FR2820789A1 - Procede et dispositif de fixation mecanique d'un composant optique - Google Patents
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Abstract
La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif pour solidariser un composant optique à une structure mécanique. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de systèmes optiques à base de fibres optiques. Dans un procédé selon l'invention pour fixer un composant optique à une structure, on engage ledit composant dans une monture déformable, on déforme ensuite ladite monture pour la solidariser audit composant, et on fixe ladite monture à ladite structure.
Description
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Procédé et dispositif de fixation mécanique d'un composant optique La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif pour solidariser un composant optique à une structure mécanique.
Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication de systèmes optiques à base de fibres optiques.
La présente invention s'applique notamment aux lentilles de petites dimensions, en particulier celles dont le diamètre est de l'ordre de 1 ou plusieurs millimètres, ainsi qu'aux fibres optiques dont le diamètre est de l'ordre de une ou plusieurs centaine (s) de microns.
Dans de nombreux systèmes optiques, il est nécessaire d'aligner et de fixer des composants optiques de manière définitive. Dans les télécommunications optiques, par exemple, les systèmes assurant des fonctions optiques ou optoélectroniques tels que les émetteurs, récepteurs, switchs , mu ! tip) exeurs en longueur d'onde, circulateurs, interleavers ,... sont prévus pour être intégrés définitivement (jusqu'à la fin de leur vie) dans un réseau à fibres optiques, qui est enterré (dans le cas de liaison terrestres) ou placé sous la mer (dans le cas de liaisons sous-marines). Les divers éléments optiques qui composent ces systèmes doivent donc être alignés et fixés de manière définitive. On doit donc éviter tout désalignement intempestif, entraînant des dérives de performances dans le temps.
Dans de nombreux cas, les composants optiques permettant, après leur alignement les uns par rapport aux autres, d'obtenir la fonction optique désirée, sont positionnés dans ou sur (lorsque ils assurent la traversée avec le milieu extérieur) des boîtiers hermétiques à l'hélium, de façon à s'affranchir de tout problème de contamination ou moisissure dus à l'environnement extérieur.
Certains de ces systèmes optiques et optoélectroniques en boîtiers hermétiques sont munis d'une fibre optique, dont une extrémité est située dans le boîtier et l'autre extrémité est à l'extérieur du boîtier, la traversée de la paroi du boîtier se faisant au moyen d'une férule dans laquelle est montée la fibre optique. Parfois, la traversée hermétique est formée d'une monture comprenant d'autres composants optiques tels que des sous ensembles lentilles/extrémité de fibre. Dans tous les cas,
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une étanchéité doit donc être assurée entre la monture du composant et le boîtier, mais aussi, entre le composant et sa monture.
Les télécommunications optiques sont citées comme un domaine d'application. Il y en a d'autres comme en particulier les mémoires optiques, l'impression laser ou encore les scanners codes barres.
Dans ces applications, les systèmes optiques sont fabriqués en quantités importantes, ce qui nécessite de produire ces systèmes avec des techniques simples et peu coûteuses, éventuellement d'automatiser la production, tout en conservant des performances optiques adéquates et en assurant le cas échéant une fixation étanche.
L'invention s'applique à de nombreux composants, incluant les lentilles, les fibres optiques, les filtres en longueur d'onde, les collimateurs à fibre optique ; l'invention s'applique aussi à l'assemblage de plusieurs composants comme une fibre optique et une lentille, deux lentilles, un collimateur et un filtre de longueur d'onde.
La fixation de tels composants optiques, en particulier de ceux réalisés dans un matériau à base de silice ou bien dans un matériau plastique, dans une structure mécanique-ou monture-, est délicate.
La fixation par collage est difficile à mettre en oeuvre automatiquement ; en outre, des constituants de la colle peuvent contaminer le composant optique et/ou sa monture, ainsi que d'autres composants situés à proximité de la partie encollée. Or certains composants optiques (diodes lasers, photo détecteurs par exemple) sont susceptibles de se dégrader sous l'action de ces constituants. En outre, cette technique de fixation ne permet pas d'assurer une liaison parfaitement étanche entre le composant et sa monture ; or l'utilisation de ces composants et fibres optiques pour former des systèmes de télécommunication nécessite souvent d'assurer, pour une telle liaison, une étanchéité à l'hélium.
Alternativement, de tels composants et fibres optiques peuvent être métallisés à leur périphérie puis brasés dans la monture (à l'aide d'un liant) ; cette méthode de fixation par brasage est chère et difficile à mettre en oeuvre de façon automatisée.
La présente invention a pour but de proposer un procédé et un dispositif de fixation de tels composants et fibres optiques à une structure, qui remédient, en partie au moins, aux inconvénients des techniques connues de fixation de tels composants.
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Un objectif de l'invention est de proposer de tels procédés et dispositifs qui soient peu coûteux, facilement automatisables, simples, rapides et faciles à mettre en oeuvre, utilisables pour divers types de composants, et ne nécessitant pas d'utiliser des composants et des montures dont la géométrie respecte des tolérances dimensionnelles excessivement serrées.
Selon un premier aspect de l'invention, afin de fixer un composant optique à une structure, ou engage le composant dans une monture déformable, que l'on déforme, généralement par compression, jusqu'à la solidariser au composant, et on fixe la monture à la structure.
De préférence, la monture déformable comporte (ou bien est essentiellement constituée par) un manchon métallique mince présentant une face externe inclinée sur laquelle sont exercés des efforts de compression permettant d'aboutir à une déformation radiale (et centripète) sensiblement homogène du manchon (et/ou de la monture) ; il résulte de cette déformation une mise en contact d'une face interne de la monture avec une faxe externe du composant optique, et par conséquent, une solidarisation par friction (et/ou coincement) du composant et de la monture.
De préférence, ladite face externe inclinée du manchon formant monture est sensiblement conique, et lesdits efforts de compression sont obtenus par des appuis exercés sur ladite face externe par une face interne inclinée-de préférence de forme sensiblement conique et de même conicité-d'une bague (de cerclage) enserrant ledit manchon et/ou ladite monture ; à cet effet, le demi-angle au centre desdites faces inclinées (en particulier coniques) est inférieur à 45 , de préférence inférieur ou étal à 10 , en particulier de l'ordre de 0,3 à 3 degrés ; afin de faciliter le retreint de la monture par la pression exercée par bague, on réalise de préférence ladite monture dans un matériau au moins aussi ductile que celui de ladite bague, en particulier dans un matériau à base de cuivre, zinc, fer, aluminium ou nickel, et/ou on choisit pour ladite monture une épaisseur au plus égale à celle de ladite bague.
Afin que ladite bague provoque le retreint (diminution du diamètre) de ladite monture par appui mutuel de leurs faces inclinées (coniques) respectives, ladite bague est placée coaxialement à ladite monture puis est déplacée, de préférence par un mouvement de translation, selon l'axe longitudinal (généralement confondu avec l'axe de révolution commun à la monture et à la bague) par rapport à la monture ; ce
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mouvement peut être obtenu par une presse, dont le poinçon appuie sur la bague, et dont la matrice forme une butée pour la monture.
Alternativement, le rétreint de la monture entourant le composant et permettant leur solidarisation mutuelle, peut être obtenu par refroidissement de ladite monture ; à cet effet, le monture est de préférence préalablement chauffée afin de se dilater et de pouvoir être placée autour du composant auquel elle doit être fixée.
Dans le cas également où la tolérance sur le diamètre d'un composant optique n'est pas suffisante, de sorte que ce composant optique soit hors cote et ne rentre pas dans sa monture, une opération de frettage est alors possible où la monture est chauffée à une température telle que sa dilatation est suffisante pour insérer le composant optique. Après refroidissement, le composant est emprisonné dans sa monture.
Selon une variante de réalisation de l'invention, on peut engager autour du composant optique une monture dont la face interne est ajustée pour coulisser avec un jeu réduit autour du composant, puis engager, autour de la monture mince, une bague préalablement dilatée par chauffage, et coulissant avec un jeu réduit autour de la monture ; on provoque ensuite un rétreint de la bague, par exemple en provoquant son refroidissement, de façon à ce que la bague comprime radialement la monture contre la périphérie du composant jusqu'à obtenir la solidarisation des trois pièces.
Ainsi, l'invention repose en partie sur la constatation surprenante selon laquelle il est possible d'assurer une solidarisation de la monture à un composant optique par rétrécissement de la monture et sertissage autour du composant, sans altérer de manière substantielle les caractéristiques optiques du composant ; en effet, contrairement à ce que l'on pouvait prévoir, les contraintes mécaniques appliquées au composant optique sous l'effet du serrage par rétreint de la monture, n'aboutissent pas à une modification notable des caractéristiques optiques du composant.
De préférence, afin d'éviter de telles dégradations des caractéristiques optiques, on utilisera une monture de révolution apte à enserrer le composant en exerçant un effort homogène sur toute la périphérie de celui-ci ; cependant, dans certaines cas, on pourra utiliser une monture fendue n'assurant donc pas un effort de serrage égal sur toute la périphérie du composant.
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Dans le même but, on utilisera de préférence une monture ayant une grande surface d'appui (généralement cylindrique) sur le composant afin que les efforts de serrage soient répartis sur celui-ci et que les contraintes mécaniques résultant du rétreint de la monture soient diminuées.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention.
Hormis la figure 13, les figures 1 à 18 sont des vues en coupe longitudinale selon un plan contenant l'axe optique 1 du composant optique à fixer à une structure.
Les figures 1 et 2 illustrent schématiquement un système de fixation mécanique d'une lentille épaisse d'enveloppe cylindrique, respectivement après montage et avant montage selon l'invention.
La figure 3 illustre schématiquement, en vue en coupe longitudinale, l'assemblage simultané d'une lentille, d'une monture et d'une bague à l'aide d'une presse.
Les figures 4 et 5 illustrent respectivement une variante du système illustré figure 2 et 1, avant et après montage selon l'invention.
La figure 6 illustre une lentille mince de contour (d'enveloppe) cylindrique, qui est solidarisée à une monture elle-même solidarisée à une bague.
La figure 7 illustre l'utilisation de l'invention pour sertir une bague à l'extrémité d'une fibre optique.
Les figures 8 et 9 illustrent deux variantes de fixation d'une monture à une lentille solidaire de l'extrémité d'une fibre optique.
Les figures 10 à 12 illustrent trois variantes de réalisation d'une monture solidaire d'une lentille cylindrique épaisse.
La figure 13 illustre un montage à monture cylindrique fendue, en vue en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe du symétrie (et de révolution) du montage ; la figure 14 est une vue selon XIV-XIV de la figure 13.
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Les figures 15 à 17 illustrent trois variantes de réalisation d'un montage permettant la solidarisation et l'alignement de l'extrémité d'une fibre optique et d'une lentille.
La figure 18 illustre l'utilisation d'un montage selon l'invention pour réaliser une traversée étanche d'une fibre optique au travers d'une paroi d'un boîtier étanche contenant un émetteur laser.
Par référence aux figures 1 et 2, la lentille 2 d'axe optique 1 comporte une face périphérique 7 de forme cylindrique selon l'axe 1 ; la monture 3 est de forme annulaire et comporte une face interne 8 cylindrique et une face externe 9 de forme tronconique, s'étendant selon l'axe 1 et selon le demi angle 5 d'ouverture (du cône), dont la valeur peut être de 1 ou 2 degrés par exemple ; la bague 4 est également de forme annulaire et comporte une face interne 10, qui est de forme tronconique d'axe 1 et de demi angle 6 dont la valeur est égale à celle du demi angle 5 ; la bague 4 comporte une face externe 11 cylindrique d'axe 1.
Par référence à la figure 3, la presse 12 comporte un socle 13 fixe et un poinçon 15 mobile en translation selon l'axe vertical 16 par rapport au socle.
La lentille 2 et la monture 3 sont posées sur le socle 13, la monture 3 encerclant la lentille tout en pouvant coulisser librement (avec un très faible jeu) le long de celle-ci selon l'axe optique 1 ; les axes 1 et 16 sont de préférence sensiblement confondus, et la face plane inférieure (telle que repérée 17 figure 2) de la monture 3 est posée sur une face annulaire plane d'appui 14 du socle 13 ; la bague 4 est engagée par coulissement autour de la monture 3 jusqu'à venir au contact, par sa face conique 10, de la face conique 9 de la monture 3 ; le poinçon 15 est déplacé ensuite vers le bas selon l'axe 16, son extrémité inférieure appuyant sur la face supérieure 18 de la bague 4 ; il en résulte un écrasement et rétrécissement de la monture 3 autour de la lentille 2, et un blocage par coincement (enchâssement) de la bague 4 autour de la monture 3, aboutissant à une solidarisation irréversible des trois pièces 2, 3 et 4.
Dans la variante illustrée figures 4 et 5, la monture 103 et la bague 104 sont de forme tubulaire (cylindrique de section circulaire), creuses, et de diamètre adapté pour coulisser librement l'une dans l'autre avec un faible jeu ; de façon similaire, la lentille 102 cylindrique peut coulisser à faible jeu dans le monture 103 ; après retreint de la bague et de la monture, les trois pièces 102, 103, 104 sont définitivement solidarisés.
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Dans la variante illustrée figures 13 et 14, la monture 203 cylindrique d'axe 1 est munie d'une fente 2030 longitudinale s'étendant sur toute sa longueur et sur toute son épaisseur ; dans ce cas, la fixation n'est pas étanche.
Dans le mode de réalisation illustré figure 6, la lentille 302 est mince ; la monture 303 enserre par une partie mince 3030 la lentille sur toute sa périphérie et s'étend (longitudinalement) au-delà de celle-ci, par une partie 3031 plus épaisse ; la monture comporte une face plane 3032 s'étendant dans un plan 3033 ; ce plan sert de frontière séparant lesdites parties mince 3030 et épaisse 3031 ; ce plan est orthogonal à l'axe 1 ; la face 3032 sert de butée et d'appui à la lentille 302 et permet ainsi d'améliorer la précision du positionnement de la lentille dans la monture.
Par référence à la figure 7, la monture 403 est sertie au voisinage de l'extrémité 4020 de la fibre optique 402 ; la fibre s'étend dans un conduit traversant la bague 404, qui comporte successivement trois portions coaxiales : une première portion tronconique délimitée par une face sur laquelle s'appuie la face externe (tronconique) de la monture 403 ; une deuxième portion cylindrique 19 prolongeant la première portion et s'étendant selon l'axe 1 ; une troisième portion 20 cylindrique de plus grand diamètre, qui reçoit une gaine rigide 21 appelée queue ; la queue 21 s'étend en partie à l'extérieur de la bague, entoure la fibre 402 ainsi que la gaine souple 4021 de la fibre, à laquelle elle est collée ou sertie par son extrémité 210.
Par référence à la figure 8, le composant optique est un collimateur à fibre constitué par une lentille 502 cylindrique solidaire de l'extrémité 6020 d'une fibre optique 602.
La monture 503 qui enserre la lentille est enchâssée dans une portion évasée (conique) 5042 de la bague 504 ; la bague 504 délimite un conduit 20 dans lequel s'étend la fibre 602, et est prolongée par une queue 5040 intégrée dont l'extrémité 5041 est collée ou sertie sur la fibre.
La figure 9 illustre une variante de réalisation du montage de la figure 8, dans laquelle la queue 7030 sertie en 7031 sur la fibre 802 forme une seule pièce avec la monture 703 qui a été rendue solidaire de la lentille 702 par action de la bague 704 de cerclage conique.
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Lorsque le composant optique a une longueur suffisante, et afin d'éviter un serrage trop fort sur toute la longueur pouvant générer des modifications indésirables de ses caractéristiques optiques, il est possible d'interposer 2 bagues déformables fines 40 (figure 10), ou encore une seule bague (figure 11), ou encore une bague fine et une saillie annulaire 41 étroite (figure 12) intégrée à la monture, entre la monture et le composant, et/ou entre bague et monture.
Les figures 15 et 16 illustrent deux exemples d'utilisation de l'invention pour rendre solidaire et pour aligner une lentille et une extrémité de fibre optique. La fonction de chaque dispositif illustré sur ces figures peut-être de focaliser le faisceau provenant de la fibre optique sur un détecteur au moyen de la lentille, ou encore de collimater le faisceau provenant de la fibre.
La fibre optique 802 et la lentille 902 doivent être positionnées longitudinalement (le long de l'axe 1) et alignées transversalement pour remplir correctement leur fonction. Dans l'exemple illustré figure 15, la monture 903 solidaire de la lentille 902 et la férule 25 (contenant la fibre 802) sont en butée contre deux épaulements 9040 et 9041 définissant la distance longitudinale entre les deux composants optiques. D'autre part, les éléments mécaniques utilisés (montures et bagues) ont des concentricités entre leur faces internes et externes, qui sont suffisantes pour permettre un alignement transversal correct des composants 802 et 902.
La fibre 802 est tenue dans la férule 25 par une monture conique sertie suivant le mode de réalisation de la figure 7.
La lentille 902 est montée en butée contre une portion annulaire de la monture 903 formant une saillie interne à l'alésage de celle-ci.
La monture 903 (dont l'extérieur est conique) est déformée par insertion en force dans la bague 904 à alésage conique. Les dimensions et tolérances des éléments 902,903, 904 font que lorsque la monture 903 arrive contre l'épaulement 9040, elle est suffisamment déformée pour tenir la lentille 902.
Sur la figure 15 est prévue une monture conique supplémentaire 9030 entre la férule 25 et la bague 904. Ladite monture 9030 est enchâssée dans la bague 904, une fois la férule 25 en butée contre l'épaulement 9041, jusqu'à tenir la férule.
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Une autre technique (illustrée figure 16) peut être utilisée pour assurer un espacement longitudinal précis de la fibre 802 et de la lentille 1002, par exemple, lorsque la tolérance de positionnement des butées 10040 et 10041 de la bague 1004 n'est pas suffisante. Dans ce cas, on insère la férule 25 dans la bague 1004 principale, puis on vient enchâsser une deuxième bague conique 1104 sur la bague 1004 principale jusqu'à ce que la férule 25 puisse glisser sans jeu dans l'alésage 10042 de la bague principale. On règle ensuite le positionnement de la férule jusqu'à la position optimale. On enchâsse ensuite plus vigoureusement la bague conique 1104 de manière à bloquer la férule 25 dans sa position optimale. Le glissement sans jeu fait qu'il n'y a pas de mouvement relatif de la férule 25 par rapport à la lentille 1002 lors de son blocage ; ces techniques permettent d'obtenir l'écartement souhaité entre les composants 802,1002 avec une précision de quelques microns.
Ainsi, dans ce mode de réalisation, une première partie annulaire 10043 d'extrémité de la pièce 1004 forme une bague de serrage de la monture 1003, tandis qu'une deuxième partie annulaire 10044 d'extrémité de la pièce 1004 forme une monture déformable pour la fixation de la férule 25 sous la pression exercée par la bague supplémentaire 1104.
Par référence à la figure 18, les montages selon l'invention peuvent être utilisés pour la réalisation d'un dispositif optique 32 comprenant, à l'intérieur d'un boîtier étanche 26,27, une diode laser 28, une lentille 29 de collimation du faisceau produit par la diode, un isolateur 30, et une lentille 31 de focalisation ; une férule 25 dans laquelle s'étend une fibre optique 802, s'étend au travers d'un orifice prévu dans la paroi 26 du boîtier.
Claims (20)
1. Procédé pour fixer un composant optique (2,102, 202,302, 402,502, 602, 702,802, 902,1002) à une structure, caractérisé en ce que l'on engage ledit composant dans une monture (3,103, 203,303, 403,503, 603,703, 803,903) déformable, on déforme ensuite ladite monture pour la solidariser audit composant, et on fixe ladite monture à ladite structure.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on provoque un retreint de ladite monture pour la solidariser audit composant.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le retreint résulte en partie au moins d'un refroidissement de ladite monture.
4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le retreint résulte en partie au moins d'une pression exercée mécaniquement sur une face (9) externe de ladite monture.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel ladite face externe est inclinée, de préférence conique, d'un demi angle (5) par rapport à l'axe longitudinal de la monture, dans lequel on utilise une bague (4,104, 204,304, 404,504, 604,704, 804, 904) dotée d'une face interne (10) inclinée d'un demi angle (6) par rapport à son axe longitudinal, dans lequel on engage ladite bague autour de ladite monture de sorte que leurs axes longitudinaux soient confondus avec l'axe (1) dudit composant optique, et dans lequel on exerce une pression sur la bague en maintenant la monture en appui sur une butée (14) fixe, selon un axe (16) jusqu'au coincement de la bague autour de la monture et au coincement de la monture autour dudit composant.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel lesdits demis angles (5,6) ont une valeur comprise entre 0,3 et 3 degrés.
7. Dispositif pour fixer un composant optique (2,102, 202,302, 402,502, 602, 702,802, 902,1002) à une structure, caractérisé en que qu'il comporte une monture (3,103, 203,303, 403,503, 603,703, 803,903) déformable apte à être solidarisée audit composant d'une part et à ladite structure d'autre part.
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8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel ladite monture déformable est en forme de manchon métallique mince présentant une face externe (9) inclinée.
9. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel ladite face externe (9) inclinée est tronconique et dont le demi angle au sommet (5) a une valeur située dans une plage allant de 0,3 à 3 degrés.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel ladite monture est réalisée dans un matériau à base de cuivre, zinc, fer, aluminium ou nickel.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, qui comporte une bague (4,104, 204,304, 404,504, 604,704, 804,904) dotée d'une face interne (10) inclinée, de préférence conique, qui est apte à être engagée autour de ladite monture, la monture comportant une face (9) externe inclinée, de préférence conique, lesdites faces (9,10) venant en appui l'une sur l'autre par déplacement longitudinal relatif de la bague et de la monture.
12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel la monture est réalisée dans un matériau au moins aussi ductile que celui de la bague, et/ou dans lequel l'épaisseur de la monture est au plus égale à celle de ladite bague.
13. Dispositif selon la revendication 7, qui comporte une bague de cerclage de ladite monture, et dans lequel ladite bague et ladite monture sont cylindriques.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, dans lequel ladite monture est munie d'une fente (2030) longitudinale.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 14, qui comporte en outre au moins une bague (40) déformable intercalée entre la monture et le composant, ou bien une saillie annulaire (41) intégrée à la monture.
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 15, dans lequel ledit composant est une fibre optique qui est entourée d'une gaine ou queue (21,5040) fixée ou intégrée à une bague de serrage de ladite monture.
17. Dispositif optique ou opto-électronique comportant deux composants optiques (2,102, 202,302, 402,502, 602,702, 802,902, 1002) solidaire d'une bague (4,104, 204,304, 404,504, 604,704, 804,904) à l'intérieur de laquelle ils s'étendent en partie
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au moins, caractérisé en ce que chacun desdits composants est solidarisé à la bague par une monture (3, 103, 203, 303, 403, 503, 603, 703, 803, 903) déformable insérée entre le composant et la bague.
18. Dispositif selon la revendication 17, dans lequel l'un au moins desdits deux composants est une fibre optique qui est solidaire d'une férule (25) enchâssée dans ladite bague grâce à une bague (1104) conique supplémentaire.
19. Dispositif selon l'une des revendications 17 ou 18, dans lequel l'un au moins desdits deux composants est une fibre optique qui est solidarisée à une férule (25) par l'intermédiaire d'une monture déformable, la férule étant solidarisée à ladite bague.
20. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 17 à 19, qui comporte une lentille et une fibre optique qui sont chacune solidarisée à la bague par rétreint d'une monture annulaire déformable, et dans lequel ladite bague comporte au moins une butée (10040,10041) de positionnement longitudinal de la lentille et/ou de la fibre.
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