Brevet FR3009085A1 — publié le 20150130

Titre Source de lumière pour fluorescence hyper spectrale Domaine technique L'invention concerne une source de lumière compacte, ponctuelle, pluri chromatique, focalisée et pulsée destinée à la sollicitation de matériaux en vue d'une analyse par la fluorescence hyper spectrale. La fluorescence est un phénomène physique caractérisé par une émission de lumière selon un spectre caractélistique du matériau excité à une certaine longueur d'onde. Cela est vrai pour les solides comme pour les liquides. Quand l'analyse met en oeuvre une pluralité de longueurs d'onde d'excitation, la technique prend le nom d'hyper spectrale. La technique d'analyse dite de fluorescence hyper spectrale est appliquée à ce jou principalement dan .= des équipements de iabOrAtnire. comprennent nriA source pluri chromatique intense, un dispositif de sélection de la longueur d'onde, un porte échantillon, et selon un angle compris entre 90° et 180° un dispositif d'analyse spectrale de la lumiére r'rnise. La principale difficulté est que ces équipements sont lourds et onéreux, portables mais non transportables, Pour effectuer la mesure, il faut positionner le matériau à analyser dans une cellule transparente, donc l'avoir extrait de son contenant. En sus, la configuration de ces dispositifs demande souvent à ce que les matériaux à anatys pre.,ntent transparen.-dans ie domaine de longueur d'onde envisagé. Le brevet EP2225599 propose une source de lumière poly chromatique convenablement filtrée pour en extraire les longueurs d'onde désirées, un 30 système optique de focalisation sur l'objet et un appareil d'analyse de la fluorescence_ L'excitation simultanée par plusieurs longueurs d'onde de l'objet est revendiquée. Ceci n'est pas compatible avec la fluorescence dite hyper spectrale car en générai les spectres de fluorescence sont étendus. ii y a alors recouvrement des spectres et perte d'information pertinente. Il n'est alors pas possible de réaliser une mesure de fluorescence hyper spectrale et d'obtenir la représentation tridimensionnelle de la fonction de fluorescence selon la longueur d'onde d'excitation et la longueur d'onde d'émission. Le brevet PrI91367 prohnsa de répondra à cette problématique mais en se limitant à deux longueurs d'onde seulement, et selon un mode de réalisation spécifique des objets de grande taille afin de réaliser une observation en imagerie. Or le signal de fluorescence de certains matériaux peut être de faible intensité et de fait requiert une source d'excitation intense et non répartie. Le brevet EP1674852 propose une configuration combinant une pluralité de sources lumineuses de type laser et une analyse multiplexée en temps, en organisant le déplacement de l'objet à analyser par rapport au détecteur. Le 15 dispositif présente une mécanique complexe et des pièces en mouvement rendant difficile son utilisation hors table. Objet de l'invention La présente invention vise à remédier à tout ou partie de ces inconvénients. 20 A cet effet, et selon un premier aspect, ln pr sente invention concerne une source de lumière destinée à la fluorescence hyper spectrale, qui comporte : Au moins trois sources de lumière monochromatiques ou quasi monochromatiques Un dispositif optique pour chacune d'entre elles permettant de réaliser 25 un faisceau parallèle selon une direction privilégiée Un miroir concave dont l'axe principal est colinéaire a cell- reprenant l'ensemble des susdits faisceaux et les focalisant en un point donné Un mécanisme de déplacement du miroir permettant de positionner le point de focalisation selon la direction d'émission des sources Un système de commande permettant de sélectionner et de piloter le fonctionnement temporel des sources, de façon synchrone pour une même longueur d'onde lin support d'échantillon permettant de positionner ce dernier par rapport au point de focalisation des sources de lumière Un dispositif de capture optique du signal de fluorescence Un moyen d'analyse spectrale du susdit sianal. Un équipement de pilotage et de contrôle de l'ensemble. Dans un des modes de réalisation, 10 L'échantillon est une bouteille Une des sources est poly chromatique et fonctionne de manière continue Ainsi le signal repris car le dispositif de capt re est-il analysé en fonction de la position relative du miroir et de l'échantillon. Ceci permet de : 15 Distinguer les interfaces optiques de l'échantillon (verre-air et verre - contenu De positionner le point de focalisation des sources dans le contenu et au plus près de l'interface verre - contenu afin de minimiser l'absorption du signal de fluorescence par le contenu de l'échantillon 20 De déterminer les caractéristiques calorimétriques du contenant lui- même afin de corriger le signal de fluorescence de la transmission optique du contenant. Selon un autre mode de réalisation, L'échantillon est soumis à des impulsions de lumière selon un rapport 25 cyclique ternonrel dnnna Le dispositif d'analyse spectrale fonctionne en acquisition continue Ainsi le signal de fluorescence est-il accumulé, sans effets perturbateurs liés à échauffement de l'échantillon. Selon un autre mode de réalisation, 30 - L'échantillon est une ampoule de verre blanc La séquence d'impulsions de lumière est répétée pour chaque type de source de lumière avec un rapport cyclique temporel caractéristique de chacune des sources - Le capteur est synchronisé pour acquérir e signal après chaque 6 impulsion Ainsi le signal de fluorescence est-il accumulé en maîtrisant les effets dits de photo bleachinu, qui rendent la signal de fluorescence variable en fnriction de l'excitation elle-même. Dans un des modes de réalisation, - Les sources monochromatiques sont des diodes laser Ainsi le dispositif associé à chaque source pour façonner un faisceau collimaté n'est-il plus nécessaire, et le système complet est ainsi légèrement simplifié. Description sommaire des figures 16 D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et dans lesquels les figures 1 à 2 illustrent des modes de réalisation particulie. de la source de lumière hyper 20 spectrale. On note dès à présent que les figures ne sont pas à l'échelle. 1 2 figure 1 raorés schématiquement un premier mode de réalisation particulier du dispositif (10) objet de la présente invention. Ce dispositif comporte : 25 - Trois sources lumineuses (105 Ç) quasi monochromatiques pourvues pour chacune d'entre elles d'un système optique de collimation (120) permettant une émission de lumière collimatée (125) parallèle à l'axe général du système (190) - Un miroir parabolique (130) positionné sur un mécanisme (135) 30 permettant d'ajuster sa position selon l'axe principal du système (190) Un support d'échantillon (195), ici une bouteille (180) placée en position verticale, caractériSé en ce qu'il est percé en son milieu afin de permettre l'excitation du contenant dans le contenu. Un dispositif de capture de l'émission de fluorescence (14 couplé à un analyseur spectral (150) Un dispositif de commande des sources (160) piloté par la commande centrale 170) assurant également le pilotage du dispositif d'analyse spectrale du signal (150) Les trois sources lumineuses (105, 110, 115) sont destinées à émettre gn coessivement un rayonnement lumineux dont la longueur d'onde est comprise entre 300nm et 1200nm. Chacune de ces sources est orientée selon une direction (125) parallèle à l'axe général du système (190). Ces sources de lumière sont par exemple des dinde électroluminescentes monochromatiques ou quasi monochromatiques dont la largeur à mi hauteur 15 est de 1 Onm environ. Ces trois sources sont conçues de façon à être commandées par un dispositif (160) assurant la aestion temporollo de leur fonctionnement. Chaque source est équipée d'un dispositif de collimation (120), de type objectif de microscope ou plus simplement constitué d'une lentille dont la position par rapport à la source est judicieusement choisie afin 20 d'obtenir une émission collimatée. Le miroir concave est positionné de sorte que son axe principal (190) soit colineal à l'émission (25) des sources de lumière. Percé en son nontre, il permet le passage du dispositif de collection de lumière (140). Positionné sur un mécanisme (135) il peut être réglé selon la direction principale (190). De la sorte, les émissions lumineuses sont focalisées en un point de Poblet mesurer (180) ajustable. L'échantillon (180), ici une bouteille, est positionné sur un porte échantillon 85) percé en son centre pour permettre le passage de la lumière incidente, et la collection de la lumière réémise par fluorescence. La bouteille est placée 30 en position verticale, mais d'autres positionnements sont bien entendu possibles, dès lors que le point de focalisation de la lumière émise par els sources et focalisée par le miroir vient interagir efficacement avec le contenu de la bouteille, et plus généralement de l'échantillon. tin syStème d'analyse de à lumière (150); par exemple un spectromètre, ou 5 plus généralement tout type de dispositif permettant de capturer un nombre suffisant d'échantillons de lumière dans des gammes de longueur d'onde disjointes. permet d'interpréter la lumière é ise !Jar fluoresranca. Un système de contrôle général (170) gère les opérations d'allumage successives des sources via le dispositif (160), acquiert les informations issues du vvsté.a d'unulvse de lumière 50), traite numériquement las données ainsi acquises avant de les transmettre à l'utilisateur, soit par voie filaire (liaison RS232 ou équivalent) soit par liaison sans fil (Wifi, BlueTooth, ou équivalent). 15 La figure 2 représente, schématiquement, un second mode de réalisation particulier du dispositif (20) objet de la présente invention. Ce dispositif comporte : Un dispositif émetteur de lumière (200) permettant une émission de lumière collimatée (295) parallèle à l'axe général du système (290) 20 - 1ln miroir sphérique (230) .né sur un mécanisme permettant d'ajuster sa position selon l'axe principal du système (290) Un support d'échantillon (295), ici une bouteille (280) placée en position hori7nntula, caractérisé en ce qu'il est per en son milieu afin de permettre l'excitation du contenant dans le contenu. 25 Un dispositif de capture de l'émission de fluorescence (240), couplé à jun analyseur spectral 250) Un dispositif de commande des sources (260) piloté par la commande centrale (270) assurant également le pilotage du dispositif d'analyse spectrale d u signa ; 0 30 Selon ce mode de réalisation paf-power, le dispositif de lumière est plus particulièrement décrit dans la figure 3. Les sources de lumière (305. 310, 315, 320, 325) sont dans ce cas au nombre de 40, réparties en 5 groupes de 8 sources identiques. Elles sont réparties sur des cercles concentriques sur leur support (200), et donc positionnées selon un arrangement permettant un éclairement homogène de l'objet à analyser. Ces sources de lumière (305, 310, 315, 320, 325) sont destinées à émettre successivement un rayonnement lumineux dont la longueur d'onde est rnmprien ante 300nm et 200nm. Par exemplela source (.10çl peut être plurichromatique afin d'éclairer l'échantillon (280) en un point particulier selon la direction privilégiée du système (290). Les autres sources de lumière sont par exemple d jectrrilumincier.i>ntris monochromatiques ou. quasivvYV monochromatiques dont la largeur à mi hauteur est de 1 Onm environ, 15 équipées d'un dispositif de collimation de lumière. e dispositif eiiripert des sources (100) est positionné rie sorte aue rshnrune de ces sources soit orientée selon une direction (295) parallèle à l'axe général du système (290) comme dans la figure 2. Le miroir concave est positionné de sorte que son axe principal290) 20 colinéaire à l'émission (295) des sources de lumière. Percé en son centre, il permet le passage du dispositif de collection de lumière (240). Positionné sur un mécanisme (235) il peut être selon la direction principale P.90à. rte la sorte, les émissions lumineuses sont focalisées en un point de l'objet à mesurer (280) ajustable. Les modes de réalisation d'un mouvement relatif sont de tous ordres et sans limitation de type ou de concept. Dans un mode de réalisation particulier, ce mécanisme est motorisé, et commandé par le système de supervision (270). 'échantillon(180), ici une bouteille, est pr-eitionné sur un porte échantillon (285) percé en son centre pour permettre le passage de la lumière incidente, 30 et la collection de la lumière réémise par fluorescence. La bouteille est placée en position horizontale, mais d'autres positionnements sont bien entendu possibles, dès lors que le point de fooelisation de la lumière émise par els sources et focalisée par le miroir vient interagir efficacement avec le contenu de la bouteille> et plusgénéralement de l'ébhantillon. Un système d'analyse de la lumière (250), par exemple un spectromètre, ou plus généralement tout type de dispositif permettant de capturer un nombre suffisant d'échantillons de lumière dans des gammes de longueur d'onde disjointes, permet d'interpréter la lumière émise par fluorescence. Un système de contrôle général (270) gère les opérations d'allumage successives des sources via le disposie (260), acquiert les informations issues du système d'analyse de lumière (250), traite numériquement les données ainsi acquises avant de les transmettre à l'utilisateur, soit par voie filaire (liaison RS232 ou équivalent) soit par liaison sans fil (Wm. BlueTooth ou équivalent). 15 REVENDICATIONS1. Dispositif pour analyse de fluorescence en mode hyper spectral comportant a. Au moins trois sources de lumière (105, 110, 115) émettant dans un domaine spectral compris entre 300nm et 1200nm b. Un dispositif optique (120) pour chacune d'entre elles permettant de réaliser un faisceau parallèle selon une direction privilégiée c. Un miroir concave (130) dont l'axe principal (135) est colinéaire à celle-ci, reprenant l'ensemble des susdits faisceaux et les focalisant en un point donné d. Un système de commande (160) permettant de sélectionner et de piloter le fonctionnement temporel des sources, de façon synchrone pour une même longueur d'onde e. Un support (185) d'échantillon (180) permettant de positionner ce dernier par rapport au point de focalisation des sources de lumière f. Au moins un dispositif de capture optique du signal de fluorescence (140) g. Au moins un moyen (150) d'analyse spectrale du susdit signal. h. Un équipement (170) de pilotage et de contrôle de l'ensemble. 2. Dispositif (10) pour analyse de fluorescence en mode hyper spectral selon la revendication 1 dans laquelle au moins une des sources de lumière est monochromatique. 3. Dispositif de lumière (10) pour analyse de fluorescence en mode hyper spectral selon les revendications 1 ou 2 dans laquelle au moins une des sources de lumière est une source laser. 4. Dispositif de lumière (10) pour analyse de fluorescence en mode hyper spectral selon les revendications 1, 2 ou 3 dans laquelle le miroir concave (130) est parabolique. 5. Dispositif de lumière (10) pour analyse de fluorescence en mode hyper spectral selon les revendications 1, 2 ou 3 dans laquelle le miroir concave (130) est sphérique. 6. Dispositif de lumière (10) pour analyse de fluorescence en mode hyper spectral selon les revendications 4 ou 5 dans laquelle le déplacement du miroir est motorisé (135). 7. Dispositif de lumière pour analyse de fluorescence en mode hyper spectral selon les revendications 4 ou 5 dans laquelle le miroir (130) est percé en son centre. 8. Dispositif de lumière pour analyse de fluorescence en mode hyper spectral selon les revendications 1, 2 ou 3 dans laquelle le dispositif de capture du signal (140) est colinéaire aux faisceaux issus des sources de lumière. 9. Dispositif de lumière pour analyse de fluorescence en mode hyper spectral selon les revendications 1, 2 ou 3 dans laquelle le dispositif d'analyse du signal (150) est synchronisé (170) avec le système de commande temporel (160) des sources de lumière. 10. Dispositif de lumière pour analyse de fluorescence en mode hyper spectral selon les revendications 1, 2 ou 3 dans laquelle le dispositif d'analyse du signal (150) est pourvu d'une fonction de communication sans fil.