Brevet FR2861471A1 — publié le 20050429

Dispositif optique confocal avec changement de miroir Domaine Technique Il s'agit d'un dispositif optique confocal comprenant un moyen pour changer le miroir de séparation qui sépare le faisceau d'éclairage dirgé vers l'objet observé du faisceau à détecter provenant de l'objet observé. Technique antérieure La figure 1 représente une partie d'un dispositif de optique confocal selon l'art antérieur. Un faisceau lumineux issu d'un laser 308 est élargi et collimaté par des lentilles 300, 301. Le faisceau d'éclairage FE ayant traversé la lentille 301, qui est sensiblement parallèle, est ensuite réfléchi par le miroir partiellement réfléchissant 302 puis il est renvoyé vers la lentille 304 qui peut être l'objectif du microscope ou une lentille intermédiaire. La lentille 304 focalise le faisceau d'éclairage issu d'un point du réseau 300 en un point éclairé du plan image 307 qui peut être un plan image intermédiaire ou directement un objet observé. Le faisceau à détecter FD revenant du point éclairé retraverse en sens inverse la lentille 304 et traverse le miroir partiellement transparent 302. Il traverse la lentille 305 et parvient à un trou microscopique 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, c'est-à-dire que le faisceau d'éclairage et le faisceau à détecter sont sensiblement parallèles dans cette zone. Pour que le système fonctionne le point éclairé doit être conjugué au trou microscopique. Mais la précision de positionnement du miroir 302 est insuffisante pour qu'une telle conjugaison puisse être reproduite de manière fiable 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 d'éclairage réfléchi par le miroir, et par conséquence déplace le point d'éclairage qui cesse d'être conjugué au trou microscopique. L'échange du miroir 302 est nécessaire par exemple, s'il s'agit d'un miroir dichroïque, pour changer de longueur d'onde d'excitation. Il peut également y avoir plusieurs lignes d'éclairage distinctes qui parviennent à la zone afocale sont chacune superposées au faisceau à détecter par un miroir. Dans ce cas, chaque miroir doit être amovible, 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. Par simplification on n'a pas fait figurer sur la figure 1 le dispositif de balayage qui peut par exemple être une paire de miroirs galvanométrique ou un dispositif de translation de l'échantillon. La figure 1 peut être immédiatement adaptée au cas d'un éclairage multipoints en remplaçant la lentille 300 par un réseau de microlentille, et en remplaçant le trou microscopique 306 par un réseau de trous microscopiques. Le problème de la perte de conjuguaison entre le point de focalisation du faisceau d'éclairage dans l'objet, qui est conjugué au point de focalisation virtuel du laser d'éclairage, et le trou microscopique de filtrage, lors d'un changement de miroir dichroïque est habituellement résolu de diverses manières: a) en agrandissant considérablement l'image se formant dans le plan 306 de manière à remplaçer le trou microscopique par un trou de dimensions plus élevées et en plaçant le miroir dichroïque à proximité de ce trou et non pas en zone afocale. Cette solution rallonge notablement les chemins optiques et n'est pas transposable au cas d'un réseau de trous microscopiques (éclairage multipoints). En effet dans ce dernier cas, aggrandir un l'image implique d'aggrandir tout le réseau de trous microscopiques, ce qui mène à des dimensions du réseau qui sont incompatibles avec les dimensions normales d'un dispositif confocal. b) en prévoyant un système de réajustement de la position du trou microscopique. c) en combinant les solutions précédentes pour éviter des réajustements trop importants ou trop fréquents, 5 sans rallonger excessivement le chemin optique. d) en faisant passer le faisceau d'éclairage par le trou microscopique, et en plaçant le miroir dichroïque avant le trou microscopique sur le chemin du faisceau d'éclairage, donc après le trou microscopique sur le chemin du faisceau revenant de l'objet. Cette solution simplifie le système mais ne permet pas de régler la taille du trou microscopique sans affecter également le faisceau d'éclairage, et ne permet pas non plus de corriger les différences d'aberration chromatique entre le faisceau d'éclairage et le faisceau à détecter revenant de l'objet observé. Elle se traduit donc par une diminution de la qualité des images obtenues. Description de l'invention L'invention a pour objectif de résoudre le problème de la perte de conjuguaison entre le point de focalisation du faisceau d'éclairage dans l'objet, en évitant les défauts caractérisant les techniques mentionnées plus haut, et d'une manière qui soit compatible avec l'utilisation d'un éclairage multipoints. L'invention consiste en un dispositif optique confocal pour éclairer un point observé à l'aide d'un faisceau d'éclairage provenant d'une source d'éclairage et focalisé sur le point observé, et pour focaliser sur un trou microscopique un faisceau à détecter provenant du point observé, comprenant un miroir de séparation traversé par un premier faisceau et réfléchissant un deuxième faisceau, un des premier et deuxième faisceau étant le faisceau d'éclairage, et l'autre étant le faisceau à détecter, le dispositif comportant un moyen pour déplaçer le miroir de séparation, permettant d'insérer le miroir de séparation dans le trajet optique ou de le plaçer hors du trajet optique, pour permettre la suppression du miroir de séparation et son remplacement par un autre miroir, le dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte un miroir de renvoi parallèle au miroir de séparation et réfléchissant le deuxième faisceau, le miroir de séparation et le miroir de renvoi étant solidaires l'un de l'autre et constituant ensembles un bloc de redirection qui est déplaçé d'un seul tenant par le moyen pour déplaçer le miroir de séparation. Cette invention résout les problèmes mentionnés plus haut. Par exemple, le miroir de séparation peut être un miroir dichroïque et le miroir de renvoi peut être un miroir uniquement réfléchissant. Le miroir de séparation peut également être un miroir partiellement transparent (séparateur de faisceau) ou un miroir uniquement réfléchissant. Si le miroir de séparation était positionné indépendamment du miroir de renvoi, une erreur de positionnement du miroir de séparation affecterait la direction du second faisceau lumineux, qui ne pourrait donc pas être considérée comme reproductible lorsque le miroir de séparation 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. -3 - L'invention est adaptée aussi bien à des systèmes monopoint qu'à des systèmes multipoints. Toutefois dans le cas de systèmes multipoints la seule technique appliquable dans l'état de l'art est le réajustement systématique de la position des trous microscopiques, ce qui est une technique coûteuse et difficile à mettre en uvre. L'invention est donc particulièrement utile à des systèmes multipoints, auquel cas le dispositif optique suivant l'invention comporte des moyens pour éclairer une pluralité de points observés à l'aide d'une pluralité de faisceaux d'éclairage, et pour focaliser sur une pluralité de trous microscopiques une pluralité de faisceaux à détecter provenant chacun d'un point observé, ledit miroir de séparation étant traversé par une pluralité de premiers faisceaux, lesdits miroirs de séparation et de renvoi réfléchissant une pluralité de seconds faisceaux, lesdits premiers faisceaux étant les faisceaux d'éclairage et lesdits seconds faisceaux étant les faisceaux à détecter, ou lesdits premiers faisceaux étant les faisceaux à détecter et lesdits seconds faisceaux étant les faisceaux d'éclairage. Le bloc de redirection peut être réalisé de diverses manières mais pour pouvoir effectivement échanger différents dichroïques, il est nécessaire que tous les blocs échangeables génèrent les mêmes variations de direction des faisceaux, ce avec une très grande précision. Ceci est difficile à réaliser avec des blocs de redirection comportant plusieurs pièces assemblées ou réalisés suivant des dessins complexes. Selon une version préférée de l'invention, le miroir de séparation et le miroir de renvoi sont plaçés sur deux faces opposées d'une laine à faces parallèles. Cette lame est disposée pour que le trajet optique du deuxième faisceau comporte successivement une première traversée de la laine à faces parallèles, une réflexion un premier miroir, une seconde traversée de la lame à faces parallèles, une réflexion sur un deuxième miroir, et une troisième traversée de la lame à faces parallèles, un des premier et deuxième miroir étant le miroir de renvoi et l'autre étant le miroir de séparation. Le miroir de séparation et le miroir de renvoi sont par exemple réalisés par dépôts de couches minces sur la lame à faces parallèles. Dans ces conditions, un bon parallélisme des faces des lames constituant plusieurs blocs de redirection suffit à assurer l'interchangeabilité de ces blocs. Ceci est aisément réalisable dans un atelier d'optique. Le miroir de séparation peut être par exemple un miroir dichroïque ou un miroir partiellement transparent neutre en longueur d'onde. Le miroir de renvoi est de préférence un miroir totalement réfléchissant. Afin de pouvoir changer effectivement de filtre le dispositif selon l'invention comprend de préférence une pluralité de systèmes de redirection constitués chacun d'un miroir de séparation et d'un miroir de renvoi correspondant, et un moyen pour plaçer alternativement l'un ou l'autre des systèmes de redirection sur le chemin optique. Ce moyen peut être par exemple un coulisseau ou une roue tournant autour de son axe. Brève description des figures La figure 1 montre un dispositif optique confocal selon l'art antérieur. La figure 2 montre un dispositif optique confocal suivant l'invention. La figure 3 montre en perspective un bloc de redirection suivant l'invention. La figure 4 montre le même ensemble en coupe. La figure 5 montre plusieurs ensembles de redirection associés au sein d'un coulisseau de changement de miroirs. La figure 6 montre en coupe un autre type de bloc de redirection. La figure 7 montre un coulisseau associant plusieurs ensembles du type représenté sur la figure 6. La figure 8 montre un type préféré de bloc de redirection. La figure 9 montre l'association dans un coulisseau de plusieurs blocs de redirection du type représenté sur la figure 8. La figure 10 montre un dispositif confocal monopoint suivant l'invention utilisant le bloc de redirection de la figure 8. La figure 11 montre un dispositif confocal multipoints suivant l'invention utilisant le bloc de redirection de la figure 8. Mode préféré de réalisation La figure 2 représente une réalisation simple du dispositif suivant l'invention dans le cas ou il est adapté à un microscope confocal. Le système est identique à celui de la figure 1, mais le miroir de séparation 302 a été remplaçé par le bloc de redirection constitué par le miroir de séparation 321 et le miroir de renvoi 320 et situé en zone afocale. Les figures 3 et 4 montrent un mode de réalisation particulier du bloc de redirection. Celui-ci comporte une pièce de verre 403 comportant une surface 401 sur laquelle est réalisé le miroir de séparation, et une surface 400 sur laquelle est réalisé le miroir de renvoi. Dans le cas ou le miroir de séparation est dichroïque ou partiellement transparent, il est nécessaire d'utiliser une seconde pièce en verre 402 de manière à ne pas perturber la trajectoire de la partie du faisceau qui traverse le miroir. Les trajets optiques des faisceaux d'éclairage FE et de détection FD ont été représentés par des pointillés. Comme indiqué sur la figure 5, plusieurs ensembles de redirection indépendants 410, 411, 412, peuvent être associés dans un coulisseau 414 permettant de les amener successivement dans le trajet optique. Eventuellement, le coulisseau peut ne comporter qu'un seul bloc de redirection 412 en plus de l'ensemble 413, et dans ce cas il sert simplement à positionner ou à supprimer le bloc de redirection. En règle générale, il est souhaitable d'avoir une très grande précision dans le parallélisme entre les faces 400 et 401 et dans le parallélisme entre les faces 404 et 406 de manière à éviter que deux ensembles de redirection distincts dirigent lé faisceau dans des directions différentes. Toutefois, dans le cas ou seulement un bloc 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 6 montre un autre type de bloc 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 miroir de séparation 501 et un miroir de renvoi 502. Le faisceau d'éclairage passe par le trou 503, est réfléchi par le miroir de renvoi 502, est réfléchi par le miroir de séparation 501, et quitte le dispositif par le trou 504. Les miroirs 501 et 502 sont réalisés par dépôt d'une couche réfléchissante sur des larnes 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 coulisseau. Dans ce cas, pour que ces ensembles soient aisément interchangeables, il est nécessaire que le parallélisme entre les surfaces sur lesquelles sont positionnés respectivement le miroir de redirection 502 et le miroir de séparation 501 soit réalisé avec une précision extrême. Cette contrainte peut être allégée en réalisant en une seule pièce plusieurs supports du type indiqué par la figure 6. Par exemple la figure 7 montre un support multiple 520, comportant des premiers miroirs partiellement transparents 511 à 514 correspondant au miroir 501 de la figure 6, un trou 510, et des trous 521 à 525 correspondant au trou 503 de la figure 6. 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 501, 502. Toutefois, la mise en position des miroirs de séparation et de renvoi sur leurs surfaces d'appui reste difficile à réaliser avec la précision nécessaire. 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. La figure 8 montre un mode de réalisation préféré du bloc de redirection permettant de réaliser sans difficultés techniques excessives un bloc de redirection indépendant et aisément interchangeable. En effet, les modes de réalisation décrits précédemment sont difficiles à mettre en uvre avec la précision nécessaire pour que des ensembles de redirection distincts soient interchangeables sans perturber les relations de conjuguaison point à point entre les différents plans images du dispositif de l'invention. Le bloc de redirection représenté figure 8 résout ce problème. Il est constitué d'une lame à faces parallèles 600, suffisamment épaisse, sur laquelle le miroir de séparation 602 est réalisé par dépôt d'une couche mince (par exemple un dépôt multicouches dans le cas d'un miroir dichroïque) et le miroir de renvoi 603 est également réalisé par dépôt d'une couche mince (typiquement une couche métallique ou un dépôt multicouches). Le faisceau d'éclairage FE pénètre dans la lame à face parallèles sur une face 604 qui peut être traitée antiréflexion, la traverse et parvient au miroir de renvoi 603 qui le réfléchit. Il traverse à nouveau la lame à faces parallèles et est réfléchi par le miroir de séparation 602. Il traverse une dernière fois la lame à faces parallèles qu'il quitte par la surface 601 qui peut être traitée antiréflexion. Le faisceau à détecter FD pénètre dans la lame par la face 601, la traverse, parvient au miroir 602 et le traverse. Comme indiqué sur la figure 9, une plusieurs blocs de redirection 701, 702, 703, 704 du type représenté figure 8 peuvent être associés dans un coulisseau 700 permettant de passer d'un bloc à l'autre. La lame à faces parallèles peut typiquement être en verre et la réalisation de deux faces parfaitement parallèles sur une lame de verre ne pose pas de difficultés technologiques. Cette solution permet donc d'obtenir à un coût acceptable des ensembles de redirection facilement interchangeables destinés par exemple à être montés sur des roues ou des coulisseaux. Ce dispositif génère un décalage latéral des faisceaux lumineux qui peut être compensé par un décalage correspondant des lentilles de la figure 2. La figure 10 représente, à titre d'exeinple,'lâ figure 2 modifiée pour le cas de l'utilisation de la lame à faces parallèles 600 décrite figure 8. On a gardé les mêmes numérotations que sur la figure 2, en ajoutant si nécesaires les numéros utilisés sur la figure 8. La figure 11 représente un mode de réalisation préféré de l'invention dans le cas d'un éclairage multipoints et de l'utilisation du bloc de redirection décrit figure 8. Un faisceau laser collimaté 800 est séparé par le réseau de microlentilles 801 en une pluralité de faisceaux d'éclairage FE. Sur la figure on a représenté qu'un seul de ces faisceaux. Les faisceaux d'éclairage traversent ensuite la lentille 802 après laquelle chaque faisceau d'éclairage est sensiblement parallèle. Ils sont réfléchis par le miroir 803. Les faisceaux d'éclairage parviennent ensuite au bloc de redirection constitué par la lame à faces parallèle 600. Ils entrent dans la lame, sont réfléchis par les miroirs 603 et 602, puis ressortent de la lame. Ils traversent l'objectif 604 et sont focalisés en des points éclairés de l'objet 807. Les faisceaux à détecter FD provenant des points éclairés traversent ensuite l'objectif 804, traversent la lame à faces parallèle 600 et le miroir 602, traversent la lentille 805 et sont focalisés sur les trous du réseau de trous microscopiques 800. On n'a pas représenté le dispositif de balayage qui peut typiquement être un miroir galvanométrique plaçé entre la lame à faces parallèles et l'objectif 804. Sur les figures on a toujours fait traverser le miroir séparateur par le faisceau à détecter. II est également possible que ce soit le faisceau à détecter qui soit réfléchi et le faisceau d'éclairage qui traverse le 10 miroir de séparation, ce qui ne modifie pas la nature de l'invention. Applications industrielles Le dispositif décrit peut être appliqué à la plupart des microscopes confocaux, en particulier multipoints. Revendications (1/2) 1- Dispositif optique confocal pour éclairer un point observé à l'aide d'un faisceau d'éclairage provenant d'une source d'éclairage et focalisé sur le point observé, et pour focaliser sur un trou microscopique un faisceau à détecter provenant du point observé, comprenant un miroir de séparation traversé par un premier faisceau et réfléchissant un deuxième faisceau, un des premier et deuxième faisceau étant le faisceau d'éclairage, et l'autre étant le faisceau à détecter, le dispositif comportant un moyen pour déplaçer le miroir de séparation, permettant d'insérer le miroir de séparation dans le trajet optique ou de le plaçer hors du trajet optique, pour permettre la suppression du miroir de séparation et son remplacement par un autre miroir, le dispositif étant caractérisé par le fait qu'il comporte un miroir de renvoi parallèle au miroir de séparation et réfléchissant le deuxième faisceau, le miroir de séparation et le miroir de renvoi étant solidaires l'un de l'autre et constituant ensembles un bloc de redirection qui est déplaçé d'un seul tenant par le moyen pour déplaçer le miroir de séparation. 2- Dispositif optique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour éclairer une pluralité de points observés à l'aide d'une pluralité de faisceaux d'éclairage, et pour focaliser sur une pluralité de trous microscopiques une pluralité de faisceaux à détecter provenant chacun d'un point observé, ledit miroir de séparation étant traversé par une pluralité de premiers faisceaux, lesdits miroirs de séparation et de renvoi réfléchissant une pluralité de seconds faisceaux, lesdits premiers faisceaux étant les faisceaux d'éclairage et lesdits seconds faisceaux étant les faisceaux à détecter, ou lesdits premiers faisceaux étant les faisceaux à détecter et lesdits seconds faisceaux étant les faisceaux d'éclairage.- - 3- Dispositif optique suivant une des revendications 1 ou 2, caractérisé par les faits suivants: - le miroir de séparation et le miroir de renvoi sont plaçés sur deux faces opposées d'une lame à faces 25 parallèles, - la lame à faces parallèles est disposée pour que le trajet optique du deuxième faisceau comporte successivement une première traversée de la lame à faces parallèles, une réflexion un premier miroir, une seconde traversée de la lame à faces parallèles, une réflexion sur un deuxième miroir, et une troisième traversée de la lame à faces parallèles, un des premier et deuxième miroir étant le miroir de renvoi et l'autre étant le miroir de séparation. 4- Dispositif optique suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que le miroir de séparation et le miroir de renvoi sont réalisés par dépôts de couches minces sur la lame à faces parallèles. Revendications (2/2) 5- Dispositif suivant une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ledit miroir de séparation est un 5 miroir dichroïque et ledit miroir de renvoi est un miroir totalement réfléchissant. 6- Dispositif suivant une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que ledit miroir de séparation. est un séparateur de faisceau neutre en longueur d'onde et ledit miroir de renvoi est un miroir totalement réfléchissant. 7- Dispositif selon une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un une pluralité de systèmes de redirection constitués chacun d'un miroir de séparation et d'un miroir de renvoi correspondant, et par le fait qu'il comporte un moyen pour plaçer alternativement l'un ou l'autre des systèmes de redirection sur le chemin optique. 8- Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit moyen pour plaçer est un coulisseau. 9- Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé par le fait que ledit moyen pour plaçer est une roue tournant autour d'un axé et sur laquelle sont monté les ensembles de redirection.