Brevet FR3048282A1 — publié le 20170901

SYSTEME DE SPECTROSCOPIE ET D'IMAGERIE Le domaine de l'invention est celui de la spectroscopie et de l'imagerie d'un objet. Parmi les disciplines scientifiques qui peuvent avoir recours à la spectroscopie associée à l'imagerie on peut citer l'archéologie et en particulier l'analyse élémentaire de la surface des matériaux anciens et des traces d'usure qui s'y rencontrent, l'astronomie, la chimie, la géologie, etc. Les instruments qui aujourd'hui, permettent l'étude d'objets tout à la fois en observation directe et en spectroscopie sont des instruments complexes, assez volumineux et onéreux. Quand on s'intéresse à la composition élémentaire de la surface des objets, les deux types d'observation microscopique et spectroscopique peuvent se faire au moyen d'instruments qui sont chacun dédiés à un usage particulier ou au moyen d'instruments qui permettent de combiner les deux modes d'observation. Dans le cas de la double instrumentation, l'analyse spectroscopique est assurée par un matériel souvent portable, bon marché mais qui n'est généralement pas optimisé pour un travail en conjonction avec un microscope. La localisation de la surface analysée est alors moins précise et il peut s'avérer nécessaire de manipuler plusieurs instruments afin d'enregistrer à la fois un signal optique vidéo représentatif de l'image de l'objet et son signal spectroscopique. Dans le cas d'un instrument unique qui associe les fonctions de spectroscopie et de microscopie, il s'agit alors d'une solution coûteuse dont la partie spectroscopie ne s'adapte qu'à un seul type de microscope. En conséquence, il demeure à ce jour un besoin pour un système permettant de basculer aisément entre les deux modes d'observation optique (optique géométrique) et spectroscopique et donnant simultanément satisfaction à l'ensemble des exigences précitées, en termes de coût, de facilité d'utilisation et d'intégration à différents équipements existants. 3048282 2 Plus précisément l'invention a pour objet un système de spectroscopie et d'imagerie d'un objet qui comporte : - un boîtier polygonal équilatéral à au moins quatre côtés dont un côté avec une fente, dans lequel sont placés : 5 o au moins un capteur d'imagerie, chaque capteur d'imagerie étant disposé devant une ouverture pratiquée dans un côté, o un dispositif de diffraction associé à la fente, o au moins un capteur de spectroscopie destiné à capter 10 le spectre de diffraction de l'objet, issu du dispositif de diffraction associé à la fente, - un mécanisme de rotation du boîtier apte à orienter chaque capteur d'imagerie vers l'objet, et apte à orienter la fente vers ledit objet. 15 Le système selon l'invention est donc composé pour l'essentiel, d'un boîtier ou "chambre" de forme polygonale qui repose sur un axe circulaire autour duquel il pivote. Selon la position de la chambre autour de son axe, il est possible d'observer : soit l'image directe d'un objet, soit le spectre de lumière réfléchi ou transmis par ce même objet. Le dispositif 20 permet de permuter rapidement entre mode "imagerie optique" et mode "spectroscopie", sans recourir à deux types d'instruments différents. Selon une caractéristique de l'invention, un capteur de spectroscopie et un capteur d'imagerie sont un même capteur équipé d'un 25 mécanisme de rotation du capteur sur lui-même, apte à orienter le capteur : - vers l'extérieur du boîtier pour assurer la fonction d'imagerie, et - vers le dispositif de diffraction pour assurer la fonction de spectroscopie. Le dispositif de diffraction peut comporter un réseau de diffraction 30 ou un prisme. Selon une autre caractéristique de l'invention, le boîtier comporte une autre fente disposée dans un autre côté et associée audit dispositif de diffraction, et un autre capteur de spectroscopie destiné à capter le spectre de diffraction issu du dispositif de diffraction associé à l'autre fente. 3048282 3 Eventuellement, un côté à fente comporte une ouverture et le boîtier comporte une plaque à fente amovible disposée d'un côté ou de l'autre de cette ouverture. Le mécanisme de rotation du boîtier peut-être manuel ou 5 motorisé. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : 10 la figure 1 représente schématiquement une vue en éclaté d'un exemple de boîtier utilisé dans le système selon l'invention, la figure 2 illustre schématiquement le fonctionnement d'un exemple de système selon l'invention en mode vidéo et en mode spectroscopie. 15 D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. Dans la suite de la description, les expressions « haut », « bas », ..., sont utilisées en référence à l'orientation des figures décrites. Dans la mesure où le système peut être positionné selon d'autres orientations, la 20 terminologie directionnelle est indiquée à titre d'illustration et n'est pas limitative. Un exemple de système de spectroscopie et d'imagerie d'un objet selon l'invention est décrit en relation avec la figure 1. Il comporte : 25 - Un boîtier 100 polygonal qui comporte une face inférieure 10, une face supérieure 20 et au moins 4 côtés (ou parois) verticaux 31 équilatéraux reliant les deux faces, dont un côté 31 avec une fente 32 destinée à laisser passer un faisceau de lumière provenant de l'objet. La fente peut être 30 pratiquée directement dans un côté généralement en son centre. Lorsque l'on souhaite pouvoir disposer d'une autre forme de fente, cette autre fente peut être disposée dans un autre côté et associée audit dispositif de diffraction. Selon une alternative, on pratique dans le côté une ouverture devant laquelle on place une plaque amovible 33 qui comporte la fente 32, en changeant de plaque et donc de forme de fente au gré des besoins. La 3048282 4 plaque est placée d'un côté ou de l'autre de l'ouverture par exemple au moyen d'une série de crochets 34 plats en "L" ou de rails, qui permettent d'insérer et de maintenir en place une plaque 33 dont les dimensions sont pratiquement égales à celles d'un côté. 5 Le boîtier est doté d'un couvercle 20 formant la face supérieure du boitier pour assurer son étanchéité lumineuse lorsque le système est en fonctionnement. Ce couvercle est de préférence amovible pour permettre d'accéder à l'intérieur du boîtier afin d'y placer différents composants optiques. Ce couvercle 20 est associé au boîtier à l'aide de vis 22 (ou tout 10 autre système de fixation). Il est pourvu par exemple en son centre, d'un bouton de préhension 21 utilisé : - pour mettre ou retirer le couvercle lorsque le couvercle est amovible, et/ou - pour établir une sorte de pont thermique entre l'intérieur et l'extérieur du boîtier afin d'évacuer la chaleur, et/ou 15 - éventuellement comme élément du mécanisme de rotation du boîtier comme on le verra plus loin. Le boîtier présente une ouverture circulaire 11 au centre de sa face inférieure 10 permettant de l'enchâsser sur un axe fixe 200 lui aussi circulaire pour autoriser la rotation du boîtier. 20 - Comme on peut le voir figure 2, dans ce boîtier sont placés : o un (ou plusieurs) capteur(s) d'imagerie 350 (capteur CCD par exemple), chaque capteur étant disposé devant une ouverture 35 pratiquée dans un côté du boîtier, de manière à capter l'image (ou 25 les images) vidéo de l'objet. Chaque capteur vidéo est donc orienté vers l'extérieur du boîtier. Un trou 12 peut être pratiqué dans la face inférieure de la chambre afin de laisser un passage au câblage du capteur (fil d'alimentation, câble vidéo). o un dispositif de diffraction 320 associé à la fente 32. Ce dispositif 30 de diffraction comporte typiquement un prisme ou un réseau de diffraction disposé de manière à recevoir les rayons émis par l'objet et ayant traversé la fente. o un capteur de spectroscopie 325 destiné à capter le spectre de diffraction de l'objet, issu du dispositif de diffraction 320 associé à 35 la fente 32. Le capteur de spectroscopie est donc orienté vers le 304 82 82 5 dispositif de diffraction. Plusieurs capteurs de spectroscopie peuvent être installés dans le boîtier. Ils peuvent notamment être installés contre les côtés du boîtier. Les dimensions des capteurs déterminent généralement les 5 dimensions des côtés du boîtier. Les capteurs vidéo 350 et de spectroscopie 325 sont reliés à une unité de traitement 400. On peut utiliser plusieurs capteurs vidéo et/ou de spectroscopie, respectivement sensibles à différents domaines de longueur d'onde (UV, visible, IR), ou de résolutions différentes. 10 Selon un mode de réalisation particulier, un capteur de spectroscopie et un capteur d'imagerie forment un même capteur équipé d'un mécanisme de rotation du capteur sur lui-même, apte à orienter le capteur vers l'extérieur du boîtier pour assurer la fonction d'imagerie et vers le dispositif de diffraction pour assurer la fonction de spectroscopie. 15 Les parois verticales du boîtier comportent donc au minimum deux ouvertures : au moins une fente 32 et au moins une autre ouverture 35 devant laquelle est positionné un capteur vidéo 350, à raison d'une ouverture par capteur vidéo. 20 - Un mécanisme de rotation du boîtier apte à orienter : - chaque capteur d'imagerie 350 vers l'objet pour positionner le système en mode vidéo (= mode acquisition d'une ou plusieurs images de l'objet), et - le côté 31 à fente 32 vers l'objet pour positionner le système en 25 mode spectroscopie. L'axe sur lequel est enchâssé le boîtier est par exemple un socle 200. Le diamètre de ce socle est supérieur à celui de l'ouverture circulaire 11 du boitier dans la partie extérieure à la chambre, mais inférieur à l'ouverture du boîtier dans la partie qui se situe à l'intérieur de celui-ci. Une plaque 210 30 circulaire fixe ainsi qu'une vis permettent d'associer le socle 200 au boîtier 100 tout en autorisant la rotation du boîtier autour du socle et de cette plaque. Dans l'exemple de réalisation tel que montré sur les figures, le bouton 21 de préhension du couvercle est utilisé pour faire pivoter 35 manuellement le boîtier autour de son axe 200. Ainsi tourner le bouton suffit 304 82 82 6 pour basculer d'un mode de fonctionnement (spectroscopie ou vidéo avec éventuellement plusieurs modes vidéo) à l'autre. Bien sûr tout autre dispositif de rotation du boîtier sur un axe de rotation peut être envisagé, éventuellement sans qu'il soit nécessaire de pratiquer une ouverture dans la 5 face inférieure du boîtier. La rotation du boîtier peut aussi être assurée par une motorisation avantageusement programmée par l'unité de traitement pour positionner le boîtier en fonction du mode de fonctionnement choisi. 10 La figure 2 divisée en 3 parties (bas, milieu, haut) illustre le fonctionnement du système en mode vidéo (I) et en mode spectroscopie (S). On voit dans la 1ère partie (en bas) que l'objet 500 à analyser peut être lui-même une image d'un objet formée par un instrument tel qu'un microscope 501 ou une lunette astronomique 502 ou une caméra vidéo 503, 15 sur lequel est positionné le boîtier 100 de manière à présenter ses côtés vers l'objet 500. Le boîtier est par exemple positionné sur l'instrument par un moyen de fixation solidaire du socle du boîtier. En mode imagerie I, le boîtier (vu de dessus dans la 2è partie (du milieu)) est positionné de manière à présenter le capteur vidéo 350 face à 20 l'objet 500. L'image captée 535 est transmise à l'unité de traitement 400 notamment pour être affichée, comme montré dans la 3è partie (en haut). En mode spectroscopie S, le boîtier (vu de dessus dans la 2è partie (au milieu)) est positionné de manière à présenter la fente 32 face à l'objet 500. Les rayons issus de l'objet 500 et ayant traversé la fente 32 sont 25 diffractés par le dispositif de diffraction 320 pour former un spectre de diffraction sur le capteur de spectroscopie 325. Le spectre 525 est transmis à l'unité de traitement 400 notamment pour être affiché comme montré dans la 3è partie (en haut) sous deux formes. 30 Le système selon l'invention permet ainsi de passer très simplement et très rapidement de l'observation directe (optique) d'un objet à l'observation du spectre de lumière qui est réfléchi ou transmis par ce même objet. Le changement du mode d'observation de l'objet est réalisé sans qu'il soit nécessaire de recourir à deux types d'instruments différents. 35 REVENDICATIONS1. Système de spectroscopie et d'imagerie d'un objet (500) qui comporte : - un boîtier (100) polygonal équilatéral à au moins quatre côtés (31) dont un côté avec une fente (32), dans lequel sont placés : o au moins un capteur d'imagerie (350), chaque capteur d'imagerie étant disposé devant une ouverture (35) pratiquée dans un côté, o un dispositif de diffraction (320) associé à la fente, o un capteur de spectroscopie (325) destiné à capter le spectre de diffraction de l'objet, issu du dispositif de diffraction associé à la fente, - un mécanisme (21, 210, 200) de rotation du boîtier apte à orienter chaque capteur d'imagerie vers l'objet, et apte à orienter la fente vers ledit objet. 2. Système de spectroscopie et d'imagerie selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'un capteur de spectroscopie et un capteur d'imagerie sont un même capteur équipé d'un mécanisme de rotation du capteur sur lui-même, apte à orienter ce même capteur vers l'extérieur du boîtier pour assurer la fonction d'imagerie et vers le dispositif de diffraction pour assurer la fonction de spectroscopie. 3. Système de spectroscopie et d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de diffraction (320) comporte un réseau de diffraction ou un prisme. 4. Système de spectroscopie et d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le boîtier comporte une autre fente disposée dans un autre côté et associée audit dispositif de diffraction, et un autre capteur de spectroscopie destiné à capter le spectre de diffraction issu du dispositif de diffraction associé à l'autre fente. 3048282 8 5. Système de spectroscopie et d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins un côté à fente comporte une ouverture et en ce que le boîtier comporte une plaque à fente amovible (33) disposée d'un côté ou de l'autre de cette 5 ouverture. 6. Système de spectroscopie et d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur d'imagerie et/ou de spectroscopie est un capteur UV ou visible ou IR. 10 7. Système de spectroscopie et d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mécanisme de rotation du boîtier est manuel ou motorisé.