Brevet FR2852698A1 — publié le 20040924

Ensemble de redirection pour un faisceau lumineux. Domaine Technique Il s'agit d'un dispositif permettant d'échanger ou de mettre en place un séparateur de faisceau dans un système optique, par exemple un microscope Technique antérieure La Figure 1 représente un microscope confocal à disque de Nipkow suivant la technique antérieure. 10 Il comporte un disque 104 portant des microlentilles. Le faisceau ayant traversé une microlentille du disque 104 traverse ensuite le miroir dichroïque 100, qui laisse passer la longueur d'onde du laser. Le faisceau traverse ensuite le disque 101 portant des trous microscopiques et se dirige vers un objectif de microscope puis vers un objet éclairé non représentés. L'objet réémet par fluorescence un faisceau qui suit le trajet inverse et revient vers le disque 101. Il traverse ce disque puis est réfléchi par le miroir dichroïque 100 vers 15 une lentille 102 qui génère dans le plan 103 d'un capteur CCD une image du disque 100. Pour changer de longueur d'onde, il est utile de pouvoir changer le miroir dichroïque 100. Mais le système est très sensible à une imprécision de son positionnement, qui se traduit par un déplacement de l'image sur le capteur 103. Par conséquence, lorsque ce miroir dichroïque est échangé, les images obtenues sur le capteur 103 pour différentes longueurs d'ondes ne sont pas directement superposables. La Figure 2 montre un microscope équipé de deux caméras permettant d'enregistrer l'image, selon l'art antérieur. Le faisceau lumineux provenant de l'échantillon 200 traverse l'objectif de microscope 201 qui en génère une image à l'infini, et parvient à une zone afocale dans laquelle se trouve plaçé un miroir partiellement réfléchissant 202. La partie du faisceau qui est réfléchie par 202 traverse ensuite la lentille 205 qui forme sur le capteur CCD 206 une image de l'objet 200. La partie du faisceau qui traverse le miroir 25 202 traverse ensuite la lentille 203 qui forme sur le capteur 204 une image de l'objet 200. L'image du capteur 206 par la lentille 205 est à l'infini et l'image du capteur 204 par la lentille 203 est à l'infini. Le miroir 202 est donc en zone afocale pour l'objectif 201 et les lentilles 203 et 205. Il peut souvent être utile de changer le miroir 202. Par exemple: - on peut vouloir utiliser un miroir entièrement réfléchissant de manière à utiliser uniquement le capteur 30 206. - On peut supprimer le miroir pour utiliser uniquement le capteur 204. - On peut répartir la lumière entre les deux capteurs au moyen d'un miroir partiellement réfléchissant. - On peut séparer la lumière en fonction de sa longueur d'onde au moyen d'un miroir dichroïque, pour obtenir une couleur différente sur chaque capteur. Lorsque le miroir 202 est supprimé puis remis en place ou remplaçé par un autre miroir, l'image formée sur le capteur 206 est déplaçée de manière non prévisible du fait des erreurs de positionnement du miroir. Deux images obtenues soit avec des miroirs différents soit avec le même miroir, mais après qu'il ait été supprimé et remis en place, ne se superposent donc pas exactement. La figure 3 représente une partie d'un dispositif de balayage confocal selon l'art antérieur. Un faisceau lumineux traverse un réseau de trous microscopiques 300 puis une lentille 301. Le réseau 300 est dans un plan focal de la lentille 301 et son image par la lentille 301 est donc à l'infini. Le faisceau ayant traversé la lentille 301 est ensuite réfléchi par le miroir partiellement réfléchissant 302 puis il est réfléchi 5 par le miroir galvanométrique 303 et renvoyé vers la lentille 304 qui peut être l'objectif du microscope ou une lentille intermédiaire. La lentille 304 focalise le faisceau issu d'un point du réseau 300 en un point du plan image 307 qui peut être un plan image intermédiaire ou directement un objet observé. Le faisceau revenant de l'objet observé retraverse en sens inverse la lentille 304, est réfléchi par le miroir galvanométrique 303 et traverse le miroir partiellement transparent 302. Il traverse la lentille 305 et parvient à un réseau de trous microscopiques 306 qui a un rôle de filtrage et est plaçé dans un plan focal de la lentille 305. Le miroir partiellement transparent 302 est dans une zone afocale pour les plans 300, 307, 306, c'est-à-dire que des faisceaux focalisés sur des points de ces plans sont parallèles dans la zone afocale ou se trouve le miroir 302. Le plan 300 peut contenir un réseau de trous microscopiques ou être le plan de focalisation des sous-faisceaux ayant traversé un réseau de microlentilles. Il peut éventuellement, dans ce 15 cas, être un plan virtuel (si les faisceaux issus des microlentilles ne sont pas matériellement focalisés en un point réel). Il est possible de remplaçer le réseau de trous 306 par un trou microscopique unique et le réseau 300 par le plan de focalisation éventuellement virtuel d'un faisceau laser. Ce cas correspond à un microscope confocal à balayage par miroir galvanométrique du type le plus courant. Pour que le système fonctionne un point du plan 307 qui est conjugué à un trou du réseau de trous 300 doit également être 20 conjugué à un trou correspondant du réseau 306. Mais la précision de positionnement du miroir 302 est insuffisante pour qu'une telle conjugaison puisse être reproduite lorsque le miroir est remplaçé par un autre ou supprimé puis remis en place. En effet, toute imprécision de positionnement du miroir modifie la direction du faisceau lumineux réfléchi par le miroir, et par conséquence affecte la conjuguaison entre les points du plan 307 et du réseau 300. C'est pourquoi, à chaque fois que le miroir 302 est échangé ou déplaçé, 25 il est nécessaire de réajuster la position d'un des réseaux de trous microscopiques, de manière à conserver la bonne conjuguaison de ces réseaux. L'échange du miroir 302 est nécessaire par exemple, s'il s'agit d'un miroir dichroique, pour changer de longueur d'onde d'excitation. Il peut également y avoir plusieurs lignes d'éclairage distinctes qui parviennent à la zone afocale et correspondent chacune à un miroir les superposant au faisceau principal se dirigeant du plan 307 au plan 306. Dans ce cas, chaque miroir doit être amovible, 30 de manière à ce qu'on puisse utiliser une ligne d'éclairage sans être gêné par le miroir corespondant à une autre ligne d'éclairage. Description de l'invention L'invention a pour objectif de pouvoir, dans un dispositif similaire à ceux des figures 2 ou 3, 35 échanger ou déplaçer le miroir sans pour autant modifier la direction du faisceau réfléchi et donc les relations de conjuguaison optique entre les points, ce sans exiger une précision excessive de positionnement mécanique du miroir. L'objectif de l'invention est de réaliser un ensemble amovible de redirection pouvant remplaçer le miroir tout en conservant de bonnes relations de conjuguaison entre les points lorsqu'il est échangé. A condition que l'ensemble amovible de redirection soit plaçé en zone afocale, le maintien des relations de conjuguaison est équivalent à l'obtention de directions reproductibles des faisceaux. L'invention consiste en un ensemble amovible de redirection pour un faisceau lumineux, comportant un premier miroir pour dévier le faisceau lumineux, et caractérisé par les faits suivants: 5 - il comporte un second miroir parallèle audit premier miroir, pour réfléchir le faisceau lumineux de manière à ce que le second faisceau lumineux retrouve sa direction d'origine après réflexion sur les premier et second miroirs, - ledit second miroir est solidaire du premier miroir, pour que la direction du faisceau lumineux ne soit pas affectée par les erreurs de positionnement de l'ensemble amovible constitué par les premier et second 10 miroirs. Cette invention résout les problèmes mentionnés plus haut. Par exemple, le premier miroir peut être un miroir dichroique et le second miroir peut être un miroir uniquement réfléchissant. Le premier miroir peut également être un miroir partiellement transparent (séparateur de faisceau) ou un miroir uniquement réfléchissant. Si le premier miroir était positionné indépendamment du second, une erreur de positionnement du premier miroir affecterait la direction du second faisceau lumineux, qui ne pourrait donc pas être considérée comme reproductible lorsque le premier miroir est déplaçé hors du chemin optique puis remis en place. Le fait que les deux miroir soient solidaires a pour conséquence que la direction du faisceau en sortie du dispositif n'est pas affectée par les erreurs de positionnement de l'ensemble. En effet, après réflexion sur deux miroirs parallèles entre eux, un faisceau lumineux retrouve exactement sa direction initiale, ce quelque soit l'angle entre le faisceau et les miroirs. Selon une version de l'invention, l'ensemble amovible de redirection permet l'obtention d'une conjuguaison optique entre un premier point et un second point, et entre le premier point et un troisième point, et est plaçé dans une zone afocale dans laquelle les images desdits premier, second et troisième points 25 sont projetées à l'infini, ledit premier miroir étant traversé par le trajet optique reliant le premier et le second point, et le trajet optique reliant le premier et le troisième point comportant une réflexion sur ledit premier miroir et une réflexion sur ledit second miroir. Cette version de l'invention correspond à l'utilisation de l'ensemble de redirection pour résoudre les problèmes illustrés par les figures 1 à 3. En effet, cette configuration résout le problème de l'obtention d'une conjuguaison reproductible entre des points, qui 30 est la principale limitation de l'art antérieur. Selon une version de l'invention, l'ensemble amovible de redirection est inséré dans un dispositif de commutation entre des filtres comprenant un premier moyen pour plaçer ledit ensemble amovible sur le chemin optique d'un faisceau lumineux ou hors du chemin optique d'un faisceau lumineux. En effet, plutôt que de mettre en place manuellement l'ensemble amovible de redirection, il est utile de pouvoir le mettre en 35 place rapidement à l'aide d'un dispositif approprié de commutation. Selon une version de l'invention, le dispositif de commutation entre des filtres comprend également un moyen pour plaçer un second ensemble amovible sur le chemin optique du faisceau lumineux ou hors du chemin optique du faisceau lumineux. En effet il devient alors possible d'alterner entre plusieurs ensembles amovibles utilisant par exemple des miroirs dichroiques différents. Le premier et/ou le second moyen peuvent par exemple être un coulisseau éventuellement motorisé. Il peut également s'agir d'une roue tournant autour d'un axe. Brève description des figures La figure I montre un dispositif de balayage confocal à disque de Nipkow selon l'art antérieur. La figure 2 montre un dispositif d'imagerie à deux caméras suivant l'art antérieur. La figure 3 montre un dispositif de balayage confocal à miroir galvanométrique suivant l'art antérieur. La figure 4 montre un dispositif de balayage confocal suivant l'invention. La figure 5 montre un dispositif d'imagerie à deux caméras suivant l'invention. La figure 6 montre en perspective un ensemble de redirection suivant l'invention. La figure 7 montre le même ensemble en coupe. La figure 8 montre plusieurs ensembles de redirection associés au sein d'un coulisseau de changement de miroirs. La figure 9 montre en coupe un autre type d'ensemble de redirection. La figure 10 montre un coulisseau associant plusieurs ensembles du type représenté sur la figure 9. Mode préféré de réalisation La figure 4 représente le dispositif dans le cas ou il est adapté à un microscope confocal. Le système est identique à celui de la figure 3, mais le miroir 302 a été remplaçé par l'ensemble de redirection constitué par les miroirs solidaires 321 et 320. La figure 5 représente le dispositif dans le cas ou il est adapté à un système d'imagerie à deux caméras. Le système est identique à celui de la figure 2 mais le miroir 202 a 20 été remplaçé par l'ensemble de redirection constitué par les miroirs solidaires 221 et 220. Les figures 6 et 7 montrent un mode de réalisation particulier de l'ensemble de redirection. Celui-ci comporte une pièce de verre 403 comportant une surface 401 sur laquelle est réalisé le premier miroir, et une surface 400 sur laquelle est réalisé le deuxième miroir. Dans le cas ou le premier miroir est dichroïque ou partiellement transparent, il est nécessaire d'utiliser une seconde pièce en verre 402 de manière à ne pas 25 perturber la trajectoire de la partie du faisceau qui traverse le miroir. Les surfaces 401 et 400 correspondent respectivement aux surfaces 221 et 220 de la figure 5, ou 321 et 320 de la figure 4. Comme indiqué sur la figure 8, plusieurs ensembles de redirection indépendants 410, 411, 412, peuvent être associés dans un coulisseau 414 permettant de les amener successivement dans le trajet optique. L'ensemble peut également comporter un "faux" ensemble de redirection 413 qui est entièrement traversé par le faisceau et qui est donc 30 utilisé quand on souhaite que le faisceau traverse le système sans modification. Eventuellement, le coulisseau peut ne comporter qu'un seul ensemble de redirection 412 en plus de l'ensemble 413, et dans ce cas il sert simplement à positionner ou supprimer l'ensemble de redirection. En règle générale, il est souhaitable d'avoir une très grande précision dans le parallélisme des faces 400 et 401 de manière à éviter que deux ensembles de redirection distincts dirigent le faisceau dans des directions différentes. Toutefois, 35 dans le cas ou seulement un ensemble de redirection 413 est utilisé, cette précision est moins essentielle car elle affecte peu la reproductibilité des propriétés de conjuguaison lorsque le même ensemble est mis en place, enlevé et remis en place. Les faces 404, 406, 405 doivent également être parfaitement parallèles entre elles. La figure 9 montre un autre type d'ensemble de redirection selon l'invention. Celui-ci comprend un support 500 perçé de trous pour laisser passer le faisceau lumineux, sur lequel sont positionnés un premier miroir 501 et un second miroir 502. Le faisceau lumineux entre dans l'ensemble de redirection par le trou 504, est réfléchi au moins partiellement par le miroir 501, est réfléchi par le miroir 502, et quitte le dispositif par le trou 503. Les miroirs 501 et 502 sont réalisés par dépôt d'une couche réfléchissante sur des lames de verre. Ils sont maintenus en appui sur les surface du support 500 par des éléments en acier à ressort, par exemple 505 et 506, qui appliquent une pression sur la périphérie des miroirs. Ils peuvent également être fixés par une fine couche de colle. Si le support 500 est lui-même en verre, un " collage moléculaire " est également possible. Plusieurs ensembles de redirection peuvent être associés en un seul 10 coulisseau. Dans ce cas il est utile de réaliser en une seule pièce plusieurs supports du type indiqué par la figure 9. Par exemple la figure 10 montre un support multiple 520, comportant des premiers miroirs partiellement transparents 511 à 514 correspondant au miroir 501 de la figure 9, un trou 510, et des trous 521 à 525 correspondant au trou 503 de la figure 9. Une bonne planéité des surfaces du support multiple ainsi réalisé suffit en effet pour obtenir une bonne reproductibilité de la direction du faisceau, ce même lorsque plusieurs miroirs partiellement transparents sont successivement utilisés et lorsque un léger défaut de parallélisme subsiste entre les surfaces des deux miroirs 400, 401. Les coulisseaux peuvent être motorisés. Toutefois il est également possible de monter plusieurs ensembles de redirection sur une roue tournant autour d'un axe, ce qui permet de diminuer les frottements par rapport à un système de coulisseau et donc de faciliter la motorisation. 20 Applications industrielles Le dispositif décrit peut être appliqué à divers types de systèmes d'imagerie, en particulier à des microscopes optiques confocaux ou non. Revendications (112) 1-Ensemble amovible de redirection pour un faisceau lumineux, comportant un premier miroir pour dévier le faisceau lumineux, et caractérisé par les faits suivants: - il comporte un second miroir parallèle audit premier miroir, pour réfléchir le faisceau lumineux de manière à ce que le second faisceau lumineux retrouve sa direction d'origine après réflexion sur les premier et second miroirs, - ledit second miroir est solidaire du premier miroir, pour que la direction du faisceau lumineux ne soit pas 10 affectée par les erreurs de positionnement de l'ensemble amovible constitué par les premier et second miroirs. 2- Ensemble amovible suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit premier miroir est un miroir dichroïque et ledit second miroir est un miroir uniquement réfléchissant. 15 3- Ensemble amovible suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit premier miroir est un miroir partiellement transparent et ledit second miroir est un miroir uniquement réfléchissant. 4- Ensemble amovible suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit premier miroir est un 20 miroir uniquement réfléchissant et ledit second miroir est un miroir uniquement réfléchissant. 5- Ensemble amovible selon une des revendications 1 à 4, permettant l'obtention d'une conjuguaison optique entre un premier point et un second point, et entre le premier point et un troisième point, caractérisé par le fait que ledit ensemble est plaçé dans une zone afocale dans laquelle les images desdits premier, second et 25 troisième points sont projetées à l'infini, ledit premier miroir étant traversé par le trajet optique reliant le premier et le second point, et le trajet optique reliant le premier et le troisième point comportant une réflexion sur ledit premier miroir et une réflexion sur ledit second miroir, 6- Ensemble amovible selon une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il est inséré dans un 30 dispositif de commutation entre des filtres comprenant un premier moyen pour plaçer ledit ensemble amovible sur le chemin optique d'un faisceau lumineux ou hors du chemin optique d'un faisceau lumineux. 7- Ensemble amovible selon la revendications 6, caractérisé par le fait qu'il est inséré dans un dispositif de commutation entre des filtres comprenant un second moyen pour plaçer un second ensemble amovible sur le 35 chemin optique du faisceau lumineux ou hors du chemin optique du faisceau lumineux. Revendications (2/2) 8- Ensemble amovible suivant une des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que ledit premier et/ou second moyen est un coulisseau. 9- Ensemble amovible suivant une des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que ledit premier et/ou second moyen est une roue tournant autour d'un axe et sur laquelle sont monté les ensembles de redirection.