Brevet FR2623299A1 — publié le 19890519

Microscope à réglage auto atique L'utilisation de la microscopie photonique s'étend de plus en plus, dans le domaine aussi bien des processus industriels que de la recherche fondamentale, de développement et appliquée (métallurgie, électronique, textile, agro-alimentaire, pharmacie, biologie cellulaire, bactériologie, etc). Un microscope est un instrument d'aide à la vision qui permet à l'observateur d'obtenir des images tres agrandies des objets qui l'intéressent et, par conséquent, de voir des objets dont les dimensions sont inférieures au pouvoir séparateur de L'oeiL humain. Pour beaucoup d'usages, l'aide à la vision par agrandissement est associée à des systèmes de modification et/ou d'amplification du contraste entre l'objet et le fond, sans lesquels il serait peut-être impossible de voir l'objet.Pour un grandissement donné, la qualité de l'image ainsi obtenue dépend des propriétés intrinsêques de l'optique (clarté, ouverture numérique, etc...); pour un niveau de qualité optique donné, la qualité de l'image dépend de l'aptitude de l'observateur à régler correctement les différents éléments de L'optique, et ceci tout particulierement quand des techniques optiques de modification ou d'amplification du contraste entre le fond et l'objet sont utilisées. Aux systèmes optiques d'amplification de contraste peuvent s'ajouter ou se substituer des systèmes d'amplification de contraste électronique sur images vidéo, dont le bon fonctionnement dépend également des bons réglages de l'optique. Lorsque différentes parties d'une préparation microscopique doivent être observées, il est souvent nécessaire de reprendre les réglages des différents éléments de modification ou d'amplification de contraste utilisés, ainsi que La mise au point de L'objectif, afin de maintenir la qualité de l'image d'un champ d'observation à l'autre. Par ailleurs, les propriétés optiques (épaisseur, indice de réfraction, densité optique, etc...) des préparations peuvent varier de l'une à l'autre; aux modifications de réglages mentionnées plus haut s'ajoutent celles de l'intensité de l'éclairage et de l'ouverture ou de la fermeture du ou des diaphragmes des systèmes de modification ou d'amplification de contraste. En résumé, un microscope photonique est un instrument d'aide à la vision tout à fait passif. L'obtention des images de qualité optimale et constante nécessaires dans de nombreuses utilisations dépend de l'intervention permanente de l'observateur et de son talent à régler correctement le microscope, en particulier les éléments d'amplification de contraste. Cette nécessité annulerait par exemple tous les avantages de productivité et de fiabilité que l'on serait en droit d'exiger d'un système expert de vision assisté par microscopie photonique. La présente invention a pour but de résoudre ces problèmes en dotant un microscope photonique d'une faculté de réglage automatique de ses éléments mobiles. A cet effet, dans un microscope photonique comportant une platine porte-échantillon (ou porte-préparation) à réglage de position motorisé suivant au moins une direction X de son plan XV, un objectif à réglage de mise au point motorisé suivant la direction Z perpendiculaire audit plan, et un dispositif d'éclairage de l'échantillon à observer, comprenant une source lumineuse et un condenseur à point de focalisation réglable en position suivant au moins une direction Z', les directions Z et Z' pouvant hêtre parallèles par exemple, il est prévu, selon L'invention, que les réglages de mise au point de l'objectif suivant la direction Z et de position du point de focalisation du condenseur suivant la direction Z' soient également motorisés, et qu'au microscope soit associée, pour chaque direction de réglage, une boucle d'asservissement permettant d'effectuer le réglage correspondant à partir de signaux émanant soit d'un dispositif de commande manuelle, soit d'un calculateur et de sa mémoire via un circuit de commande. Ledit réglage du point de focalisation du condenseur peut également être motorisé suivant deux autres directions X' et Y', les plans X'Y' et XY pouvant être par exemple parallèles. Plus généralement, il est prévu que, parmi les dispositifs réglables que peut comporter le microscope, savoir : - un ou plusieurs diaphragmes de l'optique du microscope, - un polariseur rotatif, - un prisme de Wollaston, - un dispositif de changement d'objectif, - et un dispositif de changement de condenseur, le fonctionnement de l'un au moins de ces dispositifs soit également motorisé. Un microscope ainsi agencé est capable de reproduire automatiquement, un nombre illimité de fois et, moyennant un usinage soigneux des pièces mécaniques, avec une très grande précision (au micromètre près ou mieux), les positionnements du condenseur et de l'objectif tels que l'opérateur les a fixés initialement, puis enregistrés dans la mémoire du calculateur. Dans une forme de réalisation particulière, chaque boucle d'asservissement comprend un moteur susceptible de déplacer l'élément à régler suivant une direction appropriée, un capteur de position détectant la position de l'élément suivant Ladite direction et un circuit d'asservissement retié à un dispositif de commande manuelle , et/ou audit circuit de commande, lui-même relié à ladite mémoire du calculateur. Il convient que cette dernière soit conçue ou programmée de façon à enregistrer la position de chaque élément dans chaque direction de réglage après que le réglage correspondant a été effectué ou modifié, et à restituer ultérieurement au circuit de commande une information traduisant cette position en vue de La reproduction automatique dudit réglage. Avantageusement, le calculateur comporte également une mémoire destinée à enregistrer les positions atteintes par la platine porte-échantillon après déplacements suivant deux directions X, Y, et à restituer ultérieurement au circuit de commande une information traduisant ces positions en vue de la reproduction automatique desdites positions. Cela permet d'obtenir des déplacements automatiques de la platine sur des positions soit préalablement choisies par l'opérateur, soit pré-programmées dans le calculateur. En pratique, le condenseur peut être monté sur une platine portée par un support par rapport auquel elle est, avec le condenseur, réglable en position suivant Les directions X', Y', ledit support étant réglable en position suivant la direction Z'. A ce support est de préférence associé un dispositif de compensation de son poids et des organes qu'il porte, afin de soulager les organes de réglage suivant la direction Z', qui est normalement verticale. Avantageusement, au circuit de commande du microscope est en outre associé au moins un circuit d'asservissement de l'intensité lumineuse de la source d'éclairage, relié soit à un dispositif de commande manuelle, soit au calculateur. Ce dernier peut alors comporter une mémoire conçue ou programmée de façon à enregistrer la valeur de l'intensité lumineuse après que celle-ci a été modifiée, et à restituer ultérieurement au circuit de commande une information traduisant cette valeur en vue de la reproduction automatique de ladite intensité. Par ailleurs, le microscope peut être équipé d'au moins un dispositif d'acquisition d'images relié à au moins un dispositif de visualisation desdites images, l'un au moins des dispositifs d'acquisition d'images pouvant être couplé à un dispositif d'analyse d'images. Dans ce cas, il convient que ce dernier soit relié au systéme de commande de position et/ou au calculateur de façon que ledit dispositif d'analyse d'images délivre des informations utiles pour la réalisation partielle ou totale d'au moins l'un quelconque des réglages automatisés du microscope. Tous les réglages et manipulations nécessaires à l'utilisation normale du microscope selon L'invention peuvent être effectués soit manuellement à distance à L'aide d'un ou de plusieurs dispositifs de commande manuelle, soit automatiquement par l'intermédiaire du circuit de commande et/ou du calculateur. Le microscope selon L'invention est apte à fournir automatiquement, à la suite de réglages initiaux, des images de grandes qualités, optiquement homogénes, sur différents champs d'une préparation, permettant ainsi en particulier, dans le domaine de la biologie, L'étude des propriétés individuelles d'un grand nombre de cellules vivantes d'une même préparation maintenue sous observation prolongée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairemént de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'un exemple de réalisation non limitatif. La figure 1 représente en perpective un microscope aménagé selon l'invention. La figure 2 représente une vue en élévation latérale de la partie supérieure du microscope de La figure 1. La figure 3 représente une vue en plan, avec coupe partielle, de la platine porte-condenseur du microscope et de ses mécanismes de réglage. La figure 4 représente, schématiquement et de façon simplifiée, les circuits électroniques associés au microscope pour en assurer le réglage automatique. Le microscope représenté à la figure 1 est destiné à l'observation de micro-organismes vivants. Selon le cas, il peut être confiné dans une enceinte à ambiance contrôlée et/ou hostile. Les préparations correspondantes étant généralement peu absorbantes, le microscope utilise la technique du contraste de phase ou du contraste d'interférence. IL comprend un bâti 1, un oculaire double 2 et un objectif 3. Etant du type inversé, son objectif, dirigé vers le haut, est situé sous la platine porte-préparation 4 (symbolisée par un rectangle en trait mixte). Cette platine est motorisée et comporte deux moteurs (non représentés) qui permettent de régLer la position dans le plan horizontal de la préparation suivant deux directions orthogonales X, Y de ce plan. Le réglage de mise au point s'effectue par déplacement de L'objectif 3 suivant l'axe vertical Z à l'aide d'un moteur 5. Le bâti 1 porte un montant 6 duquel est solidaire une paire de colonnes de guidage 7 Le long desquelles peut se déplacer verticalement un support 8. Sur ce support est monté un dispositif d'éclairage de la préparation qui s'étend au-dessus de celle-ci et se compose essentiellement d'un tube luminaire 9 contenant une source de lumière et d'un condenseur 10. Tandis que le tube 9 est fixé au support 8, le condenseur 10 est réglable en position suivant deux directions horizontales orthogonales X', Y'. A cet effet, il est fixé à une platine 11 (figure 3) portée par le support 8 et déplaçable suivant les directions X' et Y' à l'aide de mécanismes dè réglage comprenant respectivement un moteur 12, 13 et une transmission démultiplicatrice à angle droit 14, 15. D'autres mécanismes pourraient également être utilisés ici, faisant en particulier appel à des moteurs à micro-pas couplés à la platine par des transmissions rectilignes. Des capteurs de position 16, 17, montés sur le support 8, délivrent des signaux représentatifs de la position réelle de la platine 11 suivant les directions X' et Y'. Deux paires de contacts de fin de course 18 (dont trois seulement sont visibles sur la figure 3) sont prévus pour limiter, par arrêt des moteurs 12, 13, l'excursion de la platine 11 dans ses !eux directions de déplacement X', Y'. En vue de son réglage en hauteur, le support 8 comporte un écrou (non visible sur les dessins) engagé sur une tige filetée verticale 19 qui est montée de façon à être stationnaire par rapport au montant 6, pouvant toutefois être entraînez en rotation par un moteur 20 fixé au montant 6. il est ainsi possible, en alimentant convenablement le moteur 20, qui, comme les moteurs 5, 12 et 13, est du type "pas à pas", de régler la position du support 8 et du dispositif d'éclairage 9, 10 qu'il porte suivant a direction verticale Z'. Cette position est contrôlée par un capteur 21 porté par un support 26 fixe, dont La position est toutefois réglable le long d'une rainure verticale 27 que comporte le montant 6 en fonction de la position moyenne du support 8 dans chaque cas particulier d'utilisation du microscope.Un bouton moleté 28 de blocage permet d'immobiliser le support 26 dans la position désirée. Afi de réduire les efforts demandés au moteur 20 et transmis par le mécanisme vis-écrou associé pour assurer le réglage en hauteur du dispositif d'éclairage de la préparation, un dispositif de compensation du poids de celui-ci est prévu. Ce dispositif comprend une paire de chaines 22 attachées d'une part au support 8 et d'autre part à l'extrémité de la tige 23a d'un ressort à gaz dont le corps 23b est fixé au montant 6, chaque o chaîne passant sur deux pignons 24 de renvoi à 90 supportés par un flasque fixe 25 respectif, solidaire du montant 6. Conformément au schéma de la figure 4, l'ensemble de mise en oeuvre du microscope comprend des manettes de commande 29 à 31 à deux degrés de liberté, un calculateur 33 et des circuits de commande et d'asservissement 34 à 38. Un circuit d'asservissement 34 emet des signaux X, Y de réglage, suivant Les directions de mêmes dénominations, pour les moteurs de La platine porte-préparation 4, en fonction des signaux de position x, y qu'il reçoit de capteurs associés à celle-ci et des signaux que lui fournit un circuit de commande 35 et qui sont émis en fonction des informations reçues soit de la manette 29, soit du calculateur 33, lequel comporte une mémoire 33a enregistrant les signaux émis par le circuit de commande 35. Les signaux X', Y' de réglage de position du condenseur 10, appliqués aux moteurs 12, 13, sont formés de la même façon à l'aide du circuit d'asservissement 36 à partir des signaux x', y' issus des capteurs 16, 17 et des signaux émis par le circuit de commande 35 en fonction des informations reçues soit de la manette 30, soit du calculateur 33. Identiquement, le circuit d'asservissement 37 engendre les signaux de réglage en hauteur Z' du condenseur 10 et de réglage de mise au point Z de L'objectif 3 à partir des signaux z' et z respectivement délivrés par le capteur de position 21 du condenseur et Le capteur de position de l'objectif, et des signaux émis par le circuit de commande 35 en fonction des informations reçues soit de la manette -de commande 31, soit du calculateur 33, lequel comporte une mémoire 33b enregistrant les signaux émis par le circuit de commande 35. Un circuit d'asservissement 38 alimente le système d'éclairage du tube luminaire 9 de façon à régler l'intensité lumineuse appliquée au condenseur 10 en fonction des signaux reçus d'une troisième mémoire 33c du calculateur 33, par l'intermédiaire du circuit de commande 35. Lorsqu'on désire étudier une préparation particulière, par exemple une préparation biologique réalisée dans une boite de Pétri P, on définit un certain nombre de champs d'examen dans celle-ci. Ayant amené un premier champ en regard de l'objectif 3 par actionnement de la manette 29, on règle la mise au point de l'objectif et l'éclairage du champ considéré à l'aide des manettes 30 et 31. Puis, après réglage, les signaux de la manette 29 sont enregistrés dans la mémoire 33a, ainsi que les signaux des manettes 30 et 31 dans la mémoire 33b. On procède ainsi successivement pour tous les champs de la préparation. Si par la suite on désire observer tel ou tel champ déterminé, on l'amène devant l'objectif à l'aide de la manette 29 et le calculateur envoie au circuit de commande 35 des signaux qui assurent un réglage automatique des paramètres X', Y', Z' et Z du condenseur 10 et de l'objectif 3, ainsi que de l!;ntensite lumineuse appliquée au condenseur 10. Le calculateur peut être programmé pour permettre la présentation automatique d'une série de champs successifs de la préparation, indépendamment de la manette 29. Dans ce cas, la platine porte-préparation 4 se déplace, à intervalles de temps choisis, d'un champ à l'autre devant l'objectif 3, dans l'ordre de mémorisation des coordonnées des différents champs, avec une vitesse de déplacement prédéterminée. Dans le même temps ont lieu les réglages automatiques de mise au point et d'éclairage. Il y a arrêt sur chaque champ pendant un intervalle de temps également choisi, au début duquel sont effectuées les observations et mesures. Un tel microscope peut alors être avantageusement équipé d'un système d'analyse d'image et disposer ainsi de tous les avantages présents et futurs de cette technique pour son fonctionnement. On indique à titre d'exemple que, dans une version "télémanipulateur", ce microscope a permis de montrer que les changements de forme de myocytes d'aorte thoracique de rat, induits par des agents connus pour leurs propriétés vasoactives, représentaient bien une réponse physiologique de ces cellules. Dans une version "robotisée", qui reproduit automatiquement les positions de chaque axe initialement déterminées par l'opérateur dans une phase d'apprentissage, il a permis de montrer que les populations de cellules étudiées comprenaient, du point de vue fonctionneL (contraction, relâchement, division), au moins deux sous-populations distinctes, ceci grâce à la précision, à la rapidité et à l'autonomie du système. Dans une version "robotisée étendue", le microscope a été rendu capable d'assurer lui-meme, automatiquement, les réglages de position X',- Y', Z' du condenseur pour chaque champ observé, en fonction des informations délivrées par un analyseur d'images couplé au circuit de commande 35 et au calculateur 33. Outre qu'elle permet une réduction importante de la durée de l'étape où doit intervenir l'opérateur, cette version permet de suivre en continu Le comportement de cellules en culture pendant de longues périodes, jusque 144 heures et plus, et de maintenir automatiquement la qualité de l'image malgré les déplacements naturels des cellules, et évite ainsi des interventions périodiques de l'opérateur. Bien entendu, en cas de besoin, des réglages complémentaires peuvent être effectués sur le microscope également de façon automatique : réglage de positionnement du prisme de Wollaston dont peut être pourvu l'objectif, contrôle réglage de L'ouverture de l'iris associé au condenseur, etc. Revendications 1. Microscope photonique comportant une platine porte-échantillon à réglage de position motorisé suivant au moins une direction X de son plan XV, un objectif à réglage de mise au point motorisé suivant La direction Z perpendiculaire audit plan, et un dispositif d'éclairage de L'échantillon à observer, comprenant une source Lumineuse et un condenseur à point de focalisation réglable en position suivant au moins une direction Z', les directions Z et Z' pouvant être paralléles par exemple, caractérisé par le fait que les réglages de mise au point do L'objectif (3) suivant la direction Z et de position du point de focalisation du condenseur (10) suivant la direction Z' sont également motorisés, et qu'au microscope est associée, pour chaque direction de réglage, une boucle d'asservissement permettant d'effectuer le réglage correspondant à partir de signaux émana soit d'un dispositif de commande manuelle (29, 30, 31), soit d'un calculateur (33) et de sa mémoire (33b) via un circuit de commande (35). 2. Microscope selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le réglage du point de focalisation du condenseur (10) est également motorisé suivant deux autres directions X' et V', les plans X'Y' et XV pouvant être par exemple parallèles. 3. Microscope selon la revendication , ou 2, caractérisé par le fait -que, parmi les dispositifs réglables qu'il comporter, savoir : - un ou plusieurs diaphragmes de l'optique du microscope, - un polariseur rotatif, - un prisme de Wollaston, - un dispositif de changement d'objectif, - et un dispositif de changement de condenseur, le fonctionnement de l'un au moins de ces dispositifs est également motorisé. 4. Microscope selon l'une quelconque des revendicai 1 à 3, caractérisé par le fait que chaque boucle d'asservissement comprend un moteur (12, 13, 20, 5) susceptible de déplacer l'élément à régler suivant une direction appropriée, un capteur de position (16, 17, 21) détectant la position de l'élément suivant ladite direction et un circuit d'asservissement (34, 36, 37, 38) relié à un dispositif de commande manuelle (29, 30, 31) et/ou audit circuit de commande (35), lui-mtme relie à ladite mémoire (33b) du ca c auteur (33). 5. Microscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la mémoire (33b) du calculateur (33) est conçue ou programmée de façon à enregistrer la position de chaque élément motorisé dans chaque direction de réglage après que le réglage correspondant a été effectué ou modifié, et à restituer ultérieurement au circuit de commande (35) une information traduisant cette position en vue de la reproduction automatique dudit réglage. 6. Microscope selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le calculateur (33) comporte également une mémoire '33a) destinée à enregistrer les positions atteintes par la platine porte-échantillon (4) après déplacements suivant deux directions X, Y, et à restituer ultérieurement au circuit de commande (35) une information traduisant ces positions en vue de la reproduction automatique desdites positions. 7. Microscope selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait que- le condenseur (10) est monté sur une platine (11) portée par un support (8)par rapport auquel elle est, avec le condenseur, réglable en position suivant les directions X', Y', et que ledit support est réglable en position suivant la direction Z'. 8. Microscope selon la revendication 7, caractérisé par e fait qu'au support (8) est associé un dispositif (22 à 25) de compensation de son poids et des organes qu'il porte. 9. Microscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'au circuit de commande (35) est associé au moins un circuit (38) d'asservissement de l'intensité lumineuse de la source d'éclairage, relié soit à un dispositif de commande manuelle, soit au calculateur (33). 10. Microscope selon la revendication 9, caractérisé par le fait que le calculateur (33) comporte une mémoire (33c) conçue ou programmée de façon à enregistrer la valeur de l'intensité lumineuse après que celle-ci a été modifiée, et à restituer ultérieurement au circuit de commande (35) une information traduisant cette valeur en vue de la reproduction automatique de ladite intensité. 11. Microscope selon L'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait qu'il est équipé d'au moins un dispositif d'acquisition d'images relié à au moins un dispositif de visualisation desdites images. 12. Microscope selon la revendication 11, caractérisé par le fait que l'un au moins des dispositifs d'acquisition d'images est couplé à un dispositif d'analyse d'images. 13. Microscope selon la revendication 12, caractérisé par Le fait que le dispositif d'analyse d'images est relié au système de commande de position et/ou au calculateur de façon que ledit dispositif d'analyse d'images délivre des informations utiles pour la réalisation partielle ou totale d'au moins l'un quelconque des réglages automatisés du microscope. 14. Microscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que tous les réglages etmanipulations nécessaires à son utilisation normale peuvent être effectués manuellement à distance à l'aide d'un ou de plusieurs dispositifs de commande manuelle. 15. Microscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que tous les réglages et manipulations nécessaires à son utilisation normale peuvent être effectués automatiquement par l'intermédiaire du circuit de commande (35) et/ou du calculateur (33). 16. Microscope selon L'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé par le fait qu'il est confiné dans une enceinte à ambiance contrôlée et/ou hostile. 17. Microscope selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé par le fait qu'il est du type inversé.