Brevet FR2849509A1 — publié le 20040702

i La présente invention concerne un système d'éclairement d'une surface et un microscope comportant un tel système. Dans de nombreux domaines allant du nettoyage de surface de bâtiments (nettoyage de monuments historiques,..) à l'imagerie 5 spectrométrique, il est utile d'éclairer une surface dans des conditions contrôlées, optimales, c'est-à-dire généralement homogènes et uniformes. On connaît de nombreux dispositifs ou procédés de l'art antérieur permettant d'éclairer une surface. On peut citer, par exemple, la fibre optique dans laquelle un faisceau est injecté et l'image du coeur de la fibre est 10 projetée sur l'objet à éclairer. Le diamètre du coeur de la fibre détermine le diamètre de la surface d'éclairement. Cependant, le système est complexe à mettre en oeuvre, l'homogénéité de l'éclairement moyenne et il existe des pertes de flux lumineux. L'éclairement d'une surface peut résulter de la focalisation d'un faisceau lumineux au moyen d'un système optique, par 15 exemple une lentille, et du placement de ladite surface en dehors du plan focal de ce système optique. Cependant, l'éclairement résultant de cette défocalisation est inhomogène. On peut également mettre en oeuvre une pièce tournante composée de deux miroirs permettant d'illuminer de manière annulaire un objectif fond noir. L'éclairement est toutefois non instantané, 20 inhomogène et le système complexe. On peut citer aussi parmi ces dispositifs de l'art antérieur, la combinaison d'un scanner et d'une platine de déplacement motorisée, ou de deux scanners. Dans le premier cas, un miroir scanner déplace un faisceau lumineux dans une direction et l'objet à éclairer est déplacé dans une autre 25 direction orthogonale à la première. Dans le deuxième cas, un miroir scanner déplace un faisceau dans une direction et un second scanner déplace ce faisceau dans une autre direction orthogonale à la première. Toutefois encore, ces systèmes s'avèrent complexes et encombrants et l'éclairement non instantané. Le diffuseur holographique a la propriété de transformer le profil gaussien d'un faisceau lumineux en un profil de forme différente, par exemple rectangulaire. Il n'est cependant utilisable que pour une longueur d'onde (mono-longueur d'onde) et une géométrie de faisceau spécifiques. On connaît par ailleurs des éléments optiques permettant à partir d'un 35 faisceau lumineux entrant dans ledit élément d'obtenir une ligne en sortie. Ainsi, les lentilles cylindriques qui ont un rayon de courbure infini suivant une direction donnent d'un point lumineux une image allongée et sont généralement mis en ceuvre dans les dispositifs de détection optiques à une dimension. Cependant, ces lentilles cylindriques présentent une distribution de 5 l'intensité qui est gaussienne. La répartition de l'énergie sur un objet diminue radialement en s'éloignant du centre du faisceau et n'est donc pas uniforme. Bewsher et ai. {Applied optics 35 (1996) 1654 - 1658} ont démontré récemment la réalisation d'éléments optiques de projection de faisceau laser et en particulier d'une lentille divergente destinée à générer à partir d'un 10 faisceau lumineux incident à son entrée une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie. D'autres formes ont été rapportées avec ces éléments optiques telles que des cercles, des croix, une matrice de points ou un D. Cependant l'inconvénient majeur de ces éléments optiques de l'art antérieur est qu'ils ne permettent pas d'obtenir une surface éclairée de 15 manière continue et uniforme. L'objectif de la présente invention est de proposer un système d'éclairement simple dans sa conception et dans son mode opératoire, économique et permettant de projeter en sortie à partir d'un faisceau lumineux incident à son entrée, une surface continue et homogène en intensité. A cet effet, l'invention concerne un système d'éclairement d'une surface comprenant un premier élément optique générateur de ligne et un deuxième élément optique générateur de ligne, chacun desdits éléments optiques ayant un axe de ligne, lesdits axes étant placés en regard. Selon l'invention, - au moins un des premier et deuxième éléments optiques générateurs de ligne comprend un système optique divergent destiné à générer à partir d'un faisceau lumineux incident à son entrée une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie, et le premier élément optique générateur de ligne coopère avec ledit 30 deuxième élément optique pour former en sortie à partir d'un faisceau lumineux entrant dans le système d'éclairement une surface lumineuse continue et homogène en intensité. Dans différents modes de réalisation, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées 35 isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: l'axe de ligne du premier élément optique forme un angle e avec l'axe de ligne du deuxième élément optique qui est égal à 900 +/- 50, - les axes de ligne des premier et deuxième éléments optiques générateurs de ligne sont perpendiculaires (O = 90 ), - les premier et deuxième éléments optiques générateurs de ligne comprennent des systèmes optiques divergents destinés à générer à partir d'un faisceau lumineux incident à leur entrée, une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie, - lesdits systèmes optiques ont même angle de divergence, - lesdits systèmes optiques ont un angle de divergence différent, - l'angle de divergence d'au moins un système est de 1 , - l'angle de divergence d'au moins un système est de 50, - l'angle de divergence d'au moins un système est de 100, - les premier et deuxième éléments optiques générateurs de ligne sont 15 différents, - le système d'éclairement comprend un miroir oscillant, - les premier et deuxième éléments optiques sont réalisés dans un matériau adapté pour le proche ultraviolet. L'invention concerne également un microscope. Selon l'invention, ledit 20 microscope comprend un système d'éclairement tel que défini précédemment. Dans différents modes de réalisation possibles, l'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un système d'éclairement dans un premier mode de réalisation de la présente invention; - la figure 2 représente schématiquement un système d'éclairement dans un deuxième mode de réalisation de la présente invention; - la figure 3 représente schématiquement un système d'éclairement dans un troisième mode de réalisation de la présente invention; - la figure 4 est un premier exemple de mise en oeuvre de l'invention 30 montrant l'intensité intégrée dans le temps sur une surface obtenue par l'intermédiaire d'un miroir oscillant et d'un système optique divergent destiné à générer à partir d'un faisceau lumineux incident à son entrée une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie. - la figure 5 est un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention 35 montrant la distribution de l'intensité sur une surface obtenue en croisant deux systèmes optiques divergents destinés à générer à partir d'un faisceau lumineux incident à son entrée une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie. Un objet de la présente invention est la réalisation d'un système 5 d'éclairement formant à partir d'un faisceau lumineux 1 entrant dans le dit système une surface lumineuse 2 en sortie. Cette surface 2 est de manière avantageuse continue et présente une distribution homogène de son intensité lumineuse. On entend par distribution homogène de l'intensité lumineuse sur l'ensemble de la surface 2, un écart entre l'intensité mesurée en un point 10 donné de cette surface par rapport à l'intensité maximale mesurée, inférieur ou égal à 15 %. Cette distribution homogène de l'intensité lumineuse assure une répartition uniforme de l'énergie lumineuse à la surface d'un objet. Un autre objet de la présente invention est de pouvoir modifier les dimensions de cette surface lumineuse 2 pour l'adapter, par exemple, à une 15 zone à traiter. Il est aussi possible de modifier la forme de cette surface lumineuse 2 pour obtenir une surface rectangulaire ou une surface carrée. Le système d'éclairement comprend un premier 3 et un deuxième 4 élément optique générateur de ligne. On entend par "générateur de ligne", un élément optique qui recevant un faisceau lumineux 1 à son entrée, génère en 20 sortie une ligne de largeur et d'intensité uniforme dans une direction unique. Les extrémités de ladite ligne sont de plus bien définies. Chacun desdits éléments optiques 3, 4 a un axe de ligne 5, 6 et lesdits axes 5, 6 sont placés en regard. Selon l'invention, au moins un des premier 3 et deuxième 4 éléments 25 optiques générateurs de ligne comprend un système optique divergent destiné à générer à partir d'un faisceau lumineux 1 incident à son entrée, une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie. L'angle de divergence dudit système optique divergent est alors préférentiellement pris entre 1 et 100 pour les applications liées à la microscopie. D'une façon plus générale, cet angle peut 30 varier jusqu'à 120 . Le premier élément 3 optique générateur de ligne coopère avec le deuxième élément 4 optique pour former en sortie à partir d'un faisceau lumineux 1 entrant dans le système d'éclairage une surface lumineuse 2 continue et homogène en intensité. La figure 1 montre un premier mode de réalisation. Les premier 3 et deuxième 4 éléments optiques générateurs de ligne comprennent des systèmes optiques divergents destinés à générer à partir d'un faisceau lumineux 1 incident à leur entrée, une ligne de largeur et d'intensité uniforme 5 en sortie. Lesdits systèmes optiques divergents peuvent soit présenter le même angle de divergence, soit avoir un angle de divergence différent. Les dimensions de la surface éclairée à une distance D du système d'éclairement étant définies par l'angle de divergence respectif de chacun desdits systèmes optiques, il est alors possible de varier la forme et les dimensions de la 10 surface éclairée 2. Dans un deuxième mode de réalisation, les premier 3 et deuxième 4 éléments optiques générateurs de ligne comprennent un miroir oscillant et un système optique divergent destiné à générer à partir d'un faisceau lumineux 1 incident à son entrée une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie. Ce 15 miroir présente un mouvement oscillatoire autour d'un axe de rotation, ou axe de ligne 5, 6, tel qu'un faisceau lumineux 1 envoyé sur ledit miroir oscillant décrit une ligne dont la distribution en intensité est uniforme lorsqu'elle est intégrée dans le temps. Ce système d'éclairement permet également avantageusement de projeter en sortie dudit système une surface éclairée 2 20 continue et présentant une distribution de l'intensité intégrée dans le temps homogène. Le miroir oscillant peut être placé avant ou après ledit système optique. La figure 2a) représente un miroir oscillant sur lequel une ligne de largeur et d'intensité uniforme est projetée par l'intermédiaire du système optique. Sur la figure 2b), un faisceau lumineux 1 émis par une source de 25 lumière est envoyé sur un miroir oscillant. Ce dernier, par son mouvement périodique, balaye l'axe de ligne du système optique destiné à générer à partir d'un faisceau lumineux 1 incident à son entrée une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie. Dans les deux cas, la ligne ainsi formée se déplace de manière périodique suivant un axe perpendiculaire à la direction 30 qu'elle forme. Les fréquence et amplitude d'oscillation dudit miroir sont variables. Dans un mode de réalisation, la fréquence d'oscillation du miroir est adaptée par exemple au dispositif de détection ou d'acquisition mis en oeuvre pour détecter les modifications apportées à la surface 2 d'un objet sous l'effet de l'éclairement de ladite surface 2. Dans un mode de réalisation, l'axe de ligne 5 du premier élément 3 optique forme un angle 0 avec l'axe de ligne 6 du deuxième élément 4 optique qui est égal à 900 +/-AO, o AO est fonction de la géométrie du faisceau lumineux 1 incident et reste inférieur à 50. Préférentiellement, l'axe de ligne 5 5 du premier élément 3 optique et l'axe de ligne 6 du deuxième élément 4 optique sont perpendiculaires (O = 900). Ils sont alors dits croisés. Un faisceau lumineux 1 incident sur le premier élément 3 optique génère une ligne qui est envoyée sur l'axe de ligne 6 du deuxième élément optique 4. Ce dernier transforme chaque rayon incident en un faisceau divergent selon une direction 10 unique inclinée d'un angle de 90 par rapport à la direction donnée par le premier élément 3 optique. Chaque rayon incident une fois projeté par le deuxième élément 4 optique forme une surface lumineuse 2 continue dont la répartition en intensité atteint une très haute qualité d'homogénéité. Lorsque les premier 3 et deuxième 4 éléments optiques générateurs de ligne 15 comprennent des systèmes optiques destinés à générer à partir d'un faisceau lumineux 1 incident à leur entrée une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie et que l'angle de divergence desdits systèmes est identique, la surface 2 obtenue est carrée. L'angle de divergence détermine la dimension du coté. Dans le cas o les angles de divergence sont différents, la surface 2 20 formée est rectangulaire. La longueur et la largeur de ce rectangle sont alors respectivement définies par l'angle de divergence de chacun des systèmes optiques. Notons que l'homogénéité de la surface 2 décroît rapidement en s'éloignant de ce mode de réalisation préféré dans lequel les axes de ligne 5, 25 6 du premier élément 3 optique et du deuxième élément 4 optique sont perpendiculaires. De plus, les contours de la surface éclairée 2 perdent alors leur forme rectangulaire ou carrée. Dans un mode de réalisation particulier, les systèmes optiques divergents destinés à générer à partir d'un faisceau lumineux 1 incident à leur 30 entrée, une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie, comprennent des lentilles. L'invention concerne également un microscope comprenant un système d'éclairement tel que décrit précédemment. La figure 3 montre un exemple de mode de réalisation d'un microscope de l'invention. Un faisceau lumineux 1 35 est envoyé sur un système d'éclairement comprenant des systèmes optiques destinés à générer à partir d'un faisceau lumineux incident à leur entrée, une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie. Le système de lentilles L1 et L2 conjugue la pupille d'entrée de l'objectif 7 et le système d'éclairement. L'image de la surface 2 homogène formée sur la lentille L1 se fait sur 5 l'échantillon par l'intermédiaire de la lentille L2 et de l'objectif 7 du microscope. L'échantillon 8 est ainsi éclairé de manière homogène. On comprend que le principe présenté ci-dessus est inchangé si le système d'éclairement comporte un miroir oscillant. Ce microscope peut être utilisé pour la microscopie Raman et la 10 microscopie de fluorescence. Un élément réflecteur peut faire l'image de la surface éclairée, ou de la ligne produite par le système d'éclairement comprenant un miroir oscillant, sur la fente d'un spectromètre pour analyse. Le domaine d'énergie du faisceau lumineux peut être large et inclure le proche UV. Le faisceau lumineux peut avantageusement être un faisceau 15 laser. Le système d'éclairement peut avantageusement être mis en oeuvre par exemple pour l'industrie des semi-conducteurs, le nettoyage de surface (nettoyage de réacteur, restauration d'oeuvre d'art, ...), l'imagerie de fluorescence, l'holographie industrielle (holographie numérique, 20 shearographie, holographie de speckle, ..), les traitements cutanées ou la chirurgie de l'oeil en médecine, le pompage optique pour obtenir un inversement de population dans le milieu actif sans les effets d'échauffement local ou de focalisation thermique ("self focusing") qui nuisent à la qualité de l'émission laser. Le système d'éclairage de l'invention a fait l'objet de plusieurs mises en oeuvre présentées dans les exemples suivants faisant ressortir la qualité des résultats obtenus: Exemple 1 La Figure 4 montre un premier exemple de mise en oeuvre d'un tel 30 système d'éclairement pour un faisceau laser centré sur longueur d'onde . Le système d'éclairement recevant ledit faisceau lumineux 1 forme une surface lumineuse 2 rectangulaire dont la distribution en intensité intégrée dans le temps est mesurée. Le système d'éclairement comporte un miroir pivotant 3 et un système optique 4 destiné à générer à partir d'un faisceau lumineux 35 incident 1 à son entrée une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie. L'axe z des ordonnées 8 représente l'intensité relative moyenne. L'axe x des abscisses 9 représente l'angle de déviation du miroir oscillant (unités arbitraires). L'axe y 10 représente la position du point sur la ligne générée par le système optique. Le résultat est une surface 11 sur laquelle chaque point M 5 est caractérisé par sa position (x, y) dans le plan d'observation et par l'intensité lumineuse qui lui est associée (z). Cette distribution présente une zone centrale 12 et des pics 13 sur les contours latéraux. Lesdits pics 13 s'expliquent par les changements de direction du balayage du miroir qui impliquent une variation de la vitesse de 10 balayage sur les extrémités de la course (accélération/décélération). Exemple 2 La Figure 5 est un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention montrant la distribution en intensité d'une surface lumineuse 2 rectangulaire obtenue avec un système d'éclairement comportant deux systèmes optiques 15 3, 4 destinés à générer à partir d'un faisceau lumineux 1 incident à leur entrée une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie. L'axe z des ordonnées 14 représente l'intensité normalisée et les axes x 15 et y 16 représentent les cordonnées de chaque point dans le plan de la surface éclairée (unités arbitraires). Cette distribution présente une zone centrale 12 et des pics 13 sur les contours de la surface. La légère inhomogénéité observée sur les contours de la surface est liée dans ce cas aux caractéristiques spécifiques de la source laser utilisée. REVENDICATIONS 1. Système d'éclairement d'une surface comprenant un premier élément (3) optique générateur de ligne et un deuxième élément (4) optique 5 générateur de ligne, chacun desdits éléments (3, 4) optiques ayant un axe de ligne (5, 6), lesdits axes (5, 6) étant placés en regard, caractérisé en ce que - au moins un des premier (3) et deuxième (4) éléments optiques générateurs de ligne comprend un système optique divergent destiné à 10 générer à partir d'un faisceau lumineux (1) incident à son entrée, une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie, et le premier élément (3) optique générateur de ligne coopère avec ledit deuxième élément'(4) optique pour former en sortie à partir d'un faisceau lumineux (1) entrant dans le système d'éclairement une surface lumineuse (2) 15 continue et homogène en intensité. 2. Système d'éclairement selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'axe de ligne (5) du premier élément (3) optique forme un angle 0 avec l'axe de ligne (6) du deuxième élément (4) optique qui est égal à 900 +/5 . 3. Système d'éclairement selon la revendication 2 caractérisé en ce que 20 les axes de ligne (5, 6) des premier (3) et deuxième (4) éléments optiques générateurs de ligne sont perpendiculaires (O = 90 ). 4. Système d'éclairement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les premier (3) et deuxième (4) éléments optiques générateurs de ligne comprennent des systèmes optiques divergents destinés 25 à générer à partir d'un faisceau lumineux (1) incident à leur entrée, une ligne de largeur et d'intensité uniforme en sortie. 5. Système d'éclairement selon la revendication 4 caractérisé en ce que lesdits systèmes optiques ont même angle de divergence. 6. Système d'éclairement selon la revendication 4 caractérisé en ce que 30 lesdits systèmes optiques ont un angle de divergence différent. 7. Système d'éclairement selon la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce que l'angle de divergence d'au moins un système optique est de 1 . 8. Système d'éclairement selon la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce que l'angle de divergence d'au moins un système optique est de 5 . 9. Système d'éclairement selon la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce que l'angle de divergence d'au moins un système optique est de 100. 10. Système d'éclairement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les premier (3) et deuxième (4) éléments optiques générateurs de ligne sont différents. 11. Système d'éclairement selon la revendication 10 caractérisé en ce que le système d'éclairement comprend un miroir oscillant. 12. Système d'éclairement selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le premier (3) et deuxième (4) éléments optiques 10 sont réalisés dans un matériau adapté pour le proche ultraviolet. 13. Microscope caractérisé en ce qu'il comprend un système d'éclairement selon l'une quelconque des revendications 1 à 12.