Brevet FR2847668A1 — publié le 20040528

I La présente invention concerne un spectromètre axial à haute résolution spatiale et spectrale dont le domaine spectral d'observation est variable. Les spectromètres à élément dispersif fixe présentent de nombreux intérêts notamment en ce qui concerne la compacité, la simplicité du dispositif et donc sa stabilité mécanique. Ces spectromètres sont donc naturellement mis en oeuvre dans une majorité des montages permettant l'étude de la composition spectrale des ondes émises par des sources lumineuses (échantillons irradiés, Raman, Fluorescence, Photoluminescence, .). Parmi ces spectromètres, le spectromètre axial présente les qualités supplémentaires 10 d'un spectromètre imageur à haute résolution spatiale. Cette résolution spatiale..DTD: autorise le positionnement à son entrée d'un grand nombre de points sources sur un axe perpendiculaire à l'axe de dispersion. L'obtention simultanée des spectres de chacun de ces points sources est ainsi rendue possible sur le plan image du spectromètre. Pour cela, le spectromètre axial utilise les qualités du grisme (ou prisme de Carpenter). Il s'agit d'un élément dispersif qui est réalisé en appliquant un réseau en transmission sur l'hypoténuse d'un prisme à angle droit. Le rôle du prisme est alors de compenser pour une longueur d'onde la déviation produite par le réseau. On obtient ainsi un étalement du spectre de part et d'autre de la 20 direction définie par le faisceau incident. En général, la longueur d'onde non déviée est proche du milieu du spectre. Elle est dite centrale. Le spectromètre axial permet l'observation dans l'axe du faisceau incident, ce dernier pénétrant perpendiculairement dans le prisme. L'utilisation du grisme permet de fortement améliorer les qualités d'images du spectromètre. En effet, la présence du 25 prisme devant le réseau diminue fortement les aberrations à la longueur d'onde non déviée. La Figure 1 est une représentation schématique d'un spectromètre axial tel que mis en oeuvre dans un dispositif de l'art antérieur. Le spectromètre axial comporte un premier objectif 1, une optique de collimation, qui collimate la 30 lumière 2 émise par une source de lumière 3 et provenant de l'entrée du spectromètre pour la diriger vers un grisme 4 ayant un axe de dispersion. Un second objectif 5, une optique de focalisation fait l'image du spectre sur un système de détection 6 qui peut être un détecteur linéaire ou matriciel de type capteur à transfert de charges (CCD). Cependant l'inconvénient majeur intrinsèque à ce spectromètre réside dans le fait que le domaine spectral d'observation est figé. Un spectromètre à élément dispersif fixe ne permet en effet d'observer qu'une plage de longueur d'onde X prédéterminée. Les paramètres du spectromètre sont calculés pour une longueur d'onde non déviée, dite longueur d'onde centrale, et un domaine spectral qui pour un détecteur de largeur d suivant l'axe de dispersion est donné de façon approchée par la relation suivante: Xi =(n d 1) x cos(A) Nxf o Xf est la longueur d'onde maximum observée, Xi la longueur d'onde minimum observée, N le nombre de traits/mm du réseau 7, f la distance focale de l'objectif et A l'angle au sommet du prisme 8 et n l'indice de réfraction du matériau constituant le prisme. Le spectromètre axial de l'art antérieur est donc conçu pour une application précise, ce qui le rend très peu polyvalent. L'objectif de la présente invention est de proposer un spectromètre axial simple dans sa conception et dans son mode opératoire, rapide et économique permettant de faire varier le domaine spectral d'observation et de mesurer un objet avec une haute résolution spatiale et spectrale, en augmentant la dispersion linéique du spectromètre pour un domaine spectral donné. Un tel spectromètre est particulièrement utile pour les analyses de la police scientifique, les analyses des objets d'art, en archéologie et en gemmologie. Un tel spectromètre permet aussi un suivi en ligne et en temps réel des réactions chimiques en laboratoire ou dans les installations industrielles. A cet effet, l'invention concerne un spectromètre axial comportant au moins un point source envoyant un faisceau lumineux sur un premier élément optique ayant un plan focal objet, chaque point source étant placé dans le plan focal objet du premier élément optique, ledit premier élément optique 30 collimatant le ou lesdits faisceaux lumineux vers un grisme ayant un axe de dispersion et un deuxième élément optique focalisant le ou lesdits faisceaux lumineux dispersés sur des moyens de détection placés dans le plan focal image du deuxième élément optique. Selon l'invention, le ou les points sources peuvent prendre différentes positions dans le plan focal objet du premier élément optique, chaque position d'un point source définissant une longueur d'onde centrale. Dans différents modes de réalisation, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - le spectromètre axial comprend des moyens pour déplacer un point source dans le plan focal objet du premier élément optique, - le spectromètre axial comprend un ensemble de points source placés dans le plan focal objet du premier élément optique, - l'ensemble des points sources forme une matrice NxN de sources Si] (i,j=1 à N), - seules les sources Sij avec i=j sont des sources émettrices d'un faisceau lumineux, - les moyens de détection comprennent un capteur à transfert de charges (CCD), - les moyens de détection comprennent un détecteur monocanal, - les premier et deuxième éléments optiques comprennent des objectifs, - les points sources sont des coeurs de fibres optiques. L'invention concerne également un dispositif de spectroscopie Raman ou de spectroscopie par fluorescence pour l'analyse d'un échantillon. Selon l'invention, ledit dispositif comprend un spectromètre axial tel que décrit précédemment. L'invention concerne enfin un dispositif de spectroscopie par photoluminescence. Selon l'invention, ce dispositif comprend un spectromètre axial tel que décrit précédemment. L'invention peut permettre la réalisation d'images spectrales. Dans différents modes de réalisation possibles, l'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un spectromètre axial de l'art antérieur; - la figure 2 est une représentation schématique d'un grisme sur lequel est incident, normalement à la face d'entrée du prisme, un faisceau lumineux; - la figure 3 montre un schéma de principe (fig. 3a) et un exemple de 35 mise en oeuvre (fig. 3b-c) d'un spectromètre axial dans un mode de réalisation de la présente invention. La fig. 3b) montre ledit spectromètre avec son enveloppe tubulaire et la fig. 3c) représente schématiquement une coupe suivant l'axe A - A dudit spectromètre axial; la figure 4 est un exemple de mise en oeuvre de l'invention montrant la variation du domaine spectral d'observation (en nm) en fonction de l'angle d'incidence (en degré) du faisceau lumineux sur le grisme du spectromètre axial; - la figure 5 est un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention montrant l'acquisition simultanée sur le plan image du spectromètre axial de spectres dans des domaines spectraux d'observation différents; - la figure 6 est un troisième exemple de mise en oeuvre de l'invention montrant l'acquisition simultanée sur le plan image du spectromètre axial d'un spectre de référence et d'un spectre mesuré. Le spectromètre axial tel que représenté sur la figure 3a) comporte au 15 moins un point source lumineux 3 émettant un faisceau 2. Ces points sources 3, 31,..., 39 sont, par exemple, des fibres optiques ou des fentes. Le ou lesdits faisceaux lumineux 2, 21,..., 29 émis sont envoyés sur un premier élément optique 1 ayant un plan focal objet qui les collimate sur un grisme 4 ayant un axe de dispersion. A la sortie du grisme 4, un deuxième élément optique 5 20 focalise le ou lesdits faisceaux lumineux dispersés 9, 91,...., 99 sur des moyens de détection 6 placés dans le plan focal image du deuxième élément optique 5. Dans un mode de réalisation, les moyens de détection 6 comprennent un capteur à transfert de charges (CCD) comportant une matrice de pixels. Chacun des points du détecteur est repéré par un couple de 25 coordonnées (x, y). Les signaux d'intensité ls(x, y, XI) mesurés en chaque point pour une longueur d'onde ?j donnée sont envoyés sur un ordinateur. Ces signaux sont ensuite traités numériquement par un logiciel. Dans un autre mode de réalisation, les moyens de détection 6 comprennent un détecteur monocanal, par exemple un photomultiplicateur. Les premier et deuxième 30 éléments optiques 1, 5 comprennent soit des objectifs, soit des lentilles. La figure 3 b) montre un exemple de réalisation d'un spectromètre axial selon l'invention, représenté avec une enveloppe tubulaire protectrice 10. Cette enveloppe 10 est réalisée, par exemple, en métal. La figure 3 c) montre schématiquement une coupe transversale suivant l'axe A - A dudit spectromètre axial. Le ou les points sources 3, 31,..., 39 peuvent prendre différentes positions dans le plan focal objet du premier élément optique, chaque position d'un point source 3, 31,..., 39 définissant une longueur d'onde centrale. Dans un mode de réalisation, le spectromètre axial comprend des moyens pour déplacer un point source 3, 31,..., 39 dans le plan focal objet du premier élément optique 1. Par le déplacement dudit point source, il est possible de faire de varier l'angle d'incidence du faisceau lumineux émis par rapport à la normale à la face d'entrée du grisme. Cette variation de l'angle d'incidence permet le changement du domaine spectral observé dans ledit 10 spectromètre axial. Ces moyens pour déplacer un point source comprennent, par exemple, un élément mécanique de translation d'une source. Cette caractéristique ouvre de nombreuses possibilités en particulier pour la mesure du spectre 22 étudié par rapport à un spectre 21 (complexe ou simple) de référence ou pour la calibration. Un flux lumineux dont le spectre 21 est pris comme référence peut entrer dans le spectromètre par une fibre 18 et être lu sur une ligne du détecteur 17, le spectre mesuré 22 étant amené par une autre fibre 181 et lu sur une autre ligne 171. Les dérives produites par l'environnement commun ou par le spectromètre se traduisent de la même manière sur le spectre de référence et sur le spectre mesuré et sont alors sans effet sur la mesure. Au contraire la dérive du spectre mesuré 22 par rapport au spectre de référence 21 peut être le signe d'un phénomène physique qu'il est ainsi possible de mesurer. Lorsque la référence est une raie, par exemple une raie laser qui peut 25 être celle de la source d'excitation Raman, on peut ainsi extraire avec une très bonne précision les intervalles spectraux entre la raie de référence et chaque point du spectre mesuré. Ces intervalles sont souvent caractéristiques du produit analysé. On s'affranchit ainsi de la dérive toujours possible de la raie d'excitation. Dans un autre mode de réalisation, ledit spectromètre comprend plusieurs points sources 3, 31,.. ., 39 qui sont placés dans le plan focal objet du premier élément optique 1. Avantageusement, l'ensemble des points sources forme une matrice N x N de sources Sij (ij=1 à N). Il est alors possible de choisir un angle d'incidence particulier pour un faisceau lumineux en 35 sélectionnant une source (ou un ensemble de sources) émettrice S1j donnée, la sélection de ladite ou desdites sources étant, par exemple, assurée par un routeur optique. L'angle d'incidence de chacun des faisceaux lumineux émis dans le plan focal objet du premier élément optique peut être indépendamment varié. Ainsi non seulement plusieurs spectres peuvent-ils être observés simultanément mais ces spectres peuvent se trouver dans des domaines spectraux différents. Dans un mode de réalisation, seules les sources S1j avec i=j sont des sources émettrices d'un faisceau lumineux. Une approche théorique a été développée pour expliquer la variation de la longueur d'onde X d'un faisceau lumineux 2 incident sous un angle i sur un 10 grisme 4, ledit angle i étant repéré par rapport à la normale à la face d'entrée d'un prisme 8 d'indice optique n. La relation entre l'an. gle d'incidence i et l'angle de réfraction r du faisceau lumineux dans le prisme, donnée par la loi de SnellDescartes, est sin (i) = n sin (r). L'angle a d'incidence sur le réseau 7 du faisceau peut encore s'écrire (Ar), o A est l'angle au sommet du prisme. A la 15 sortie du grisme 4, la longueur d'onde Xc non déviée, dite longueur d'onde centrale, suit alors la relation suivante: X.0(r) = x[ nxsin(A-r)-sinrA] N o N est le nombre de traits du réseau 7 par unité de longueur (en mm). Cette relation peut être réécrite pour faire apparaître l'angle d'incidence i du faisceau lumineux 2 sur la face d'entrée dudit grisme 4: C x [n x sin(A - (Arc sin(sin(i)/n))) - sin A] N Cette relation montre donc qu'en faisant varier l'angle d'incidence i par déplacement de la source émettrice dans le plan focal du premier élément optique 1, on modifie la longueur d'onde centrale X.. Le spectromètre axial permet également d'augmenter la dispersion linéique et par conséquent la résolution du spectromètre pour un domaine 30 spectral d'observation donné. Le spectromètre axial selon l'invention présente donc non seulement les qualités d'un imageur à haute résolution spatiale mais également une haute résolution spectrale. Il permet donc l'obtention d'image spectrométrique pour le domaine médical ou pour le domaine industriel. Le spectromètre axial tel que décrit précédemment peut avantageusement être utilisé dans le domaine de l'imagerie médicale, les dispositifs de spectrométrie Raman et spectrométrie par photoluminescence. Le spectromètre axial 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 spectromètre axial pour obtenir la variation du domaine spectral d'observation 10 initialement compris entre 532 nm et 665 nm. L'axe des abscisses 11 représente l'angle d'incidence (en degré) d'un faisceau lumineux émis par une source sur le grisme du spectromètre axial. L'angle d'incidence est considéré par rapport à un axe normal à la face d'entrée du grisme, L.e. que l'angle d'incidence O' correspond à un faisceau lumineux pénétrant normalement dans 15 le grisme. L'axe des ordonnées 12 représente la longueur d'onde en nanomètre (nm). Un première courbe 13 (losange + trait plein) montre la variation de la longueur d'onde centrale, une seconde courbe 14 (triangle + trait plein) montre la variation de la longueur d'onde maximale tandis qu'une troisième courbe 15 (carré + trait plein) représente la variation de la longueur d'onde minimale en fonction de l'angle d'incidence du faisceau lumineux. Exemple 2 La Figure 5 est un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention montrant l'acquisition simultanée sur le plan image 16 du spectromètre axial de spectres 17, 171,..., 175 dans des domaines spectraux d'observation 25 - différents. Cette acquisition -est obtenue par le positionnement selon une diagonale de coeurs de fibres 18, 181,..., 185 dans le plan objet du spectromètre 19. Un mode de réalisation d'un tel dispositif est obtenu par un ensemble de points sources comprenant des coeurs de fibres 18, 181,..., 185 formant une matrice (6x6) de sources S1j (i, j=1 à 6) dans laquelle seules les 30 sources Si] avec i=j sont des sources émettrices d'un faisceau lumineux. La flèche 20 donne la direction de l'axe de dispersion. Ainsi, l'invention permet la réalisation d'un spectromètre compacte, robuste et stable à haute résolution. Il ne comprend aucun élément mobile et est donc susceptible d'applications variées. Exemple 3 La figure 6 est un troisième exemple de mise en oeuvre de l'invention montrant l'acquisition simultanée sur le plan focal image 16 du spectromètre axial d'un spectre de référence 21 et d'un spectre mesuré 22. Les spectres de référence 21 et mesuré 22 sont dans des domaines spectraux d'observation différents, respectivement [Xi, M21 et [X3, 4]. Cette acquisition est obtenue par un positionnement adapté de deux coeurs de fibres 18, 181 dans le plan focal objet du spectromètre 19. La flèche 20 donne la direction de dispersion. Le spectre de référence 21 est obtenu par la dispersion du faisceau émis par la source de référence, i.e. le coeur de fibre 18. Le spectre mesuré 22 est obtenu 10 par la dispersion du faisceau émis par la source de mesure, i.e. le coeur de fibre 181. La figure 6 b) montre la dérive AI, du spectre de référence 21, obtenu à un instant t1 par rapport au spectre de référence 21' obtenu à un instant t2. Des 15 moyens de traitement permettent de comparer le spectre de référence 21 mesuré à l'instant t1 avec le spectre de référence 21' mesuré à l'instant t2 et de déterminer ainsi la dérive AI, introduite par un phénomène indépendant de la substance mesurée, par exemple instabilité mécanique du spectromètre, dérive du laser. La dérive AI, représente alors la dérive introduite par le système de mesure complet. La figure 6 c) montre la dérive AX2 du spectre mesuré 22 obtenu à l'instant t1 par rapport au spectre mesuré 22' obtenu à l'instant t2. Des moyens de traitement permettent de comparer le spectre 22 mesuré à l'instant t1 avec le 25 spectre 22' mesuré à l'instant t2 et de déterminer ainsi la dérive Ak2 observée entre les instants t1 et t2. La dérive A%2 est le résultat d'une dérive AX1 indépendante de la substance mesurée et éventuellement d'une dérive supplémentaire AX2' directement liée à la mesure. L'information obtenue sur la dérive AI, du spectre de référence permet 30 de distinguer lesdites dérives et ainsi d'obtenir une information exacte sur la dérive réelle du spectre mesuré en éliminant les erreurs de mesure toujours possible introduites par la dérive du système de mesure lui-même. REVENDICATIONS 1. Spectromètre axial comportant au moins un point source (3, 31,.... 39) envoyant un faisceau lumineux (2, 21,..., 29) sur un premier élément optique (1) ayant un plan focal objet, chaque point source points sources (3, 31,..., 39) étant placé dans le plan focal objet du premier élément optique (1), ledit premier élément optique (1) collimatant le ou lesdits faisceaux lumineux (2, 21,..., 29) vers un grisme (4) ayant un axe de dispersion et un deuxième élément optique (5) focalisant le ou lesdits faisceaux lumineux dispersés (9, 91,..., 99) sur des moyens de détection (6) placés dans le plan focal image du deuxième élément optique (5), caractérisé en ce que le ou les points sources points sources (3, 31,..., 39) peuvent prendre différentes positions dans le plan focal objet du premier élément optique (1), chaque position d'un point source points sources (3, 31, 15..., 39) définissant une longueur d'onde centrale. 2. Spectromètre axial selon la revendication 1 caractérisé en ce que le spectromètre axial comprend des moyens pour déplacer un point source (3, 31,..., 39) dans le plan focal objet du premier élément optique (1). 3. Spectromètre axial selon la revendication 1 caractérisé en ce que le spectromètre axial comprend un ensemble de points sources (3, 31,...., 39) placé dans le plan focal objet du premier élément optique (1). 4. Spectromètre axial selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'ensemble des points sources (3, 31,..., 39) forme une matrice NxN de sources Sij (i, j=1 à N). 5. Spectromètre axial selon la revendication 4 caractérisé en ce que seules les sources Sij avec i=j sont des sources émettrices d'un faisceau lumineux (2, 21,..., 29). 6. Spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les moyens de détection (6) comprennent un capteur à transfert de charges (CCD). 7. Spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de détection (6) comprennent un détecteur monocanal. 8. Spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les premier (1) et deuxième éléments optiques (5) comprennent des objectifs. 9. Spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les points sources (3, 31,..., 39) sont des coeurs de fibres optiques. 10. Dispositif de spectroscopie Raman pour l'analyse d'un échantillon caractérisé en ce qu'il comprend un spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 11. Dispositif de spectroscopie par photoluminescence caractérisé en ce qu'il comprend un spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 12. Dispositif de spectrométrie par fluorescence caractérisé en ce qu'il comprend un spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.