Brevet FR3004814A1 — publié le 20141024

Système de détection optique comportant un dispositif de collection de lumière L'invention concerne un système de détection optique comprenant un substrat comportant une surface de réception d'un faisceau lumineux et au moins un bord, le substrat étant transparent pour un intervalle donné de valeurs de la longueur d'onde du faisceau lumineux, le substrat étant propre à guider, par réflexion interne, le faisceau lumineux reçu jusqu'à un bord correspondant. Le système de détection optique comprend également un photodétecteur apte à détecter la lumière émise par ledit bord du substrat, et un dispositif de collection de la lumière agencé entre ledit bord du substrat et le photodétecteur. Le dispositif de collection de la lumière comprend une pluralité de fibres optiques, chaque fibre optique comportant une première extrémité et une deuxième extrémité. L'article « Fluorescence capture by planer waveguide as platform for optical sensors » de Gouin et al. publié dans Electronics Letters le 20 août 1998 décrit un système de détection optique du type précité. Le substrat est en forme d'un parallélépipède rectangle et comporte deux surfaces planes sensiblement parallèles l'une de l'autre, et des bords latéraux. Le substrat est éclairé par une diode électroluminescente et comporte en outre une couche de gel fluorescent disposée contre l'une de ses surfaces. La couche de gel fluorescent émet un faisceau fluorescent lorsqu'elle est éclairée par la diode électroluminescente, et le faisceau fluorescent est alors guidé par réflexion interne à l'intérieur du substrat jusqu'à un bord du substrat. Le système de détection optique comporte alors une photodiode pour détecter le faisceau fluorescent émis par ledit bord du substrat, et la photodiode est disposée de manière inclinée par rapport audit bord du substrat. Toutefois, le rendement d'interception de la lumière par la photodiode en sortie du substrat est relativement faible, et le système de détection est peu performant. Le document US 5,166,515 décrit aussi un système de détection optique du type précité. Le substrat est également en forme d'un parallélépipède rectangle comportant deux surfaces planes parallèles l'une de l'autre et des bords latéraux, le substrat étant propre à guider, par réflexion interne, un faisceau lumineux depuis l'une desdites surfaces jusqu'à un bord correspondant. Le système de détection optique comprend en outre un photodétecteur apte à détecter la lumière émise par ledit bord et une lentille agencée entre le bord du substrat et le photodétecteur afin de focaliser vers le photodétecteur la lumière issue dudit bord du substrat. Toutefois, le rendement d'interception de la lumière en sortie du substrat est encore relativement faible puisque l'ouverture du faisceau lumineux en sortie du substrat est très grande, typiquement de l'ordre de 200 à 50°, cette plage angulaire correspondant au demi-angle du cône de lumière à la sortie du substrat. Le but de l'invention est donc de proposer un système de détection optique permettant d'améliorer le rendement d'interception de la lumière en sortie du substrat jusqu'au photodétecteur. À cet effet, l'invention a pour objet un système de détection optique du type précité, dans lequel les fibres optiques sont disposées les unes contre les autres en leurs premières extrémités, de telle sorte que leurs premières extrémités forment une section d'entrée du dispositif de collection, et sont disposées les unes contre les autres en leurs deuxièmes extrémités, de telle sorte que leurs deuxièmes extrémités forment au moins une section de sortie du dispositif de collection. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le système de détection optique comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - la section d'entrée et la section de sortie sont de formes distinctes ; - le dispositif de collection présente plusieurs sections de sortie distinctes et distantes les unes des autres ; - le substrat comporte en outre une couche réactive disposée contre ladite surface de réception, au moins l'une des propriétés optiques de la couche réactive parmi la luminescence, la transparence et la polarisation étant propre à être modifiée lorsque la couche réactive est en contact avec un composé à détecter ; - le système comprend en outre un dispositif de filtrage spectral disposé entre le dispositif de collection et le photodétecteur ; - le système comprend en outre un miroir comportant une surface réfléchissante, la surface réfléchissante étant disposée sensiblement perpendiculairement audit bord du substrat ; - le substrat est en forme d'un parallélépipède rectangle, et la section d'entrée du dispositif de collection est en forme d'un rectangle ; et - le système comprend au moins deux photodétecteurs aptes à détecter la lumière émise par le substrat, et le dispositif de collection présente plusieurs sections de sortie distinctes, le nombre de sections de sortie étant égal au nombre de photodétecteurs, et chaque section de sortie étant disposée en regard d'un photodétecteur respectif. Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d'un système de détection optique selon l'invention, comprenant une source de lumière, un substrat comportant une surface de réception d'un faisceau lumineux et un bord, au moins une partie du faisceau lumineux reçu étant guidée par réflexion interne jusqu'audit bord, un photodétecteur apte à détecter la lumière émise par ledit bord et un dispositif de collection de la lumière agencé entre ledit bord et le photodétecteur, - la figure 2 est une représentation schématique, en vue de côté, du substrat et de l'extrémité du dispositif de collection qui est disposée en regard du substrat, - la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2 en vue de dessus, - la figure 4 est une représentation schématique d'une section d'entrée et d'une section de sortie du dispositif de collection, - la figure 5 est une représentation schématique du système de détection optique selon un deuxième mode de réalisation, dans lequel le système comprend en outre un dispositif de filtrage spectral disposé entre le dispositif de collection et le photodétecteur, et - la figure 6 est une représentation schématique du système de détection optique selon un troisième mode de réalisation, dans lequel le système comprend en outre un miroir comportant une surface réfléchissante, la surface réfléchissante étant disposée sensiblement perpendiculairement audit bord du substrat. Sur la figure 1, un système de détection optique 10 comprend un substrat 12 comportant une surface 14 de réception d'un faisceau lumineux 15 et une pluralité de bords 16. Le système de détection optique 10 comprend en outre un photodétecteur 18 apte à détecter la lumière émise par l'un des bords 16 du substrat et un dispositif 20 de collection de la lumière agencé entre ledit bord 16 du substrat et le photodétecteur 18. En complément, le système de détection optique 10 comprend une source de lumière 22 propre à émettre le faisceau lumineux 15 pour éclairer la surface de réception 14 du substrat. Le substrat 12 est transparent pour un intervalle donné de valeurs de la longueur d'onde du faisceau lumineux 15, et est propre à guider, par réflexion interne, au moins une partie du faisceau lumineux reçu 15 jusqu'à un bord 16 correspondant, ledit bord étant noté par la suite 16A. Le substrat 12 est, par exemple, en forme d'un parallélépipède rectangle et comporte les bords latéraux 16 et deux surfaces planes 14, 24 sensiblement parallèles l'une de l'autre, à savoir la surface de réception 14 et une deuxième surface 24 disposée du côté opposé à la surface de réception 14. Les bords latéraux 16 sont disposés perpendiculairement aux deux surfaces planes 14, 24 et à la périphérie desdites surfaces planes 14, 24. Le substrat 12 est, par exemple, en forme d'une lame de microscope. Le substrat 12 est, par exemple, réalisé en verre. En variante, le substrat 12 est réalisé en un matériau synthétique, tel qu'un matériau plastique, du polystyrène ou encore du polyméthacrylate de méthyle, également appelé PMMA (de l'anglais PolyMethyl MethAcrylate). En complément, le substrat 12 comporte en outre une couche réactive 26 disposée contre la surface de réception 14, au moins l'une des propriétés optiques de la couche réactive 26 parmi la luminescence, la transparence et la polarisation étant propre à être modifiée lorsque la couche réactive 26 est en contact avec un composé à détecter. En complément encore, le substrat 12 comporte d'autres couches réactives, non représentées, ces autres couches réactives présentant une composition différente de la couche réactive 26 et étant aptes à détecter d'autres composés que ceux susceptibles d'être détectés par la couche réactive 26. Le photodétecteur 18 est, par exemple, un intensificateur d'image, tel qu'un tube intensificateur, une galette de micro-canaux ou encore un tube photomultiplicateur. En variante, le photodétecteur 18 est un photodétecteur matriciel comportant une pluralité de pixels, non représentés. Le photodétecteur matriciel 18 est un capteur d'images pixélisé, par exemple un capteur CMOS (de l'anglais Complementary Metal- Oxyde Semiconductor). En variante, le photodétecteur matriciel 18 est un capteur CCD (de l'anglais Charged-Coupled De vice). Le dispositif de collection de la lumière 20 comprend une pluralité de fibres optiques 28, visibles partiellement sur les figures 2 à 4, ladite pluralité de fibres 28 formant un faisceau 30, visible sur la figure 1. Le dispositif de collection de la lumière 20 comprend un embout d'entrée 32 et au moins un embout de sortie 34, les embouts 32, 34 étant agencés aux deux extrémités du faisceau 30. Dans l'exemple de réalisation décrit, le dispositif de collection de la lumière 20 comprend un seul embout d'entrée 32 et un seul embout de sortie 34. Par embout, on entend une extrémité du faisceau de fibres optiques 28. Cet embout 32, 34 agit, par exemple, en tant que support mécanique pour maintenir la cohésion des fibres. En variante non représentée, le dispositif de collection de la lumière 20 comprend un seul embout d'entrée 32 et une pluralité d'embouts de sortie 34, le faisceau 30 comportant alors une pluralité de ramifications, et le nombre d'embouts de sortie 34 étant égal au nombre de ramifications. La source de lumière 22 est, par exemple, une diode électroluminescente, également appelée LED (de l'anglais Light-Emitting Diode). La source de lumière peut également être une diode Laser ou une ampoule à filament. La cohérence spatiale ou temporelle n'est pas particulièrement recherchée. La couche réactive 26 comporte, par exemple, des anticorps, et est apte à réagir en présence de composés à détecter, tels que des protéines, des micro-organismes, ou encore des composés chimiques. En particulier, la couche réactive 26 comporte un matériau fluorescent propre à émettre une lumière de fluorescence lorsque ledit matériau est éclairé par la source de lumière 22. Chaque fibre optique 28 comporte une première extrémité 36, une deuxième extrémité 38 (figure 4) et une face latérale entre les première et deuxième extrémités 36, 38. Les fibres optiques 28 sont disposées les unes contre les autres en leurs premières extrémités 36, formant une section d'entrée 40 du dispositif de collection 20 propre à recevoir la lumière correspondant à la partie du faisceau lumineux 15 guidée à travers le substrat 12. Les fibres optiques 28 sont maintenues au contact les unes des autres au voisinage de leurs premières extrémités 36 par l'embout d'entrée 32. Autrement dit, la face latérale de chaque fibre optique 28 est au voisinage de la première extrémité 36 au moins partiellement disposée contre la face latérale d'au moins une autre fibre optique 28. Les fibres optiques 28 sont disposées les unes contre les autres en leurs deuxièmes extrémités 38, formant au moins une section de sortie 42 du dispositif de collection 20 propre à délivrer la lumière reçue à la section d'entrée 40 et guidée à travers les fibres optiques 28. Les fibres optiques 28 sont maintenues au contact les unes des autres au voisinage de leurs deuxièmes extrémités 38 par l'embout de sortie 34. Autrement dit, la face latérale de chaque fibre optique 28 est au voisinage de la deuxième extrémité 38, au moins partiellement disposée contre la face latérale d'au moins une autre fibre optique 28. Les fibres optiques 28 sont, par exemple, réalisées en polyméthacrylate de méthyle, également appelé PMMA (de l'anglais PolyMethyl MethAcrylate). Dans l'exemple de réalisation décrit, les fibres optiques 28 forment une seule section d'entrée 40 et une seule section de sortie 42. Par section, on entend un plan formé par les extrémités de chaque fibre optique 28. En variante non représentée, les fibres optiques 28 forment une seule section d'entrée 40 et une pluralité de sections de sortie 42, les sections de sortie 42 étant alors distinctes et distantes les unes des autres. Cette variante est utilisée lorsque le système de détection optique 10 comprend une pluralité de photodétecteurs 18 aptes à détecter la lumière émise par le substrat 12, et le nombre de sections de sortie 42 est alors égal au nombre de photodétecteurs 18, chaque section de sortie 42 étant disposée en regard d'un photodétecteur 18 respectif. La section d'entrée 40 et la section de sortie 42 sont, par exemple, de formes distinctes. Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, la section d'entrée 40 est en forme d'un rectangle, et la section de sortie 42 est en forme d'un disque. La section d'entrée 40 en forme de rectangle est particulièrement adaptée au cas où le substrat 12 est en forme d'un parallélépipède rectangle, le bord 16A, par lequel est issu la lumière guidée par réflexion interne à travers le substrat 12, étant alors lui aussi en forme de rectangle. La section de sortie 42 en forme de disque est particulièrement adaptée au cas où le photodétecteur 18 est un intensificateur d'image, tel qu'un tube intensificateur, une galette de micro-canaux ou encore un tube photomultiplicateur. En variante, la section de sortie 42 en forme de rectangle est adaptée au cas où le photodétecteur 18 est un photodétecteur matriciel, par exemple un capteur CMOS ou encore un capteur CCD. Le fonctionnement du système de détection optique 10 et du dispositif de collection de la lumière 20 selon l'invention va être à présent décrit à l'aide des figures 1 à 4. Lorsque le faisceau lumineux 15 éclaire la couche réactive 26, celle-ci réémet de la lumière vers la surface de réception 14, et au moins une partie de la lumière reçue par la surface de réception 14 est alors guidée par réflexion interne à l'intérieur du substrat 12 jusqu'au bord 16A. Le principe de guidage de la lumière dans le substrat 12 par réflexion interne est bien connu, et n'est pas décrit plus en détail. La section d'entrée 40 du dispositif de collection 20 est alors placée en regard du bord 16A afin de collecter la lumière issue dudit bord 16A suite au guidage par réflexion interne à l'intérieur du substrat 12. Il a alors été constaté que la lumière issue du bord 16A du substrat 12 présente une distribution anisotrope, la lumière émergeant du substrat 12 par le bord 16A étant divisée en deux faisceaux symétriques par rapport à la normale audit bord 16A, comme représenté sur figure 2. La section d'entrée 40 du dispositif de collection 20 est alors choisie avec une forme correspondant à la forme de la périphérie du bord 16A afin d'optimiser la quantité de lumière collectée par le dispositif de collection 20 par rapport à la quantité totale de lumière émergeant du substrat 12 par le bord 16A. Ceci permet alors d'améliorer le rendement d'interception de la lumière en sortie du substrat 12. L'agencement particulier des fibres optiques 28 au voisinage des premières extrémités 36 permet en effet d'obtenir la section d'entrée 40 souhaitée pour le dispositif de collection 20. Dans l'exemple de réalisation décrit, le substrat 12 est en forme d'un parallélépipède rectangle, la périphérie du bord 16A est en forme de rectangle, et la section d'entrée 40 est alors également en forme de rectangle. De manière analogue, et afin d'optimiser la quantité de lumière transmise jusqu'au photodétecteur 18, la section de sortie 42 du dispositif de collection 20 est choisie avec une forme correspondant à la forme du photodétecteur 18. L'agencement particulier des fibres optiques 28 au voisinage des deuxièmes extrémités 38 permet en effet d'obtenir la section de sortie 42 souhaitée pour le dispositif de collection 20. Comme décrit précédemment, la section de sortie 42 est en forme de disque lorsque le photodétecteur 18 est un intensificateur d'image, tel qu'un tube intensificateur, une galette de micro-canaux ou encore un tube photomultiplicateur. En variante, la section de sortie 42 est en forme de rectangle lorsque le photodétecteur 18 est un photodétecteur matriciel, par exemple un capteur CMOS ou encore un capteur CCD. En outre, les fibres optiques 28 en polyméthacrylate de méthyle présentent, par exemple, une ouverture numérique sensiblement égale à 0,5, ce qui permet d'offrir un bon rendement d'interception d'un faisceau de lumière émergeant du substrat 12 par le bord 16A. En outre, les fibres optiques 28 sont de préférence toutes identiques, et le rendement d'interception est alors le même pour tous les points du bord 16A, car chaque fibre optique 28 a une ouverture numérique identique et collecte alors la lumière avec le même rendement indépendamment de la position de la fibre 28 devant le bord 16A. Les deux faisceaux symétriques de la lumière émergeant du bord 16A sont également collectés de la même façon par le dispositif de collection 20 selon l'invention. On conçoit ainsi que le système de détection optique 10 et le dispositif de collection de la lumière 20 selon l'invention permettent d'améliorer le rendement d'interception de la lumière en sortie du substrat 12 jusqu'au photodétecteur 18. La figure 5 illustre un deuxième mode de réalisation de l'invention pour lequel les éléments identiques au premier mode de réalisation décrit précédemment sont repérés par des références identiques, et ne sont pas décrits à nouveau. Selon ce deuxième mode de réalisation, le système de détection optique 10 comprend en outre un dispositif de filtrage spectral 50 disposé entre le dispositif de collection 20 et le photodétecteur 18. Le dispositif de filtrage spectral 50 comporte un ou plusieurs filtres 52, permettant de transmettre des longueurs d'onde dans une plage de longueur d'onde déterminée. Il s'agit par exemple d'un filtre passe-bande, centré sur la longueur d'onde de fluorescence d'un matériau fluorescent. En complément, le dispositif de filtrage 50 comporte un premier condenseur asphérique 54 agencé entre l'embout de sortie 34 du dispositif de collection 20 et le ou les filtres 52. Le premier condenseur asphérique 54 permet de collimater la lumière émergeant du dispositif de collection 20. Autrement dit, le premier condenseur asphérique 54 permet de réduire l'ouverture de la lumière émergeant du dispositif de collection 20 avant le filtrage spectral effectué par le ou les filtres 52. En complément encore, le dispositif de filtrage 50 comporte un deuxième condenseur asphérique 56 agencé entre le ou les filtres 52 et le photodétecteur 18, comme représenté sur la figure 5. Le deuxième condenseur asphérique 56 permet de focaliser la lumière issue du ou des filtres 52 vers le photodétecteur 18. Le fonctionnement de ce deuxième mode de réalisation est analogue à celui du premier mode de réalisation décrit précédemment, et n'est pas décrit à nouveau. Les avantages de ce deuxième mode de réalisation sont analogues à ceux du premier mode de réalisation décrit précédemment. Le système de détection optique 10 selon ce deuxième mode de réalisation permet en outre de filtrer le faisceau lumineux issu du dispositif de collection 20 avant qu'il soit transmis au photodétecteur 18, tout en réduisant l'ouverture de ce faisceau lumineux en amont du filtre, de façon à ce que le rayonnement parvienne au filtre 52 selon une incidence proche de la normale. La figure 6 illustre un troisième mode de réalisation de l'invention pour lequel les éléments identiques au premier mode de réalisation décrit précédemment sont repérés par des références identiques, et ne sont pas décrits à nouveau. Selon ce troisième mode de réalisation, le système de détection optique 10 comprend en outre un miroir 70 comportant une surface réfléchissante 72, la surface réfléchissante 72 étant disposée sensiblement perpendiculairement au bord 16A du substrat par lequel émerge la lumière. La surface réfléchissante 72 disposée sensiblement perpendiculairement au bord 16A permet alors de superposer les deux faisceaux symétriques de la lumière émergeant dudit bord 16A, comme représenté sur la figure 6. Selon ce mode de réalisation, la section d'entrée 40 des fibres optiques est inclinée par rapport à la direction orthogonale au bord 16A du substrat 12, selon un angle dépendant de la distribution angulaire de l'intensité lumineuse issue du substrat 12. Par exemple, lorsque cette distribution a la forme de deux lobes répartis de part et d'autre de ladite direction orthogonale, respectivement selon un angle a et -a par rapport à cette direction, comme représenté sur la figure 2, la section d'entrée 40 est orientée selon l'un de ces angles. Il a été constaté que cet angle a est généralement compris dans une plage de 20 ° à 40 °. Selon ce mode de réalisation, l'utilisation d'un miroir est non nécessaire, mais avantageuse, car elle permet de cumuler les signaux respectivement émis dans les deux lobes. Le fonctionnement de ce troisième mode de réalisation est analogue à celui du premier mode de réalisation décrit précédemment, et n'est pas décrit à nouveau. Les avantages de ce troisième mode de réalisation sont analogues à ceux du premier mode de réalisation décrit précédemment. Le système de détection optique 10 selon ce troisième mode de réalisation permet alors d'améliorer encore le rendement d'interception de la lumière en sortie du substrat 12 jusqu'au photodétecteur 18, de par la superposition des deux faisceaux symétriques émergeant du bord 16A. On conçoit ainsi que le système de détection optique 10 selon l'invention permet d'améliorer le rendement d'interception de la lumière en sortie du substrat 12 jusqu'au photodétecteur 18, par rapport au système de détection optique de l'état de la technique. REVENDICATIONS1.- Système de détection optique (10) comprenant : - un substrat (12) comportant une surface (14) de réception d'un faisceau lumineux (15) et au moins un bord (16), le substrat (12) étant transparent pour un intervalle donné de valeurs de la longueur d'onde du faisceau lumineux (15), le substrat (12) étant propre à guider, par réflexion interne, au moins une partie du faisceau lumineux (15) reçu jusqu'à un bord (16A) correspondant, - un photodétecteur (18) apte à détecter la lumière émise par ledit bord (16A) du substrat, et - un dispositif (20) de collection de la lumière agencé entre ledit bord (16A) du substrat et le photodétecteur (18), le dispositif de collection (20) comprenant une pluralité de fibres optiques (28), chaque fibre optique (28) comportant une première extrémité (36) et une deuxième extrémité (38), caractérisé en ce que les fibres optiques (28) sont disposées les unes contre les autres en leurs premières extrémités (36), de telle sorte que leurs premières extrémités (36) forment une section d'entrée (40) du dispositif de collection (20), et sont disposées les unes contre les autres en leurs deuxièmes extrémités (38), de telle sorte que leurs deuxièmes extrémités (38) forment au moins une section de sortie (42) du dispositif de collection (20). 2.- Système (10) selon la revendication 1, dans lequel la section d'entrée (40) et la section de sortie (42) sont de formes distinctes. 3.- Système (10) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le dispositif de collection (20) présente plusieurs sections de sortie (42) distinctes et distantes les unes des autres. 4.- Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (12) comporte en outre une couche réactive (26) disposée contre ladite surface de réception (14), au moins l'une des propriétés optiques de la couche réactive (26) parmi la luminescence, la transparence et la polarisation étant propre à être modifiée lorsque la couche réactive (26) est en contact avec un composé à détecter. 5.- Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système (10) comprend en outre un dispositif de filtrage spectral (50) disposé entre le dispositif de collection (20) et le photodétecteur (18). 6.- Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système (10) comprend en outre un miroir (70) comportant une surface réfléchissante (72), la surface réfléchissante (72) étant disposée sensiblement perpendiculairement audit bord (16A) du substrat. 7.- Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (12) est en forme d'un parallélépipède rectangle, et la section d'entrée (40) du dispositif de collection (20) est en forme d'un rectangle. 8.- Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système (10) comprend au moins deux photodétecteurs (18) aptes à détecter la lumière émise par le substrat (12), et le dispositif de collection (20) présente plusieurs sections de sortie (42) distinctes, le nombre de sections de sortie (42) étant égal au nombre de photodétecteurs (18), et chaque section de sortie (42) étant disposée en regard d'un photodétecteur (18) respectif.20