurs (car le dépôt est réalisé sur toute l'extrémité de la fibre multicoeurs, et il ne peut pas y avoir de perforations dans les zones intercoeurs) .
La figure 6 représente des profils d'intensité transmise, mesurés en sortie de deux coeurs différents d'une fibre multicoeurs ayant un masque tel que décrit ci-dessus, en fonction du rayon mesuré à partir du centre du coeur. Pour effectuer les mesures, un 97/42532 PC17EP97/02052
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dispositif de grandissement (facteur de grandissement entre 40 et 100) focalise l'image en sortie de coeur sur une caméra CCD. Les profils sont normalisés a une intensité maximum de 1. Les légères variations de largeur d'un profil d'intensité a un autre proviennent des variations de diamètre et d' ellipticité des deux coeurs testes. Ces variations induisent des modifications correspondantes dans le diamètre et la forme des perforations. Les courbes III et IV représentent les profils théoriques respectivement du mode fondamental et du mode d'ordre 1 Dans la mesure ou les courbes I et II concernent l' intensité totale transmise par chaque coeur, les profils définis par ces courbes I et II contiennent la contribution de chacun des modes excites. La comparaison avec les profils théoriques des modes d'ordre 0 et d'ordre 1 montre que la contribution des modes d'ordre 1, dans l' intensité effectivement transmise, est négligeable. Ceci montre bien que le résultat recherche, a savoir la réduction de la contribution des modes d'ordre 1 et plus, est obtenue.
Le couplage intercoeurs moyen a également pu être mesure. Du fait des variations statistiques dans le diamètre des coeurs et dans les distances intercoeurs, les résultats ont dû être moyennes pour obtenir les intensités de couplage intercoeurs Différents coeurs individuels ont ete excites en utilisant une source ponctuelle de 3 μm de diamètre. Pour chaque coeur 91 excite (voir figure 7), les intensités sortant des coeurs individuels voisins 93-ι, 95-j ont ete mesurées, de l'autre côte de la fibre multicoeurs par rapport a la source, et la distribution d' intensité est évaluée statistiquement II a ete constate que 15% de l' intensité introduite dans un coeur 91 sont couples dans les coeurs voisins 93-1, 93-2, , 93-6, et 6% dans les coeurs immédiatement suivants 95-1, ..., 95-12. Le couplage intercoeurs moyen est d'environ 0,5% pour les coeurs voisins et d'environ 1,9% pour les coeurs immédiatement suivants. Le couplage intercoeurs est donc réduit d'un facteur 30 pour les coeurs voisins et d'un facteur 3,2 pour les coeurs immédiatement suivants. Le fait que le facteur de réduction soit plus important dans le premier cas signifie sans doute que c'est la réduction des parasites dus aux ondes évanescentes qui est la plus efficace. Ceci confirme bien que les modes d'ordres supérieurs ou égaux à 1 sont efficacement filtrés par le masque obtenu selon la présente invention. Le couplage sur des distances plus importantes est dû principalement aux fuites d'un coeur vers les autres coeurs. Le filtre spatial obtenu est peut-être moins effectif pour la réduction de ce type de parasite. Cependant, la dégradation de la qualité de l'image dans le domaine des hautes fréquences spatiales est principalement due à la contribution du premier type de parasite. La réduction de ce dernier signifie donc une amélioration importante dans les performances optiques des fibres multicoeurs.
Le diamètre φp des perforations, permettant d'obtenir l'effet de filtre des modes d'ordre supérieur au mode fondamental, est inférieur au diamètre moyen φc du coeur de fibre correspondant, d'une valeur δ sensiblement comprise entre 0 et 1 μm, de préférence entre 0,2μm et lμm, ou, mieux encore, entre 0,5μm et 0,8μm
φp=φc-δ. Il faut cependant préciser que les mesuresooptiques de ces diamètres sont délicates. Un ajustement du mode fondamental obtenu par exemple théoriquement (courbe III de la figure 6) , ou expérimentalement (courbe I ou II de la figure 6) avec une fonction gaussienne (par définition, proche de la forme analytique réelle de ce mode) permet un calcul approximatif de l'intensité I qui peut être couplée dans le mode fondamental, en fonction du rayon r de la perforation, avec une illumination constante sur toute la surface. Le calcul a été réalise a la longueur d'onde 632 nm pour un coeur de diamètre 2 μm, plongé dans un manteau de très grande extension, sans coeur voisin. La courbe d'intensité a été normalisée par rapport au maximum, qui correspond a une illumination complète de toute la surface du coeur (voir figure 8A) . L'illumination sur une zone circulaire d'un rayon deux fois plus grand que le coeur donne l'excitation maximale du mode fondamental et correspond au maximum que l'on peut injecter dans le coeur. Si le rayon de la perforation est réduit a 1 μm (respectivement 0,75 μm, alors seulement 60% (respectivement 30%) de ce maximum est atteint. La réduction de la taille de la perforation entraîne des changements dans l'excitation du mode fondamental, et celle-ci change de 60 a 10% lorsque ce rayon est réduit de 1 a 0,5 μm. Enfin, on peut noter la présence d'une zone a forte sensibilité, entre 0,5 μm et environ 1,3 μm.
La figure 8B donne, pour un coeur de diamètre 2 μm, en fonction du rayon r de la perforation, le rendement δ de couplage, c'est-a-dire l'intensité effectivement couplée dans le mode fondamental, divise par l' intensité effectivement incidente sur le coeur, a travers la perforation. Les unîtes sont arbitraires, mais un maximum apparaît clairement pour un rayon de 0,9 μm. Le rendement du couplage est réduit de 30% lorsque le rayon passe de 0,9 a 0,5 μm. A mesure que le diamètre se rétrécit une plus grande portion de l'intensité lumineuse incidente s'échappe du coeur sous forme de modes radiatifs; En effet, une petite ouverture provoque des effets de diffraction très importants qui se marquent par des rayons lumineux très divergents à l'entrée du coeur. Le gradient d'indice du coeur ne peut compenser cette divergence afin de confiner ces rayons à l'intérieure du coeur et les rayons s'échappent. Par conséquent, 4il apparaît, d'après cette figure 8B que la zone acceptable pour le rayon de la perforation est comprise entre 0,5 μm et 0,9 μm (pour un coeur de rayon 1 μm ; lμrrKφp<l,8μm ; 0, 2μπκδ£lμm) .
Ainsi qu'il a été explique ci-dessus, le perçage du masque est effectué coeur par coeur. Une méthode a été mise au point, qui permet d'effectuer ce perçage de manière automatique. Pour cela, le dispositif décrit ci-dessus en liaison avec la figure 5 est modifié ; il incorpore, outre les éléments déjà décrits ci-dessus, des moyens (séparateur de faisceau, source de lumière blanche) permettant de soumettre la fibre multicoeurs 40 a un éclairage blanc uniforme qui est introduit par l'une des extrémités de la fibre. Par l'autre extrémité, une image du reseau des coeurs de la fibre est obtenue, du fait de cet éclairage. Des moyens de digitalisation de l'image obtenue sont prévus, ainsi que des moyens de mémorisation des valeurs digitalisées. L'image obtenue sous un éclairage blanc uniforme conduit donc à un ensemble de NxN points ou pixels. A chaque pixel correspond une valeur numérique d'intensité, qui est fonction de la position du point ou du pixel p(X,Y) dans le plan de l'image. Le procédé de traitement des données ainsi obtenues permet de déterminer trois informations de base : - tout d'abord un masque numérique pour l'image de la fibre est défini, qui permet de distinguer les pixels de la fibre multicoeurs et les pixels situés dans la région entre la fibre multicoeurs et la gaine externe de la fibre (gaine référencée 30 sur la figure 1B) ; la détermination de ce masque permet un gain du temps de calcul et du nombre d'opérations ;
- la réponse de chaque coeur individuel au signal reçu, qui permet de rechercher le barycentre de chaque coeur individuel ;
- la surface associé à chaque coeur, qui permet, en liaison avec la connaissance du barycentre, de localiser chaque coeur ;
La première étape (définition d'un masque numérique de la fibre multicoeurs) va maintenant être décrite, en liaison avec les figures 9A et 9B. La figure 9A représente l'image de référence obtenue en éclairage blanc. La référence 81 désigne la surface circulaire du réseau des coeurs de la fibre multicoeurs : cette surface contient l'information utile pour le traitement de l'image. La détermination d'un masque numérique , qui délimite cette surface, permet d'appliquer les opérations ultérieures seulement dans cette région, et donc de réduire le nombre d'opérations et le temps de calcul. Pour cela, un balayage de gauche à droite de l'image est réalisé, sur chaque ligne de l'image de référence (c'est-à-dire de l'image obtenue avec éclairage en lumière blanche) jusqu'au pixel qui a une intensité supérieure à un seuil donné. Parmi les pixels obtenus pour toutes les lignes, celui avec la colonne d'ordre minimal à partir de la gauche détermine la colonne extrême gauche, représentée schématiquement sur la figure 9A par une ligne en traits interrompus 83. De la même manière, on détermine la colonne extrême droite 85, la ligne extrême supérieure 87 et la ligne extrême inférieure 89. Le seuil applique (le même pour tous les côtes de l'image) est défini selon le niveau de bruit de l'image. Ensuite, les pixels situes a l'intérieur de l'image 81 sont codes a "0", tandis que les autres pixels sont codes a "1". Ce codage est enregistré dans une matrice de même taille que l'image de référence.
L'étape suivante permet de rechercher le barycentre de chaque coeur. Cette recherche est faite selon la méthode de segmentation par croissance de région. Elle permet de regrouper les pixels contigus appartenant au même coeur. Pour chaque pixel de l'image de référence 81, on définit quatre connexions, selon le schéma représenté en figure 9C. Pour chaque connexion, un seuil T est défini, tel que, pour tout pixel de coordonnée (xι_, y\ ) :
si Ip(x1,y1)>T, alors : p(xχ,yι) e Ck
ou Ip(xχ, yτ_) désigne l'intensité du pixel de coordonnées (xi, yτ_) et Ck désigne le coeur numéro k.
A mesure que les pixels voisins sont rassembles, un numéro k est attribue au coeur correspondant. Il est ensuite possible de calculer le barycentre des pixels regroupes sous la désignation "coeur nD k" . La méthode s'applique d'une manière récursive pour chaque pixel de 4 connexions. Le cas αes pixels a moins de 4 connexions n' constate que pour les pixels situés au bord de l'image. Dans la recherche, il y a un test sur ces pixels et des qu'un pixel de bord est détecte, la recherche dans cette direction s'arrête et continue dans une autre direction.
Le seuil T est détermine a partir de l'histogramme cumule des intensités de l'image de référence (en ne tenant compte que des pixels situes a l'intérieur de la fibre, en utilisant le masque défini), et il est base sur les informations données par le fabricant. De manière plus précise, a partir des données relatives au diamètre du coeur, au nombre des coeurs de la fibre, le nombre moyen de pixels est calcule selon la relation suivante :
Npc = (NpbxAmc>/Amb
ou Amc désigne la surface d'un coeur (en μm^) calculée a partir du diamètre du coeur ; Amr; désigne la surface de la section de la fibre multicoeurs (en μm^) définie selon les données du ; Np^ désigne le nombre de pixels dans l'image de la fibre multicoeurs, ou encore la surface de la section de la fibre multicoeurs en pixels définie a partir de l'histogramme cumule ; NpC désigne le nombre de pixels du coeur, ou encore la surface moyenne de chaque coeur individuel, en pixels.
Il est possible que les fibres se déforment pendant leur étirage a chaud, et le diamètre des coeurs peut donc diminuer ou augmenter suivant une direction. Les coeurs n'ont alors plus la forme circulaire Donc, le nombre de pixels obtenus n'a qu'une valeur moyenne. En multipliant le nombre de coeurs par la surface (pixel) d'un coeur individuel, on obtient la surface "utile" de la fibre multicoeurs. Ensuite, a partir de l'histogramme cumule tel que celui illustre sur la figure 9D, et qui regroupe, en abscisse, le niveau cumule de gris et en ordonnée le nombre de pixels, on définit le niveau αe gris qui correspond a cette surface "utile". Le seuil de segmentation T est défini par la valeur de ce niveau de gris La recherche se fait en se déplaçant de la droite vers la gauche (en niveau de qris) sur l'histogramme cumule jusqu'à ce que la valeur de la surface utile des coeurs soit atteinte. Enfin, la surface associée à chaque coeur est calculée. La réponse du coeur au signal lumineux reçu est définie par la somme des intensités des pixels appartenant à ce coeur. Pour avoir une évaluation exacte de cette réponse, on associe à chaque coeur une surface limitée par les médiatrices entre le coeur central C^ . (voir figure 9E) et chacun des coeurs voisins
Figure imgf000027_0001
Ainsi, la surface du faisceau de coeurs est divisée en polygones adjacents, et chaque pixel de l'image appartient à une et seulement une région.
Le procédé décrit ci-dessus peut être mis en oeuvre par un micro-ordinateur convenablement programmé. Les instructions de programme appropriées sont stockées sur des unités conventionnelles RAM ou ROM, les données obtenues, concernant l'identification du centre de chaque coeur peuvent ensuite commander un mécanisme de déplacement relatif entre l'extrémité 68 de la fibre (voir figure 5) et le dispositif qui permet de focaliser le faisceau de perçage au niveau de cette extrémité 68. Ces moyens de déplacement peuvent être des moyens de déplacement de la table 82 sur laquelle est fixée l'extrémité 68 de la fibre multicoeurs 40. Un étalonnage préalable permet de repérer les coordonnées, dans le plan XY de l'image de l'extrémité de la fibre (voir figure 9A) , d'une certaine position de cette table. Cette position est alors choisie comme origine pour définir tout déplacement ultérieur. Après chaque perçage, la commande, pour effectuer le déplacement de l'extrémité de la fibre en vue de réaliser le perçage correspondant à un coeur voisin, peut être envoyée automatiquement, à partir des informations reçues par la caméra 84 (l'intensité transmise en sortie 66 de la fibre multicoeurs augmentant soudainement après perçage, une condition de seuil peut être implémentée 7/42532 PC17EP97/02052
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en comparant l'intensité transmise en sortie 66 de fibre et une intensité de référence au-dessus de laquelle le perçage est considéré comme ayant eu lieu) ou peut être déclenchée par l'opérateur (ce dernier surveillant par exemple l'écran 86 qui affiche l'image de la sortie 66 de la fibre, ce qui permet de contrôler à quel moment le perçage est réalisé) .
Un autre mode de réalisation d'un dispositif permettant de réaliser un filtrage des modes d'ordre supérieur au mode fondamental des coeurs individuels d'une fibre multicoeurs, et qui permet également d'éviter la propagation de lumière vers les zones intercoeurs, va maintenant être décrit. Ce dispositif est en fait un masque photographique, ou plutôt une émulsion photographique représentant l'image de la sortie de la fibre multicoeurs.
Un dispositif pour réaliser ce masque va être décrit, en liaison avec la figure 10. Sur cette figure, la référence 90 désigne une fibre multicoeurs, du type de celle déjà décrite ci-dessus, en liaison avec le premier mode de réalisation, et pour laquelle on veut réaliser le masque photographique. Une source de lumière blanche 92 émet un rayonnement qui est focalisé par une lentille 94 à l'entrée 96 de la fibre 90. L'image de l'extrémité de sortie 98 de la fibre 90 est focalisée à l'aide de moyens de focalisation 100, par exemple une lentille, sur un film photographique 102, par exemple un film Kodalith ortho type 3 (Kodak) . Le grossissement de la lentille, et donc l'agrandissement de l'image de la sortie 98 de la fibre sur le film 102 est choisi en fonction de la résolution qu'il est possible d'obtenir avec ce film. Par exemple, la résolution du film noir et blanc mentionné ci-dessus (Kodak) se situe dans la gamme de 400 à 600 lp/mm 7/42532 PO7EP97/02052
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(paire de lignes par mm) , et le facteur de grandissement de la lentille 100 choisie est de 20. Des filtres 103 peuvent être interposés sur le trajet de la lumière en direction des films 102 : un filtre rouge permet d'effectuer les réglages sans impressionner l'emulsion, tandis qu'un filtre vert est introduit afin d'améliorer la resolution, le réglage se fait a la main en ajustant la position du film photographique grâce aux platines de translation micrometriques, et en observant directement l'image de la fibre multicoeurs (par exemple en lumière rouge, le film photographique n'étant pas impressionne par cette couleur) .
Le film est ensuite développe, par exemple avec un développeur "fine-line" (Kodak), afin d'obtenir un négatif du masque
Ensuite, l'image est inversée par contact direct entre le film développe et une émulsion, par exemple une émulsion "kodalith ortho" déposée sur un verre Le film est finalement développe pour obtenir le masque
Un dispositif de caracterisation d'un tel masque va être décrit, en liaison avec la figure 11. Un faisceau de lumière blanche est émis par une source 106, et est diffuse par un verre 108. La lumière diffusée éclaire le masque photographique 104, dont l'image est focalisée a l'aide de la lentille 100 sur la face d'entrée 98 de la fibre multicoeurs 90. Le masque 104 est monte sur une table 110 permettant de réaliser des déplacements suivant trois directions X, Y, Z (a l'aide αe moyens mécaniques pour les déplacements micrometriques et de moyens piézo¬ électriques pour les déplacement submicrometriques) et une rotation autour de l'axe optique. L'orientation du masque 104 et le grandissement de la lentille 100 sont choisis précisément afin d'avoir une complète correspondance entre l'image du masque photographique et le réseau de fibres à l'extrémité 98 de la fibre multicoeurs 90. Une cible d'essai ou de caracterisation 111 est par ailleurs montée sur une table 112 permettant des déplacements micrométriques suivant trois directions X, Y , Z. Les cibles sont choisies parmi un ensemble de mires de Ronchi (ces mires sont constituées de couches de chrome déposées sous forme de barrettes opaques sur un verre optique) et la fréquence spatiale des mires est de 5, 10, 15, .... 160 et de 170, 180, 190, 200 lp/mm (paires de lignes par mm) . En face de la sortie 96 de la fibre multicoeurs 90, une lentille 114 permet d'agrandir et de focaliser, sur une caméra CCD 116 à 255 niveaux de gris, l'image obtenue en sortie de fibre. Les mires disposées face à l'extrémité 98 de la fibre multicoeurs sont ajustées de manière précise à l'aide de la table 112, afin d'obtenir une image, sur la caméra, pour laquelle les traits de la mire sont disposés verticalement. Un faisceau de lumière blanche obtenu à l'aide d'une source 118 est focalisé sur la face de sortie 96 de la fibre 90. Ce faisceau, après avoir traversé la fibre, la mire positionnée face à la sortie 98 de la fibre, la lentille 100, et le masque photographique 104, est dévié par un séparateur de faisceaux 120 en direction d'un microscope 122. La position optimale du masque photographique 104 et de la mire, correspondant au maximum d'intensité transmise à travers le masque photographique et à la disparition des franges de "Moiré" dues à l'interférence entre les deux réseaux, est obtenue par réglage de la position de ces éléments à l'aide des tables 110, 112.
Pour chaque mire dont une image est formée en sortie, sur la caméra 116, une image est enregistrée dans des moyens de mémorisation prévus à cet effet. Chaque mire est déplacée latéralement et le test est ensuite répété avec la mire de fréquence supérieure. Le contact mécanique entre la mire et la face d'entrée 98 de la fibre multicoeurs peut provoquer un léger déplacement de cette dernière, par rapport au masque photographique 104. Le masque peut alors être réajusté précisément avec les moyens de translation piézo¬ électriques de la table 110, par observation directe.
Pour chaque fibre multicoeurs testée, il est possible d'effectuer un traitement préalable, identique à celui déjà décrit ci-dessus en liaison avec la réalisation des masques métalliques, afin de déterminer la position des barycentres de chaque coeur individuel et la surface associée à chaque coeur. Pour cela, de la même manière qu'il a déjà été décrit ci-dessus, un faisceau de lumière blanche est introduit dans la fibre multicoeurs, par une de ses extrémités, et l'image correspondante est observée par l'autre extrémité. Ladite image est digitalisée, mémorisée, puis, ainsi qu'il a déjà été décrit ci-dessus :
- on définit un masque numérique permettant de délimiter l'image de la fibre multicoeurs,
- on recherche le barycentre des coeurs, par la méthode de segmentation par croissance de région, - on calcule la surface associée a chaque coeur.
Pour chaque image transmise et mémorisée, obtenue avec un masque photographique, l'intensité transmise par chaque coeur individuel peut être intégrée (on effectue la somme des intensités associées aux pixels contenus dans la surface C^ associée à chaque coeur) et la valeur obtenue est associée au centre du coeur correspondant. Ensuite, les intensités sont interpolées bilinéairement, afin d'éviter la présence des zones noires correspondant au manteau (ou zone intercoeurs) des fibres. La procédure d'interpolation peut être expliquée en liaison avec la figure 12, qui représente un diagramme donnant 1 ' intensité I intégrée associée a chaque barycentre de coeur, en fonction de la position (x, y) du coeur dans l'image. L'interpolation bilineaire est calculée sur chaque surface triangulaire déterminée par les barycentres de trois coeurs : les intensités des pixels contenus dans la zone triangulaire entre les centres des coeurs a, b et c (zone 121 sur la figure 12) sont remplacées par les valeurs d'intensité interpolées. Avec un tel traitement, il a été constate que, sur une image d'une mire de test de Ronchi, les zones intercoeurs noires ont disparu et que l'image traitée présente un aspect plus continu.
Enfin, l'intensité des pixels des images interpolées est moyennée suivant une verticale. La procédure d'interpolation, combinée avec l'étape de calcul de la moyenne suivant une verticale, donne une fonction d'intensité à une dimension. Un algorithme, mis en oeuvre a l'aide d'un ordinateur classique programme a cet effet, cherche les extremas de la fonction d' intensité, et les contrastes successifs correspondants sont calcules et moyennes. Les valeurs obtenues pour la moyenne du contraste sont reportées sur un graphique, en fonction des fréquences spatiales des mires, et sont assimilées à la ionction de transfert de modulation.
Afin d'évaluer l'efficacité du masque, la fonction de transfert de modulation a été mesurée pour une fibre multicoeurs comportant 6000 coeurs, d'une part avec et d'autre part sans masque photographique.
La figure 13 donne les deux courbes obtenues, avec masque (courbe I) et sans masque (courbe II), pour cette fonction de transfert de modulation. Les valeurs de la fonction pour la fibre masquée sont supérieures à celles αe la fonction pour la fibre non masquée, ce qui montre clairement l'effet de filtrage du masque. La différence est de l'ordre de 30% pour une fréquence de 100 lp/mm, et de 12% pour une fréquence de 200 lp/mm. Cet accroissement de la fonction de transfert de modulation pour les fréquences plus élevées, avec masque, procure une amélioration de la qualité de 1 ' imaqe. La figure 14 représente une répartition spatiale, suivant une dimension, des intensités de l'image obtenue, dans le cas d'une image avec masque (courbe I) et sans masque (courbe II) . Le contraste entre les coeurs individuels et le manteau est plus élevé pour les fibres masquées (contraste ~ 0,7) compare au contraste pour les fibres non masquées (~ 0,6) . Par conséquent, la qualité de l'image est renforcée, par un échantillonnage plus contraste des coeurs de fibre. L'accroissement de la fonction de transfert de modulation, pour la fibre multicoeurs masquée, est attribue a une réduction significative de l'intensité de couplage intercoeurs. A son tour, cette réduction est attribuée a un filtrage des modes guides d'ordres supérieurs au mode fondamental, et des modes de fuite dans la fibre. Par conséquent, le masque photographique joue un rôle similaire, avec même fonction technique, que le masque métallique décrit dans le premier mode de réalisation : il y a filtrage spatial, pαr masquage d'une par" de l'espace intercoeurs entre les coeurs individuels, et d'autre part des zones périphériques des coeurs.
Toujours en ce qui concerne les masques photographiques, on notera la possibilité de faire varier la taille de l'image des coeurs individuels en modulant l'un par rapport à l'autre les paramètres de développement que sont le temps d'exposition et le temps de développement du masque. Ainsi, un bon filtre peut être obtenu avec un temps d'exposition constant et en travaillant en surdéveloppement.
Un dispositif pour l'utilisation d'un masque photographique va être décrit en liaison avec la figure 15. Sur cette figure, les références 90, 100 et 104 représentent toujours respectivement la fibre multicoeurs, une lentille et un masque photographique obtenus par exemple selon la méthode qui a été décrite ci-dessus. Un objet 124, dont on veut obtenir une image, est place en avant du masque 102, une lentille 126 étant positionnée entre ces deux éléments. Cette lentille et la disposition des trois éléments sont choisies de sorte que le plan du masque photographique 104 soit confondu avec le plan image de la lentille. L'image obtenue sur le masque, qui joue alors le rôle de filtre spatial, est ensuite focalise par la lentille 100, a l'entrée 98 de la fibre multicoeurs 90. En sortie de cette dernière, on peut retrouver les éléments 114 et 116 décrits ci-dessus en liaison avec la figure 11 (lentille et caméra CCD) Tout élément de traitement et/ou de mémorisation d'images obtenues peut être associe au dispositif. Ainsi, les images peuvent être mises en mémoire dans un micro-ordinateur 117 en vue d'un traitement et/ou d'une visualisation ultérieur (e) . Un traitement possible peut être le traitement d'interpolation bilineaire, déjà décrit ci- dessus, ce traitement permet d'éviter les zones noires correspondant au manteau des fibres.
L'un ou l'autre des filtres décrits dans la présente description peuvent être utilisés en combinaison avec une fibre multicoeurs dans un appareil d'endoscopie tel que celui décrit ci-dessus, dans l'introduction, en liaison avec la figure 2 et pour lequel de plus amples détails peuvent être trouvés dans les articles de A. Katzir et al. déjà cités.
D'une manière plus générale, les filtres spatiaux selon l'invention peuvent être utilises dans le cadre de tout appareil d'imagerie mettant en oeuvre une fibre multicoeurs pour laquelle il s'avère nécessaire de réduire les contributions des modes d'ordre n>l transmis par les coeurs individuels ainsi que l'illumination des zones intercoeurs, par la lumière diffusée, reemise ou réfléchie par l'objet étudie .
Un exemple d'application va être donne, pouvant être mis en oeuvre avec un masque photographique ou un masque métallique selon l'invention. Cet exemple concerne une application a la microscopie ou microendoscopie confocale avec fibres multicoeurs, dont un schéma de principe est donne en figure 16, tirée de l'article de D Azi? et al., intitule " Imaging performance of the fiber-optic image-bundie confocal microscope", SPIE, Vol. 2083, p 139-146 (1993), ou cette technique est décrite.
Les techniques confocales utilisent un double système de filtrage spatial pour l'injection de la lumière (illumination de l'échantillon) et la récolte du signal émis par l'échantillon après illumination. Ce double système permet d'améliorer la resolution par rapport a la microscopie optique traditionnelle. L'utilisation d'une fibre multicoeurs permet l'observation d'échantillons hors de la zone du microscope. La taille des coeurs et la distance entre les coeurs doivent être aussi petites que possible pour obtenir la meilleure resolution possible. Le couplage entre les coeurs joue un rôle moins important que dans la microendoscopie traditionnelle, car la mesure se fait successivement et individuellement sur chaque coeur.
La référence 130 désigne une fibre multicoeurs, la référence 132 un échantillon à étudier. Une source ponctuelle 134 émet un faisceau 136 en direction d'une face d'entrée de la fibre 130, après avoir traversé un dispositif 138 permettant de scanner le faisceau et un dispositif de focalisation 140.
A l'aide des moyens 138, le faisceau 136 est focalisé successivement dans différents coeurs individuels de la fibre multicoeurs 130. Entre la face de sortie de cette dernière et l'échantillon 132 sont disposes deux objectifs 142, 144 qui permettent, d'une part, de focaliser la lumière incidente en direction de l'échantillon et, réciproquement, de focaliser la lumière provenant de la zone d'intérêt de l'échantillon 132 sur la face d'entrée de la fibre multicoeurs. Le faisceau d'observation est transmis en direction d'un séparateur de faisceaux 146 qui le dévie vers un détecteur ponctuel 148.
Le détecteur ponctuel 148 associé à la détection permet de sélectionner individuellement, coeur par coeur, l'intensité émise par l'échantillon éclairé. Ce détecteur peut être aussi petit que l'on veut, la résolution maximale étant liée à la taille du coeur.
Un masque métallique selon la présente invention peut être formé en entrée ou en sortie de la fibre multicoeurs 130. De même, un masque photographique selon la présente invention peut être placé a plusieurs endroits :
- Dans le système 142, 144 de lentilles proche de l'échantillon 132 ; dans ce cas, le masque permet une optimisation du couplage de la lumière entre l'échantillon 132 et la fibre multicoeurs : en favorisant l'excitation du mode fondamental, on obtient une information plus ponctuelle, et donc plus précise, de l'image. De plus, du fait de l'effet diffusant de l'échantillon, les coeurs avoisinants sont aussi illuminés et le couplage entre les coeurs peut diminuer la résolution. Un masque photographique, placé dans le système de lentilles proche de l'échantillon, permet de réduire ces effets.
- Installé dans la partie correspondant à la source ponctuelle 134, le masque permet d'optimiser le couplage entre le faisceau focalisé et la fibre multicoeurs, en filtrant au maximum la contribution des modes d'ordre supérieur ou égal à 1.
- Placé dans la partie correspondant au détecteur ponctuel 148, le masque photographique permet la récolte du signal émis par l'échantillon, avec une efficacité maximale. Dans tous les cas, (masque photographique ou masque métallique), les modes d'ordres supérieurs ou égaux a 1 voient leur contribution fortement réduite dans 1 ' intensité totale transmise par la fibre multicoeurs 130. Les différents filtres selon l'invention peuvent s'appliquer à des multifibres, qui peuvent par exemple être également utilisées en microendoscopie. Dans une multifibre, les différentes fibres, chacune avec son coeur et son manteau, peuvent être identifiées individuellement; De plus, les densités des coeurs dans une multifibre sont moins importantes que dans une fibre multicoeurs. Cependant, des problèmes d'isolation optique peuvent se présenter, comme dans le cas des fibres multicoeurs. Les procèdes de formation des masques et les procédés de caracterisation décrits ci- dessus peuvent s'appliquer directement aux multifibres.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif optique pour la transmission d'un rayonnement incident, comportant :
- une fibre multicoeurs (40, 90), ou une multifibre, comportant elle-même un ensemble de coeurs (34, 36,
38), séparés par des zones dites zones intercoeurs (42, 44, 46, 48), et
- un filtre spatial (56, 104) permettant de filtrer, dans chaque coeur, les modes de propagation d'ordre supérieur au mode fondamental, et permettant d'éviter l'injection de rayonnement incident dans les zones intercoeurs
2. Dispositif selon la revendication 1, le filtre spatial comportant un masque (56) , muni de perforations, dépose sur une face d'une extrémité de la fibre multicoeurs (40), ou de la multifibre, chaque perforation étant centrée sur un coeur (34, 36, 38) correspondant et ayant un bord obturant la partie périphérique (50, 52, 54) de ce coeur, les zones intercoeurs (42, 44, 46, 48) étant obturées par le masque (56)
3. Dispositif selon la revendication 2, le masque étant un dépôt métallique sur une face d'une extrémité de la fibre multicoeurs, ou de la multifibre.
4. Dispositif selon la revendication 3, le dépôt étant en aluminium ou en chrome ou en chrome et en aluminium.
5. Dispositif selon la revendication 4, l'épaisseur du dépôt étant comprise entre 20 nm et 75 nm.
6. Dispositif selon la revendication 5, l'épaisseur du dépôt étant comprise entre 35 et 45 nm.
7. Dispositif selon la revendication 6, l'épaisseur du dépôt étant sensiblement égale a 40 nm.
8. Dispositif optique selon la revendication 1, le filtre spatial (102) comportant une émulsion photographique représentant l'image d'une face d'une extrémité (98) de la fibre optique multicoeurs (90) ou de la multifibre.
9. Dispositif selon la revendication 8, le filtre spatial (102) étant situe a distance d'une extrémité (98) de la fibre multicoeurs ou de la multifibre, des moyens de focalisation (100) étant intercales entre ledit filtre et ladite face d'entrée.
10. Dispositif endoscopique comportant un dispositif selon l'une des revendications 1 a 9.
11. Dispositif d'imagerie comportant un dispositif selon l'une des revendications 1 a 9.
12. Filtre spatial (102) pour fibre multicoeurs, comportant une émulsion photographique représentant l'image d'une extrémité de sortie de la fibre multicoeurs ou de la multifibre.
13 Procède pour réaliser un filtre spatial a une extrémité d'une fibre multicoeurs ou d'une multifibre, après dépôt d'une couche de matériau sur une face d'une extrémité (66) de la fibre multicoeurs
(40) ou de la multifibre, comportant
- l'introduction, par la face de l 'autre extrémité (68) de la fibre multicoeurs, ou de la multifibre, d'un faisceau laser dans un des coeurs individuels de la fibre multicoeurs ou de la multifibre, de manière a exciter essentiellement le mode fondamental dudit coeur individuel, - la perforation de la couche de matériau a l'aide du faisceau laser.
14 Procède selon la revendication 13, le faisceau laser étant centre, avant perforation, par observation du champ proche transmis par l'extrémité (66) de la fibre (40) sur laquelle est déposée la couche de matériau, a travers cette couche de matériau.
15. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, le matériau déposé étant un matériau métallique, et le dépôt étant réalisé par évaporation sous vide.
16. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, comportant une étape préalable de définition des zones où le faisceau laser doit être successivement positionne afin de réaliser les perforations.
17. Procédé pour réaliser un filtre spatial
(104), pour une fibre multicoeurs, ou pour une multifibre, comportant les étapes suivantes :
- focalisation de l'image de la face d'une extrémité (98) de la fibre multicoeurs (90), ou de la multifibre, sur un film photographique (102),
- développement du film,
- inversion de l'image obtenue lors de l'étape de développement, par contact du film avec une émulsion photographique.
18. Procède selon l'une des revendications 13 a
17, comportant, au préalable, la formation d'une image (81) du faisceau de coeurs individuels, la digitalisation de cette image, la recherche du barycentre de chaque coeur et le calcul de la surface associée a chaque coeur (C , C^i , . . . C1-5) dans cette image.
19. Procède selon la revendication 18 comportant, après formation et digitalisation de l'image du faisceau de coeurs individuels, le calcul d'un masque numérique qui délimite la zone de l'image a l'intérieur de laquelle la recherche du barycentre et le calcul de la surface de chaque coeur doivent être effectues.
20. Procédé selon la revendication 18, la recherche du barycentre étant faite par la méthode de segmentation par croissance de régions.
21. Procédé selon la revendication 18, la surface associée à chaque coeur étant obtenue en associant au barycentre de chaque coeur, une surface limitée par les médiatrices entre ledit coeur (Cjj) et chacun des coeurs voisins (Cj^, C^..., 0^5)
22. Dispositif pour mettre en oeuvre un procède selon l'une des revendications 13 ou 14, comportant :
- des moyens (70) pour émettre un faisceau laser et des moyens (72) pour engendrer une séquence d'impulsion laser a partir de ce faisceau laser,
- des moyens (74, 76) pour diriger le faisceau laser sur la face de l'extrémité (68) de la fibre multicoeurs (40), ou de la multifibre, sur laquelle la couche de matériau n'est pas déposée,
- des moyens permettant d'exciter essentiellement, avec le faisceau laser, le mode fondamental des coeurs individuels de ia fibre multicoeurs ou de la multifibre.
23. Dispositif selon la revendication 22 comportant en outre des moyens (76, 78, 80) pour observer la position relative d'une tache du faisceau laser sur la face de l'extrémité (68) de la fibre multicoeurs (40), ou de la multifibre, et de cette face.
24. Dispositif selon l'une des revendications 22 ou 23, comportant en outre des moyens (82, 84, 86) permettant d'observer le champ proche transmis par une extrémité (66) de la fibre (40) .
25. Dispositif selon l'une des revendications 22 a 24, comportant en outre des moyens pour préalablement définir les zones ou le faisceau laser doit être successivement positionné afin de réaliser les perforations.
26. Dispositif selon l'une des revendications 22 à 25, comportant des moyens pour former, avant perforation, une image du faisceau de coeurs individuels, des moyens pour digitaliser cette image, des moyens pour calculer le barycentre du coeur, et des moyens pour calculer la surface associée à chaque coeur dans cette image.
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