Brevet FR2926895A1 — publié le 20090731

Imageur multi-longueurs d'ondes séquentiel L'invention concerne un imageur multi-longueurs d'ondes séquentiel, capable de prendre successivement des images d'un objet à différentes longueurs d'ondes, cet imageur comprenant un système optique et un capteur d'image, le système optique comprenant des moyens de collecte d'une lumière diffusée ou émise par l'objet en réponse à une excitation lumineuse, des moyens de focalisation du plan objet sur le capteur d'image, et des moyens de sélection de différentes longueurs d'ondes pour la prise d'image. Un tel imageur est utilisé par exemple dans un dispositif de lecture de fluorescence sur une biopuce dont la surface comporte un certain nombre d'éléments fluorophores qui émettent une fluorescence en réponse à une excitation lumineuse à une longueur d'onde donnée. La détection de la fluorescence émise permet de distinguer différents types d'éléments fluorophores les uns des autres, les longueurs d'ondes de la fluorescence émise variant d'un type d'élément fluorophore à l'autre, et permet également de dénombrer les éléments fluorophores détectés. Il est usuel pour cela de prendre des images de l'objet à des longueurs d'ondes différentes, ou dans des bandes étroites de longueurs d'ondes différentes, ce qui amène à corriger les aberrations chromatiques du système optique de l'imageur de façon à obtenir des images de grande netteté aux différentes longueurs d'ondes ou dans les différentes bandes de longueurs d'ondes observées. On sait en effet que l'indice de réfraction du matériau d'une lentille optique varie en fonction de la longueur d'onde. Cela a pour conséquence que la longueur focale d'une lentille dont l'aberration chromatique n'est pas corrigée, varie en fonction de la longueur d'onde transmise. Les moyens connus permettant de corriger le chromatisme d'une lentille optique ou d'un objectif sont relativement complexes et coûteux. 2 Le principe de la correction consiste à combiner des lentilles différentes dont les aberrations chromatiques vont se compenser plus ou moins dans une certaine bande de longueurs d'onde. On peut associer par exemple un élément convexe à faible dispersion et un élément concave à forte dispersion. Toutefois, cette correction est complexe et coûteuse, en particulier pour les grands champs, et n'est pas parfaite, car il reste des résidus de chromatisme. Il est également connu de corriger la position d'une lentille ou d'un objectif sur un axe optique par rapport à la surface d'un capteur d'image en utilisant des moyens mécaniques de déplacement de l'objet à imager, de la lentille ou de l'objectif ou encore du capteur d'image, mais ces moyens sont également complexes et coûteux et doivent être utilisés avec de grandes précautions. La présente invention a notamment pour but de résoudre ce 15 problème de façon simple, efficace et économique. Elle propose à cet effet un imageur multi-longueurs d'ondes séquentiel, comprenant un système optique et un capteur d'image, le système optique comprenant des moyens de collecte d'une lumière diffusée ou émise par un objet en réponse à une excitation lumineuse, des 20 rnoyens de focalisation du plan objet sur le capteur d'image, et des moyens de sélection de différentes longueurs d'ondes pour la prise d'image, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de correction de l'aberration chromatique du système optique, permettant de focaliser le plan objet sur le capteur d'image pour toutes les longueurs d'ondes de prise d'image, ces 25 rnoyens de correction comprenant des lentilles de refocalisation associées chacune à une longueur d'onde de prise d'image. L'invention propose donc de corriger l'aberration chromatique ou l'aberration chromatique résiduelle d'un système optique, non pas avec un rnoyen unique et de façon continue sur une partie du spectre mais 30 seulement pour un certain nombre de longueurs d'onde (ou de bandes étroites de longueurs d'onde de quelques dizaines de nanomètres) utilisées pour la prise d'image, en associant au système optique une lentille de correction par longueur d'onde de prise d'image. Il suffit donc de prévoir autant de lentilles de correction que de longueurs d'onde de prise d'image, ce nombre étant relativement limité dans la plupart des applications. Avantageusement, l'imageur selon l'invention comprend des moyens pour amener tour à tour chaque lentille de refocalisation sur l'axe optique de l'imageur, ces lentilles étant par exemple portées par un barillet dont l'axe de rotation est parallèle à l'axe optique de l'imageur. De façon pratique, le barillet peut porter également des filtres passe- bande, dont les bandes passantes correspondent aux longueurs d'ondes de prise d'image, chaque filtre étant associé dans le barillet à une lentille de refocalisation pour la bande passante du filtre. Pour réduire le nombre de lentilles de refocalisation, on peut utiliser le système optique de l'imageur sans lentille de refocalisation pour une longueur d'onde de prise d'image, et associer à ce système des lentilles de refocalisation pour les autres longueurs d'ondes de prise d'image. Toutefois, comme les lentilles utilisées peuvent avoir des longueurs focales importantes, il est plus avantageux de procéder non pas à une correction relative de l'aberration chromatique du système optique de l'imageur pour les différentes longueurs d'ondes de prise d'image, mais à une correction différentielle qui consiste à utiliser une première lentille de refocalisation pour une première longueur d'onde de prise d'image, cette lentille ayant une longueur focale prédéterminée quelconque, et d'autres lentilles de refocalisation pour les autres longueurs d'ondes de prise d'image, chacune de ces autres lentilles ayant une longueur focale qui est déterminée pour focaliser à la longueur d'onde qui lui est associée le plan objet sur le même plan image que celui de la première lentille de refocalisation à la première longueur d'onde de prise d'image. En d'autres termes, on utilise pour une première longueur d'onde de prise d'image une première lentille de refocalisation ayant une longueur focale quelconque, puis on va utiliser pour les autres longueurs d'ondes de prise d'image d'autres lentilles de refocalisation qui, à ces autres longueurs d'ondes, vont avoir le même plan image que la première lentille de refocalisation. Ces diverses lentilles de refocalisation peuvent être obtenues en faisant varier leur forme (leurs rayons de courbure) ou plus finement en faisant varier l'indice de réfraction du matériau utilisé pour leur fabrication. Typiquement, ces lentilles peuvent être des lentilles simples plan-concave ou plan-convexe convergentes ou divergentes. Pour les grandes longueurs focales, les contraintes de fabrication peuvent rendre avantageuse l'utilisation de ménisques. De façon plus générale, il est avantageux que le pas de la correction chromatique réalisée par les différentes lentilles de refocalisation soit du même ordre de grandeur que la profondeur de champ de l'imageur. On peut ainsi aboutir à une correction chromatique quasi-continue sur une certaine plage de longueurs d'ondes comprenant l'ensemble des longueurs d'ondes de prise d'image. L'invention propose également un lecteur de fluorescence de biopuce, caractérisé en ce qu'il comprend un imageur du type décrit ci-dessus. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente le schéma optique d'un imageur d'un type classique ; - la figure 2 illustre schématiquement les aberrations chromatiques des lentilles utilisées dans l'imageur de la figure 1 ; - la figure 3 représente schématiquement le principe de correction chromatique d'un imageur selon l'invention ; - la figure 4 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un imageur selon l'invention. L'imageur de la figure 1 comprend essentiellement une lentille ou un objectif 10 de collecte de lumière, disposé au-dessus d'un objet 12 tel qu'une biopuce par exemple, une lentille ou un objectif 14 de formation d'image qui focalise le plan objet 16 (correspondant à la face supérieure de 5 l'objet 12) sur un plan image 18 qui est la face sensible d'un capteur d'image 20 tel par exemple qu'un ensemble matriciel de photodétecteurs CCD ou CMOS. Lorsque la face supérieure de l'objet 12 est éclairée par une source lumineuse de longueur d'onde appropriée, la lumière qui est diffusée ou émise par la face supérieure de l'objet 12 en réponse à cet éclairage est captée par la lentille ou l'objectif 10 et focalisée sur la face sensible du capteur 20 pour la prise d'une image de la face supérieure de l'objet 12. Un filtre passe-bande 22 est interposé entre les lentilles ou objectifs 10, 14 pour la sélection d'une bande étroite de longueurs d'ondes pour la prise d'image. Lorsqu'on souhaite prendre des images de la face supérieure de l'objet 12 à différentes longueurs d'ondes ou dans différentes bandes étroites de longueurs d'ondes, on interpose successivement des filtres passe-bande 22-1, 22-2 et 22-3 entre les lentilles ou objectifs 10, 14 comme représenté en figure 2. En raison des aberrations chromatiques des moyens optiques utilisés dans l'imageur, les points de focalisation sur l'axe optique 24 de l'imageur ne sont pas les mêmes pour les différentes bandes de longueurs d'ondes sélectionnées par les filtres 22-1, 22-2 et 22-3 : la référence 18-1 désigne la position du plan image pour le filtre 22-1, la référence 18-2 désigne la position de ce plan pour le filtre 22- 2 et la référence 18-3 désigne cette position pour le filtre 22-3. Lorsque ce décalage du plan image n'est pas corrigé et est supérieur à la profondeur de champ du système optique, l'image qui est formée sur la face sensible du capteur 20 et qui est nette quand le filtre 22-1 est utilisé, risque d'être floue lorsque les filtres 22-2 et 22-3 sont utilisés. 6 Pour corriger ces aberrations chromatiques, l'invention propose d'introduire dans le système optique de l'imageur des lentilles de refocalisation qui, dans l'exemple de la figure 3, sont associées aux filtres 22-2 et 22-3 et sont placées entre ce filtre et la lentille ou l'objectif 14 de formation d'image. Dans l'exemple de la figure 3, le plan image 18-1 est celui sur lequel est focalisé le plan objet 16 dans la bande étroite de longueurs d'ondes du filtre 22-1, aucune lentille de refocalisation n'étant associée à ce filtre. La lentille de refocalisation 26-2 qui est associée au filtre 22-2 est divergente pour focaliser le plan objet 16, non pas sur le plan image 18-2 de la figure 2, mais sur le plan image 18-1 correspondant à l'utilisation du filtre 22-1. La lentille de refocalisation 26-3 qui est associée au filtre 22-3 est au contraire convergente pour focaliser le plan objet 16, non pas sur le plan image 18-3 de la figure 2 mais sur le plan image 18-1 correspondant à l'utilisation du filtre 22-1. On voit qu'il suffit selon l'invention d'associer une lentille de refocalisation à chaque filtre 22-2, 22-3 pour avoir la garantie d'une image nette dans les différentes bandes de longueurs d'ondes observées. Pour un système optique donné, la résolution ou le pas de la correction fournie par les lentilles de refocalisation dépend des bandes de longueurs d'ondes d'observation et de la profondeur de champ, celle-ci dépendant elle-même de la longueur focale de l'objectif utilisé, de l'ouverture sélectionnée et de la distance de l'objet à imager, ainsi que des performances recherchées en terme de netteté et de résolution de l'image, c'est-à-dire du pouvoir séparateur de deux points distincts. La résolution ou le pas de la correction réalisée par les lentilles de refocalisation est avantageusement du même ordre de grandeur que la profondeur de champ, ce qui permet d'avoir des images toujours nettes sur une bande relativement large de longueurs d'ondes correspondant à II'ensemble des bandes de longueurs d'ondes observées au moyen des filtres 22-1, 22-2 et 22-3. Ces lentilles peuvent avoir une longueur focale supérieure à 10 m, ce qui est un avantage car elles introduisent alors peu de déformation géométrique supplémentaire et ne dégradent pas la qualité de l'image finale. Leur forme peut être quelconque : lentille simple plan-convexe, plan concave, biconcave, biconvexe, ménisque,... Toutefois, les grandes longueurs focales des lentilles de refocalisation 26-2 et 26- 3 peuvent poser un problème de fabrication de ces lentilles en raison des très grands rayons de courbure de leurs faces concaves ou convexes. Par exemple, lorsque la profondeur de champ du système optique de l'imageur est de 0,2 mm, le pas minimum de correction fourni par les lentilles de refocalisation doit être égal à 0,2 mm avec un objectif 14 ayant une longueur focale de 50 mm, ce que l'on obtient avec une lentille de refocalisation 26-2 ayant une longueur focale de 12,5 m et une lentille de refocalisation 26-3 ayant une longueur focale de 6,25 m. Cet inconvénient peut être évité en faisant une correction différentielle d'une bande de longueurs d'ondes observée à la bande de longueurs d'ondes suivante, c'est-à-dire en associant également une lentille de refocalisation au filtre 22-1 de la figure 3. On choisit pour ce filtre une lentille de refocalisation ayant une longueur focale quelconque, par exemple de 4 m. Dans ce cas, les lentilles de refocalisation 26-2 et 26-3 ont des longueurs focales de 3 m et de 2,5 m respectivement, pour un même pas de correction de 0,2 mm. De très fines variations de longueur focale peuvent être obtenues en modifiant l'indice de réfraction du matériau utilisé pour la fabrication de ces lentilles. Ces lentilles peuvent avantageusement recevoir un traitement antireflet pour éviter l'apparition d'images fantômes. Avantageusement, et comme représenté schématiquement en figure 4, les différentes paires de filtres 22 et de lentilles de refocalisation 26 sont rnontées dans un barillet rotatif 28 dont l'axe de rotation 30 est parallèle à l'axe optique 24 de l'imageur, ce barillet 28 étant essentiellement constitué d'un disque opaque comportant des passages traversants 32 dans lesquels sont montés les filtres 22-1, 22-2, 22-3... et les lentilles de refocalisation 26-1, 26-2, 26-3..., respectivement, chaque passage traversant 32 contenant un filtre 22 et la lentille de refocalisation 26 associée. En variante, le barillet peut être déplaçable en translation. L'imageur de la figure 4 peut avantageusement être utilisé comme imageur de fluorescence d'une biopuce. REVENDICATIONS 1. Imageur multi-longueurs d'ondes séquentiel comprenant un système optique et un capteur d'image (20), le système optique comprenant au moins des moyens (10) de collecte d'une lumière diffusée ou émise par un objet (12), des moyens (14) de focalisation du plan objet (16) sur le capteur d'image (20), et des moyens de sélection de différentes longueurs d'ondes pour la prise d'image, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de correction de l'aberration chromatique du système optique (10, 14), permettant de focaliser le plan objet (16) sur le capteur d'image (20) pour toutes les longueurs d'ondes de prise d'image, ces moyens de correction comprenant des lentilles de refocalisation (26) associées chacune à une longueur d'onde de prise d'image. 2. Imageur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (28) pour amener tour à tour chaque lentille de refocalisation (26) sur l'axe optique (24) de l'imageur. 3. Imageur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les lentilles de refocalisation (26) sont portées par un barillet (28) dont l'axe de rotation (30) est parallèle à l'axe optique (24) de l'imageur. 4. Imageur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le barillet (28) porte également des filtres passe-bande (22) dont les bandes passantes correspondent aux longueurs d'ondes de prise d'image, chaque filtre (22) étant associé dans le barillet (28) à une lentille de refocalisation (26). Imageur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une première lentille (26-1) de refocalisation associée à une première longueur d'onde de prise d'image, cette lentille (26-1) ayant une longueur focale prédéterminée quelconque, et d'autres lentilles de refocalisation (26-2, 26-3, ....) pour les autres longueurs d'ondes de prise d'image, chaque autre lentille de refocalisation (26-2, 26-3...) ayant une longueur focale déterminée pour focaliser le plan objet (16) sur le mêmeplan image que la première lentille de refocalisation (26-1) à la première longueur d'onde de prise d'image. 6. Imageur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les lentilles de refocalisation (26) ont des formes identiques et sont réalisées dans des matériaux ayant des indices de réfraction différents. 7. Imageur selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les lentilles de refocalisation (26) sont des lentilles simples plan convexe ou plan-concave, biconcaves, biconvexes, ou des ménisques. 8. Imageur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les lentilles de refocalisation (26) sont traitées anti-reflets. 9. Imageur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pas de la correction réalisée par les lentilles de refocalisation (26) est du même ordre de grandeur que la profondeur de champ de l'imageur. 10. Lecteur de fluorescence de biopuce, caractérisé en ce qu'il comprend un imageur selon l'une des revendications précédentes.