Brevet FR2517837A1 — publié le 19830610

Domaine technique. La présente invention concerne un dispositif optimisant le couplage de deux systèmes optiques pour l'obser- vation et l'analyse d'objets, l'un des systèmes réalisant l'éclairage d'un point de l'ob Jet tandis que l'autre réalise l'image dudit point dans l'analyseur. Problème posé. Il s'agit, en particulier dans l'analyse spec- trale par monochromateur, spectrographe ou interferomètre, d'explorer les différentes parties d'un objet par un processus de balayage en ayant le maximum de précision, d'éclairement et de résolution. Etat de la technique antérieure et inconvénients. Il existe des dispositifs optiques, notamment en microscopie ou en télédétection, permettant: l'éclairage ponctuel d'un objet (à travers l'ob Jectif de visée ou par un système séparé), l'observation de différentes régions du champ de visée par déplacement soit de l'objet, soit de l'objectif, soit de miroirs plans ou sphériques déviant les faisceaux lumineux. Ces dispositifs présentent de nombreux incon- vénients parmi lesquels on peut signaler: le déplacement de la pupille d'entrée par rapport à l'objet ou le déplacement de l'objet (c'est-à-dire du porte-objet) par rapport à la pupille doit se faire avec une très grande précision lorsqu'il se fait sur des ob Jets examinés au microscope En effet, le balayage suivant des lignes séparées 2 2517837 par le dixième de micron ou en dessous ne peut raisonnable-. ment etre effectué correctement. dans le cas o ils sont couplés avec un détecteur de rayonnement ou avec un analyseur spectral, le déplacement de la pupille se traduit par une mauvaise couverture de l'étendue du faisceau admise par le détecteur ou l'analyseur ce qui entraîne une perte de résolution et/ou une perte d'énergie On est alors amené à choisir un analyseur dont l'étendue de faisceau est beaucoup plus grande que celle de l'objectif, ce qui entraîne un niveau d'énergie parasite élevé défavorable à la précision des mesures. Il faut aussi signaler que lorsque l'objet examiné est encombrant, lourd ou inacessible, il ne peut être déplacé. On connait aussi l'analyse spectrale d'un objet immobile dont on veut explorer la surface par des moyens optiques Cela se fait de deux façons La première façon consiste à envoyer le faisceau servant à illuminer la zone observée à travers l'objectif uti- lisé pour recueillir la lumière d'analyse Cela se fait au moyen de petits miroirs ou de prismes placés dans le fais-eau d'observation. Une deuxième façon consiste à utiliser, pour le faisceau d'illumination et le faisceau d'analyse, deux optiques séparées. Dans ces deux cas, on réalise l'illumination d'une petite surface de l'objet (éclairage dit improprement "ponctuel") et l'image de cette petite surface, reprise par un objectif, est projetée sur l'orifice d'entrée d'un détecteur de rayonnement ou d'un analyseur spectral (mono- chromateur, spectrographe ou interferomètre). La présente invention a pour base ces dispositifs existants et part de l'idée que l'on peut explorer les différentes parties de l'objet examiné par un processus de balayage en couplant le déplacement du faisceau d'illu- mination avec le déplacement d'éléments optiques tels que la con Jugalson de la zone illuminée avec le détecteur ou l'analyseur reste assurée pour toute région du champ observé. lo Il faut donc prévoir un premier système optique d'illumination et un deuxième système optique d'examen ou de détection Toutefois, ces deux systèmes peuvent avbir des parties communes. Exposé de l'invention. D'une façon générale, l'invention est caracté- risée principalement par le fait que le dispositif comporte un moyen ramenant sur l'axe optique principal du second système optique (système d'examen ou de détection) un faisceau transmis par le premier système optique (système d'illumination et d'observation) même lorsque ce faisceau se trouve hors de l'axe principal de ce premier système. Plus précisément, le dispositif est caractérisé par le fait qu'il comprend un système optique émetteur partant d'une source de lumière et un système optique récepteur aboutissant à un analyseur, chacun de ces systèmes optiques comprenant des éléments optiques convergents fixes à l'entrée et à la sortie et des éléments optiques déviateurs placés entre les éléments fixes dans une partie du faisceau o les images des points de l'ob Jet examiné se forment, lesdits o 30 éléments optiques déviateurs étant soumis à des mouvements parfaitement synchronisés et ayant des caractéristiques optiques similaires. En fait, l'objet est vu à travers un ob Jectif fixe et le faisceau derrière l'ob Jectif, se sépare en un faisceau d'éclairement à partir d'une source fixe et en un faisceau d'examen aboutissant à une pupille fixe, chacun des deux faisceaux séparés traversant des éléments optiques déviateurs animés d'un mouvement de balayage déviant les faisceaux pour réaliser un balayage analogue sur l'objet, des lentilles de champ classiques fixes étant prévues aux endroits o se forment les images des points de la surface de l'objet. Dans une première forme de réalisation les éléments optiques déviateurs sont des lentilles convexes. Dans une autre forme de réalisation, ils peuvent être constitués par un système de miroirs Dans une troisième forme de réalisation, ils peuvent être constitués par une combinaison de lentilles et de miroirs. Pour des commodités de dispositions de l'appa- reil, le faisceau est séparé en deux derrière l'ob Jectif par une lame semi-transparente. Dans un premier cas, la lame semi-transparente est disposée entre l'élément optique déviateur et le système optique récepteur, si bien qu'il n'est besoin que d'un unique élément optique déviateur animé d'un mouvement de balayage qui agit sur le faisceau émis, dans un sens, et le faisceau reçu, en sens inverse. Quand les conditions l'exigent, on place-un miroir derrière l'objectif ce qui permet, en cas de micros- cope, par exemple, d'examiner plus commodément Toutefois, pour examiner un-objet à distance, on peut très bien se passer d'un tel miroir pour pouvoir examiner ledit objet directement Dans un deuxième casî la lame semi-transparente est disposée derrière l'objectif et chacun des deux faisceaux traverse un élément optique déviateur, le mouvement de ces deux éléments déviateurs étant rigoureusement synchronisé. Pour des raisons constructives, on préfère placer un miroir parallèlement à la lame semi-transparente et derrière celle-ci pour que les deux faisceaux aient leurs axes principaux parallèles, notamment au niveau des éléments optiques déviateurs si bien que ceux-ci sont fixés sur une même monture anirdée du mouvement de balayage. Le dispositif de l'invention utilise de la lumière incohérente ou cohérente (faisceau LASER) filtrée, monochromatique, polychromatique, dans le domaine visible, ultra-violet ou infra-rouge. Solution au problème, avantages et résultat industriel. Le dispositif de l'invention reçoit les applica- tions dans le domaine de l'imagerie infra-rouge, de la thermographie ainsi que dans l'analyse spectrale ou colorimé- trique d'objets étendus aussi bien dans l'ultra-violet, dans le spectre visible et dans le spectre infra-rouge. Il peut aussi servir à l'analyse de la distri- bution des phénomènes de réflexion, transmission, diffusion de la lumière et de fluorescence ou phosphorescence sur - ou dans des échantillons. Il peut aussi servir à la télédétection, par exemple, par satellite. Il reçoit aussi des applications en macroscopie et en microscopie. Les avantages sont nombreux. Les seuls déplacements mécaniques sont ceux des éléments optiques déviateurs Dans le cas du microscope, ces déplacements se font dans une zone de l'appareil o les images sont fortement agrandies La commande mécanique de ce déplacement est alors considérablement simplifiée et la précision est améliorée. Il n'y a plus de déplacement de la pupille. Par conséquent, on peut obtenir une bonne couverture de l'étendue du faisceau admise par le détecteur ou l'analyseur. On obtient donc une bonne résolution et on peut récupérer le maximum d'énergie L'analyseur pourra recevoir à travers une pupille de petite dimension un faisceau correspondant à celui de l'tob Jectif et on abaissera ainsi le niveau d'énergie parasite, ce qui améliore la précision des mesures. Il est important de signaler que lorsqu'un objet est encombrant ou inaccessible, son déplacement est difficile ou impossible Or, le dispositif de l'invention permet son analyse par balayage. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après qui en donne quelques exemples non limitatifs de réalisation pratique et qui sont illus- trés par les dessins joints. Brève description des figures. La figure 1 est un schéma par blocs représentant d'une façon très générale le dispositif de l'invention. Les figures 2 a et 2 b représentent une première version du dispositif de l'invention avec les éléments optiques déviateurs placés d'abord pour maintenir les faisceaux 7 2517837 dans les axes optiques principaux et ensuite dans une position décalée par rapport à celui-ci. Les figures 3 a et 3 b représentent une deuxième version du dispositif de l'invention avec un seul élément optique déviateur tout d'abord maintenant le faisceau dans l'axe optique principal et ensuite décalant le faisceau par rapport à cet axe. La figure 4 représente une autre version du dispositif de l'invention permettant d'analyser un corps éloigné avec un télescope. La figure 5 est un schéma d'une deuxième version d'un élément optique déviateur composé uniquement de miroirs. La figure 6 est un schéma d'une troisième version d'un élément optique déviateur composé d'un système combiné de lentilles et de miroirs. Description de quelques modes de réalisation. En se reportant à la figure 1, on a schématisé en ( 10) le dispositif de couplage de l'invention qui se trouve entre deux systèmes optiques ( 11) et ( 12), l'ensemble étant prévu pour observer un point O ou 0, quelconque d'un objet Dans le cas présent et dans le reste de la description, il faut comprendre par point 0, 0 ' non pas le sens géométrique strict de "point" mais le sens physique d'une zone ponctuelle qui peut subir un grandissement optique dans un microscope ou un télescope Le système optique ( 12) émet un rayon schématisé par le trait mixte ( 15) qui co ncide avec l'axe optique principal de l'ensemble Le système ( 12) comporte aussi un analyseur qui reçoit le rayon ( 14) matérialisé par un trait pointillé et qui provient d'un point O ou O' de l'objet qui a été illuminé par le rayon ( 13). Le système optique ( 11) est une optique classique comprenant, par exemple, un objectif, des miroirs, des lentilles, etc Il est fixe tout comme le système ( 12). En principe, l'ob Jet examiné, dont on a représenté deux points O et 0 ', est fixe aussi. Le dispositif de couplage ( 10) qui est la partie essentielle de l'invention, comporte des moyens, qui vont être décrits-plus en détail ciaprès, capables de ramener les rayons ( 13) et ( 14) sur l'axe optique principal du système ( 12) même si ces rayons ( 13) et ( 14) sont hors de l'axe du système ( 11) en provenant d'un point quelconque 0, O' ou autre de l'ob Jet observéo En fait, le dispositif de couplage (l O) opère une déviation des rayons émis par le système ( 12) de façon à balayer systématiquement l'ob Jet observé Cet objet réémet un rayon parcourant le même chemin en sens inverse et le dispositif de couplage ( 10) ramène ce rayon réémis dans l'axe optique entre le dispositif ( 10) et le système optique ( 12) pour qu'il pénètre dans l'analyseur qu'il comprend. Cet analyseur, restant immobile, reçoit donc les informations de toute une surface de l'objet balayée systématiquement grace au dispositif de couplage (l O) de l'invention qui va être décrit maintenant de façon plus détaillée dans deux versions différentes. Dans la première version représentée aux figures 2 a et 2 b, illustrant un microscope principalement mais qui peut s'appliquer à un télescope, on a représenté l'objet sous la forme d'un plan P sur lequel on a tracé deux axes X et Y se croisant au point O On a aussi représenté le point O' sur l'axe des X mais le meme raisonnement s'applique pour un autre point situé à un endroit quelconque du plan P Un ob Jectif Lo est chargé à la fois de focaliser sur le plan P la lumière provenant d'une source S dans le plan 02, de recueillir la lumière d'analyse pour former l'image de ltob Jet P dans le plan 01. Suivant les nécessités de l'analyse, la source S émet une lumière cohérente ou incohérente, monochromatique 1 O ou polychromatique. On prévoit une lame semi-transparente sépara- trice ST qui permet d'utiliser le même objectif Lo pour réaliser les deux fonctions de focalisation de la lumière sur l'ob Jet et de récupérer la lumière d'analyse et d'en former l'image dans le plan 01. Pour faciliter la réalisation de l'appareil, le faisceau d'observation est replié par le miroir M 1 dans une direction parallèle aux faisceaux d'illumination venant de la source S En d'autres termes, la lame semitransparente ST et le miroir Ml sont parallèles. Les plans 01 et 02 sont respectivement con Jugués de l'entrée du détecteur ou de l'analyseur de rayonne- ment 0,i de la source de lumière S par une optique intermédiaire dite "Optique de couplage". Cette optique de couplage comporte des éléments fixes et des éléments mobiles Les éléments fixes sont les lentilles de champ Ll, L 2, L 5 et L 6 qui ont pour rôle de retenir le maxim um de rayon à l'intérieur du fais- ceau, 2517837 éventuellement, des objectifs intermédiaires L 7 et L 8. Les éléments mobiles L 3 et L 4 sont rigidement liés l'un à l'autre c'està-dire que leur mouvement est rigoureusement synchronisé dans des plans perpendiculaires aux axes optiques principaux de façon à former respectivement l'image de 01 sur O et l'image de la source S sur 02. Four assurer le balayage simultané de l'objet par les deux faisceaux d'illumination et d'analyse, l'ensemble des éléments L 3 et L 4 est translaté perpendiculairement aux axes optiques, sans modification du tirage optique. Toutefois, on pourrait modifier le tirage ou régler l'ob Jectif Lo en fonction de la non planéité de l'ob Jet exploré Il s'agirait d'un réglage de mise au point. Ce mouvement de translation peut être effectué dans les deux directions X et Y avec une excellente précision et de manière reproductible de manière, par exemple, à pratiquer un balayage systématique. Le déplacement des éléments mobiles L 3 et L 4 se fait de manière à maintenir en coincidence sur l'ob Jet la surface P éclairée par la source, cette même surface étant obser-ée par le détecteur 0. La synchronisation du mouvement des éléments L 3 et L 4 est réalisée par tous moyens connus qu'ils soient mécaniques (levier, engrenage, crémaillère), électro-mécaniques (Selsyn ou autres), ou tout autre liaison connue réalisant un asservissement. Le rtoyen qui a été schématisé dans les figures 2 a et 2 b es-t un bottier ( 15) se déplaçant sur des glissières dans des directions QX et QY correspondant aux directions 300 X et OY du plan P. Toutefois, il faut remarquer que les éléments L 3 et L 4 sont placés, dans le système optique, entre les lentilles Li et L 5 d'une part, et L 2 et L 6 d'autre part dans une partie du faisceau o les images des points O et O' de l'ob Jet P sont fortement agrandies si bien que les déplacements suivant les axes QX et QY sont beaucoup plus importants que les déplacements suivant les axes OX et OY; le rapport des déplacements est proportionnel au grossissement dans le cas du microscope. l O Le détecteur O reste exactement conjugué de la zone illuminée O ' de l'ob Jet P dans tout le champ qui est seulement-limité par les dimensions des éléments optiques. L'étendue des faisceaux n'est pas modifiée par les translations des éléments L 3 et L 4 et les pupilles d'entrée et de sortie de l'appareil restent fixes. Dans la deuxième version du dispositif de l'in- vention (applicable encore aussi bien au microscope qu'au télescope), qui est représentée aux figures 3 a et 3 b o les mêmes éléments ont été indiqués par les mêmes repères, on a supprimé la lame semi-transparente ST pour mettre une autre lame semi-transparente ST entre l'ob Jectif L 7 et l'entrée O du détecteur ou analyseur afin de renvoyer perpendiculairement le faisceau provenant de la source S à travers l'ob Jectif L 8 et la lentille de champ L 6 Cette disposition amène une simplification par le fait que l'on a supprimé la lentille de champ L 2 et l'élément mobile L 4 Il n'y a plus ici qu'un seul boîtier mobile ( 16) qui contient l'élément mobile L 3 qui est animé d'un mouvement de balayage suivant les axes QX et QY La simplification mécanique est très grande puisqu'il n'y a plus le dispositif il de synchronisation prévoir. Une simplification encore plus grande est repré- sentée à la figure 4 o l'on a supprimé le miroir i I, l'appa- reil étant mhématisé en ( 17) avec son objectif Lo permettant d'observer un objet R à une distance quelconque (matéria- lisée par les deux-traits ( 18) et ( 19)) et en particulier d'analyser un secteur ( 20) de cet objet R, secteur sur lequel on a dessiné un damier matérialisant le balayage. Il faut remarquer que le dispositif de l'inven- tion peut s'adapter facilement sur un microscope ou un télescope existant avec très peu de modification. Il faut aussi remarquer que le balayage est effectué sans influencer le faisceau passant dans l'entrée 0 On peut donc en réduire la section, éliminer la lumière parasite, obtenir le maximum de luminosité et augmenter la résolution En d'autres termes, on obtient un meilleur rapport S/B (signal/bruit). Il faut encore insister sur le fait que dans le cas d'un petit objet, les déplacements faits dans le plan image, c'est-à-dire le plan o se déplacent les éléments mobiles L 3 et L 4 subissent le grandissement du premier système optique constitué par l'objectif Lo Par exemple, un balayage de 10 microns x 100 microns dans le plan objet du microscope avec un grandissement de 50 permet de corres- pondre à un déplacement de 5 x 5 mm des éléments L 3, L 4. Il va sans dire que des modifications de détail entrant dans le cadre des équivalents techniques ne sortent pas de l'invention En particulier, on pourrait très bien utiliser des ob Jectifs séparés pour le faisceau d'illu- mination et le faisceau d'analyse bien que cela compli- querait la réalisation; il suffirait de maintenir le miroir Ml mais de prévoir un autre n-iroir à la place de la lainme semi-transparente ST située en dehors du faisceau prove- nant de M 1 et qui enverrait un faisceau d'illumination sur le plan P en un point qui réémettrait un faisceau recueilli par l'analyseur O; l'oscillation des deux faisceaux éclairant et émetteur serait obtenue de la même façon par des éléments mobiles L 3 et L 4. Comme dans des microscopes existants et comme cela est bien connu en optique, une autre variante consis- terait à utiliser deux régions différentes du meme ob Jectif Lo, l'une des régions pour envoyer le faisceau d'éclairement et l'autre région pour recueillir le faisceau réémis. En général, les éléments mobiles L 3 et L 4 sont des lentilles convexes Cependant, ces lentilles peuvent être remplacées par un système de miroirs ou encore un système combiné de lentilles et de miroirs. Dans l'exemple représenté à la figure 5, le boftier (l 6), situé entre les deux lentilles de champ LI et L 5, contient un élément optique déviateur composé-de deux miroirs plans ( 22), ( 23) et d'un miroir concave ( 24) qui Jouent le même rôle que la lentille convexe ( 23). Dans l'exemple représenté à la figure 6, le même bottier ( 16) contient un ensemble de quatre miroirs plans ( 25), ( 26), ( 27), ( 28) et d'une lentille biconvexe ( 29) qui Jouent aussi le même rôle que la lentille convexe L 3. On pourrait imaginer d'autres systèmes de lentilles ou de miroirs concaves Dans ce dernier cas, on peut imaginer un balayage obtenu par oscillation du miroir autour de deux axes perpendiculaires convenablement orientés. 12 î RLVENDICATI O 145 1 Dispositif optimisant le couplage de deux systèmes optiques ( 11), ( 12) pour:L'observation et l'analyse d'ob Jets, c a r a c t é r i S é par le fait qu'il comporte un moyen ( 10) ramenant sur l'axe optique principal du second système ( 12-) un faisceau transmis par le premier système ( 11) même lorsque ce faisceau se trouve hors de l'axe prin- cipal de ce premier système. 2 Dispositif de couplage, tel que défini dans la revendication 1, c a r a c t é r i S é par le fait qu'il comprend un système optique émetteur partant d'une source de lumière et un système optique récepteur aboutissant à un analyseur 0, chacun de ces systèmes optiques comprenant des éléments optiques convergents fixes à l'entrée Lo et à la sortie L 7, L 8 et des éléments optiques déviateurs L 3, L 4 placés entre les éléments fixes dans une partie du faisceau o les images des points de l'ob Jet P examiné se forment, lesdits éléments optiques déviateurs L 3, L 4 étant soumis à des mouvements parfaitement synchronisés et ayant des caractéristiques optiques similaires. 3 Dispositif de couplage, tel que défini dans la revendication 2, c a r a c t é r i S é par le fait que l'objet est vu à travers un objectif fixe Lo et que le faisceau, derrière l'ob Jectif Lo, se sépare en un faisceau d'éclairement à partir d'une source fixe et en un faisceau d'examen aboutissant à une pupille fixe, - chacun des deux faisceaux séparés traversant des éléments optiques déviateurs L 3, L 4 animés d'un mouvement de balayage déviant les faisceaux pour réaliser un balayage analogue sur l'ob Jet, des lentilles de champ classiques fixes Ll, L 2, L 5, L 6 étant prévues aux endroits o se forment les images des points 0, O ' de la surface de l'ob Jet P. 4 Dispositif de couplage, tel que défini dans la revendication 3, c a r a c t é r i S é par le fait que les éléments optiques déviateurs L 3, L 4 sont des lentilles simples ou associées. Dispositif de couplage, tel que défini dans la revendication 3, c a r a c t é r i S é par le fait que les éléments optiques déviateurs sont des systèmes de miroirs. 6 Dispositif de couplage, tel que défini dans la revendication 3, c a r a c t é r i S é par le fait que les éléments déviateurs sont des sytèmes combinés de len- tilles et de miroirs. 7 Dispositif de couplage, tel que défini dans l'une quelconque des revendications 3, 4, 5, ou 6, c a r a c t d r i S é par le fait que le faisceau est séparé en deux par une lame semi-transparente ST ou SP. 8 Dispositif de couplage, tel que défini dans la revendication 7, c a r a c t é r i S é par le fait que la lame semi-transparente SP est disposée entre l'élément optique déviateur et le système optique récepteur 0, si bien qu'il n'est besoin que d'un unique élément optique déviateur L 3 animé d'un mouvement de balayage qui agit sur le faisceau émis, dans un sens, et le faisceau reçu, en sens inverse. 9 Dispositif de couplage, tel que défini dans la revendication 8, c a r a c t é r i S é par le fait qu'un miroir M 1 est placé derrière l'ob Jectif Lo quand les condi- tions de l'examen le requièrent. -10 Dispositif de couplage, tel que défini dans la revendication 7, c a r a c t é r i S é par le fait que la lame semi-transparente ST est disposée derrière l'ob Jectif Lo et que chacun des deux faisceaux traverse un élément optique déviateur L 3-et L 4, le mouvement de ces deux éléments déviateurs étant rigoureusement synchro- nisé. 11 Dispositif de couplage, tel que défini dans la revendication 10, c a r a c t é r i S é par le fait qu'un miroir M 1 estplacé parallèlement à la lame semi-transparente ST et derrière celle-ci pour que les deux faisceaux aient leurs axes principaux parallèles, notamment au niveau des éléments optiques déviateurs L 3, L 4, si bien que ceux-ci sont fixés sur une meme monture ( 15) animée du mouvement de balayage d'amplitude relativement grande. 12 Dispositif de couplage, tel que défini dans l'une ou l'autre des revendications 2 à 11, c a r a c t é r i S 4 par le fait que la source lumineuse émet de la lumière cohérente. i 6