Brevet FR3077171A1 — publié le 20190726

Description Titre de l'invention : Procédé et générateur de signaux pour l'asservissement d'un élément acousto-optique Résumé de l'invention [0001] La présente invention concerne un procédé et un générateur de signaux pour l'asservissement d'un élément acousto-optique, un agencement d'un tel générateur de signaux avec un élément acousto-optique et un microscope avec un tel agencement. Etat de la technique [0002] Un défi particulier dans des domaines de la microscopie est de mettre à disposition, indépendamment du procédé utilisé, de la lumière d'excitation ayant une ou plusieurs longueurs d'onde prédéterminées. Selon le genre de procédé de microscopie et/ou selon le type d'échantillon, un ou plusieurs rayons de lumière d'excitation peuvent être nécessaires qui, en général, doivent avoir des caractéristiques spectrales prédéterminées. [0003] Ainsi, par exemple, dans le domaine de la microscopie fluorescente, il est important d'utiliser de la lumière ayant la longueur d'onde qui excite la fluorescence. Différentes longueurs d'onde sont nécessaires notamment lorsque l'échantillon contient des matières fluorescentes ayant des longueurs d'onde d'émission différentes. [0004] Dans le domaine de la microscopie à balayage confocale, il est particulièrement in- téressant d'adapter les intensités pour certaines longueurs d'onde ou d'allumer ou d'arrêter certaines longueurs d'onde. [0005] A cette fin, des éléments à longueurs d'onde sélectives peuvent être utilisés qui fonc- tionnent sur la base de l'effet acousto-optique. De tels éléments acousto-optiques comprennent en général un cristal dit acousto-optique qui est mis en oscillation à l'aide d'un générateur de signaux acoustique, également connu sous la désignation convertisseur ou « transducer » (transducteur). En général, un tel convertisseur comprend un matériau piézoélectrique ainsi que deux ou plusieurs électrodes en contact avec ce matériau. En appliquant électriquement aux électrodes des hautes fréquences, qui sont typiquement dans la plage entre 10 MHz et 10 GHz, le matériau piézoélectrique est excité en oscillation, si bien qu'une onde acoustique puisse être engendrée qui parcourt le cristal. Les cristaux acousto-optiques se distinguent par le fait que l'onde acoustique engendrée modifie les caractéristiques optiques du cristal. [0006] Des exemples pour de tels éléments acousto-optiques sont des filtres acousto- optiques ajustables (AOTF), des modulateurs acousto-optiques (AOM), des déflecteurs acousto-optiques (AOD), des séparateurs de rayon acousto-optiques (AOBS) et des assembleurs de rayon acousto-optiques (AOBM). 2 [0007] Lors de l'utilisation d'éléments acousto-optiques, leur asservissement constitue un défi particulier. Habituellement, les signaux électriques à hautes fréquences pour le convertisseur sont engendrés par un générateur de fréquence (par exemple un oscillateur commandé en tension (appelé en anglais : voltage-controlled oscillator, VCO), une boucle de régulation de phase (en anglais : phase-locked loop, PLL) ou un synthétiseur selon le procédé DDS (synthèse digitale directe (en anglais : direct digital synthesis)) et sont amplifiés à l'aide d'un amplificateur à hautes fréquences de façon telle que l'amplitude est suffisamment grande pour mettre le cristal en oscillation. Lorsque plusieurs fréquences d'asservissement différentes sont appliquées en même temps, des rayons de lumière de plusieurs longueurs d'onde peuvent être déviés en même temps (par exemple avec un AOTF, AOBS, AOBM, AOM) ou une longueur d'onde d'un rayon de lumière incident peut être déviée simultanément en plusieurs rayons de lumière de directions différentes (par exemple avec un AOD). [0008] Pour engendrer un signal d'asservissement ayant plusieurs fréquences, plusieurs gé- nérateurs de fréquence individuels, par exemple des synthétiseurs DDS dont chacun engendre par exemple un signal sinusoïdal, peuvent être combinés, par exemple par mélange analogue ou addition ou superposition des signaux de sortie. Selon une alternative, une superposition numérique est également possible, comme cela est montré dans le document WO 2011/154501 Al. [0009] Il est souhaitable de faire fonctionner des éléments acousto-optiques avec une super- position de plusieurs fréquences d'asservissement. Présentation de l'invention [0010] Conformément à l'invention, un procédé et un générateur de signaux pour asservir un élément acousto-optique, un agencement constitué d'un tel générateur de signaux et d'un élément acousto-optique ainsi qu'un microscope avec un tel agencement sont proposés qui ont les caractéristiques des revendications indépendantes. Des modes de réalisation avantageux font l'objet des revendications dépendantes ainsi que de la description ci-après. [0011] La présente invention est basée sur l'idée d'engendrer le signal d'asservissement pour l'élément acousto-optique avec un spectre de fréquences souhaité ayant au moins une composante de fréquence, en transformant le spectre de fréquences d'abord, à l'aide d'une fonction de transfert de Fourier inversée, en un signal dans le domaine temporel, lequel est ensuite modulé, à l'aide d'une modulation de bande latérale unique, sur un signal de porteuse ayant une fréquence de porteuse. La partie réelle de ce signal modulé est alors le signal d'asservissement avec le spectre de fréquences souhaité autour de la fréquence de porteuse. Selon une alternative, plusieurs spectres de fréquences peuvent être transformés en plusieurs signaux dans le domaine temporel, 3 à partir desquels plusieurs signaux modulés peuvent alors être obtenus dont les parties réelles sont assemblées pour constituer le signal d'asservissement. [0012] L'invention présente l'avantage que l'on n'a besoin que d'un spectre de fréquences qui est constitué d'au moins une fréquence, ou que l'on a besoin de plusieurs spectres de fréquences qui comportent ensemble ladite au moins une fréquence, et un ou plusieurs modulateurs de bande latérale unique, pour obtenir de manière simple le signal d'asservissement souhaité pour l'élément acousto-optique. [0013] Plus particulièrement, l'invention présente l'avantage que, pour un signal d'asservissement comprenant au moins deux composantes de fréquence pour un élément acousto-optique, l'on n'a besoin que d'un spectre de fréquences comprenant lesdites deux fréquences ou plusieurs spectres de fréquences comprenant ensemble lesdites deux fréquences et un ou plusieurs modulateurs de bande latérale unique. [0014] Selon un mode de réalisation avantageux, la modulation de bande latérale unique est effectuée selon un procédé de phase ou le procédé IQ. C'est alors que, de manière connue, deux signaux de bande de base (I et Q) sont modulés, par mélange, sur le signal de porteuse. L'un des deux signaux de bande de base (Q) est alors obtenu du signal d'émission en utilisant une transformation de Hilbert. Pour plus de détails, référence est faite à la littérature spécialisée pertinente. [0015] Selon une alternative, il est également pensable que la modulation de bande latérale unique soit effectuée selon le procédé de filtre ou selon le procédé Weaver, qui sont également connus tous les deux. [0016] Ce qui est préféré, est la transformation de Fourier inversée, une transformation de Fourier rapide inversée (IFFT) ou une transformation de Fourier discrète inversée (IDFT). Ceux-ci peuvent être mis en oeuvre de manière avantageuse comme un algorithme récurrent et peut ainsi être calculé de façon simple. Des mises en oeuvre non-récurrentes économiques en ressources sont également possible. De cette manière, un ou plusieurs signaux d'émission (domaine temporel) peuvent être engendrés de manière simple à partir d'un ou de plusieurs spectres de fréquences (domaine de fréquence). [0017] Selon un autre mode de réalisation avantageux, dans le cas de plusieurs signaux d'émission, au moins deux desdits plusieurs signaux d'émission sont modulés par la modulation de bande latérale unique sur différents signaux de porteuse ayant des fréquences de porteuse différentes. De cette façon, des priorités de fréquence peuvent très facilement être prédéterminées à l'aide des fréquences de porteuse et les spectres respectifs à ces priorités de fréquence peuvent être prédéterminés à l'aide des spectres de fréquences qui sont à la base desdits plusieurs signaux d'émission. [0018] De manière judicieuse, ledit un spectre de fréquences ou lesdits plusieurs spectres de fréquences sont prédéterminés par un utilisateur et sont donc notamment adaptés pour 4 être prédéterminés. Plus particulièrement, de cette manière, un signal d'asservissement peut être engendré de façon relativement flexible selon les besoins actuels, notamment pour asservir l'élément acousto-optique de la façon souhaitée. [0019] Pour cette même raison, de manière judicieuse, ladite une ou lesdites plusieurs fréquences de porteuse sont également prédéterminées ou sont donc adaptées pour être prédéterminées. Elles aussi résultent habituellement des caractéristiques optiques souhaitées de l'élément acousto-optique. [0020] De son côté, l'élément acousto-optique est choisi, de préférence, parmi un filtre réglable de manière acousto-optique, un modulateur acousto-optique, un déflecteur acousto-optique, un séparateur de rayon acousto-optique et un assembleur de rayon acousto-optique. [0021] D'autres avantages et formes de réalisation de l'invention ressortiront de la des- cription et des dessins annexés. [0022] Il va de soi que les caractéristiques énoncées plus haut et les caractéristiques qui seront expliquées ci-après, peuvent être employées non seulement dans les combinaisons respectivement énoncées mais aussi dans d'autres combinaisons ou séparément, sans sortir du cadre de la présente invention. [0023] L'invention est représentée schématiquement dans les dessins en référence à un mode de réalisation et est décrite ci-après en référence aux dessins. Description des dessins [0024] [fig.1] représente un agencement selon un mode de réalisation de l'invention, [0025] [fig.21 représente un générateur de signaux qui est configuré pour mettre en oeuvre un mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, [0026] [fig.31 représente un générateur de signaux qui est configuré pour mettre en oeuvre un autre mode de réalisation d'un procédé selon l'invention, [0027] [fig.41 représente une vue d'ensemble schématique des éléments typiques d'un mi- croscope confocal. [0028] Description détaillée des dessins [0029] La figure 1 représente de manière schématique un agencement 100 selon un mode de réalisation préféré de l'invention. [0030] L'agencement 100 comprend un générateur de signaux 101. Celui-ci sert à l'asservissement d'un élément acousto-optique 200 qui comprend un cristal acoustooptique 202 et un convertisseur piézo-électrique 201 destiné à mettre le cristal 202 en oscillation mécanique. L'élément acousto-optique sert à exercer, d'une manière souhaitée, une influence sur de la lumière, par exemple comme un sélecteur de fréquence. [0031] La figure 2 montre, sous la forme d'une représentation mettant en avant les fonctions, un générateur de signaux 101 selon un mode de réalisation préféré de l'invention. Dans l'exemple représenté, le générateur de signaux 101 comprend une unité fonctionnelle 102 pour engendrer des signaux, laquelle unité peut être réalisée comme FPGA. L'unité fonctionnelle 102 est adaptée pour mettre en oeuvre un mode de réalisation préféré de l'invention et pour engendrer un signal d'asservissement (numérique). En outre, le générateur de signaux comprend un convertisseur numérique-analogue 103 pour convertir le signal d'asservissement numérique en un signal d'asservissement analogue, et un amplificateur 104 pour amplifier le signal d'asservissement analogue. [0032] Dans l'exemple représenté, le signal d'asservissement est basé sur trois spectres de fréquences 1021, 1022 et 1023 qui peuvent être prédéterminés librement par l'utilisateur et qui sont représentés, à titre d'exemples, à l'intérieur de l'unité fonctionnelle 102. Les spectres de fréquences peuvent être prédéterminés, par exemple, sous la forme de tableaux avec des paires de valeurs de fréquence et d'amplitude. Ils peuvent notamment être prédéterminés autour d'une fréquence zéro. [0033] Le premier exemple de spectre de fréquences 1021 est une fonction rectangulaire. Le deuxième exemple de spectre de fréquences 1022 est une fonction de Gauss. Le troisième exemple de spectre de fréquences 1023 est constitué de trois fréquences différentes d'amplitude différente. [0034] A partir de ces trois spectres de fréquences, un signal d'émission dans le domaine temporal est obtenu à l'aide d'une transformation de Fourier rapide inversée 1024 et est acheminé à une modulation de bande latérale unique 1030. De manière connue, la modulation de bande latérale unique transforme un signal d'émission acheminé d'abord, en utilisant une transformation de Hilbert 1028, en une partie I et une partie Q (« en-phase » et « quadrature »). Les deux parties sont mélangées avec une partie sinus ou respectivement cosinus d'un signal de porteuse ayant la fréquence col (c'est-à-dire décalées en fréquence) et sont assemblées pour obtenir un signal modulé dont la partie réelle est finalement émise comme signal de sortie si(t). [0035] Sur la figure 2, il est montré, à titre d'exemple, que sont engendrés le signal de sortie si(t) avec la fréquence col à partir du spectre 1021, le signal de sortie s2(t) avec la fréquence co2 à partir du spectre 1022 et le signal de sortie s3(t) avec la fréquence co3 à partir du spectre 1023. [0036] Le signal d'asservissement est donc obtenu comme un assemblage (c'est-à-dire une somme) 1026 des parties réelles desdits plusieurs signaux modulés si(t)=Re[(Ii(t)+jQi (0)eiwit,, s2(t)=Re[(I2(t)+jQ2(t))eiw2t] et s3(t)=Re[(I3(t)+jQ3(t))eiw3t]. Ce signal numérique engendré dans l'unité fonctionnelle 102 peut donc encore y être amplifié dans un élément 1031 et est alors émis. Ensuite, il est converti dans le convertisseur numérique-analogue 103 en un signal analogue et est amplifié dans l'amplificateur 104 avant d'être émis sur une charge 105, de préférence un élément acousto-optique. 6 [0037] Le spectre 1027 du signal d'asservissement engendré de cette manière est également représenté sur la figure. Il est constitué des trois spectres de fréquences prédéterminés 1021, 1022 et 1023, les fréquences étant, cependant, décalées des fréquences de porteuse respectives. [0038] La figure 3 montre, également dans une représentation d'ordre fonctionnelle, un gé- nérateur de signaux 101' selon un autre mode de réalisation préféré de l'invention, qui est assemblé à partir d'une unité fonctionnelle 102', le convertisseur numérique-analogue 103 et l'amplificateur 104. L'unité fonctionnelle 102' est adaptée pour mettre en oeuvre une autre forme préférée de l'invention et pour engendrer un signal d'asservissement (numérique). Dans ce cas, un signal d'asservissement pour un élément acousto-optique est engendré à partir d'un seul spectre de fréquences 1021a qui, lui-même, est déjà constitué de trois spectres de fréquences 1021, 1022, 1023. A partir du spectre de fréquences 1021a, un signal d'émission dans le domaine temporel est obtenu à l'aide de la transformation de Fourier rapide inversée 1024 et est acheminé à la modulation de bande latérale unique 1030, comme expliqué plus haut. [0039] Le signal d'asservissement est obtenu comme la partie réelle du signal modulé. Ce signal numérique si(t)=ReRI sum(t)+jQ sum(t))eiwt]] engendré dans l'unité fonctionnelle 102', est converti dans le convertisseur numérique-analogue 103 en un signal analogue et est amplifié dans l'amplificateur 104 avant d'être émis sur une charge 105, de préférence un élément acousto-optique. [0040] La figure 4 montre, de manière schématique, un microscope confocal avec des com- posantes typiques. 500 désigne le système complet. L'unité confocale de balayage et de détection est référencée en 505. Le dispositif d'éclairage afférent est référencé en 506. Dans le dispositif d'éclairage, un agencement selon la figure 1 est prévu. [0041] En ce qui concerne 508, il s'agit d'une source lumineuse à laser qui est reliée au dispositif d'éclairage 506 par une fibre d'éclairage 507. Si cela est souhaité, la lumière laser est influencée dans le dispositif d'éclairage 506 à l'aide d'un élément acoustooptique, comme cela est décrit en référence aux figures 1 à 3. [0042] La référence 504 désigne un adaptateur optique pour l'unité confocale de balayage et de détection 505 sur le pied de microscope 501. A l'intérieur du pied 501, il y a la table d'objet 502 avec un échantillon 503 à examiner. Une unité de commande 509 est reliée par des lignes de liaison correspondantes aux différentes composantes 508, 506, 505 et 501. L'unité de commande 509 comprend de préférence un générateur de signaux selon un mode de réalisation préféré de l'invention, par exemple selon la figure 2 ou 3. Un ordinateur avec des programmes de commande et de représentation est référencé en 510 ; il est également relié à l'unité de commande 509. [0043] Selon une première variante, à l'intérieur de l'unité confocale de balayage et de détection 505, un trajet de faisceau confocal classique est disposé qui est constitué, de 7 manière connue, avec un seul sténopé et un scanner de faisceau, par exemple un scanner à miroir. [0044] Selon une deuxième variante, un trajet de faisceau est situé à l'intérieur de l'unité confocale de balayage et de détection 505 avec lequel l'échantillon est éclairé simultanément par un ou plusieurs points d'éclairage ou par des points d'éclairage étendus dans une direction. De manière correspondante, les photons à détecter sont sélectionnés, par exemple, avec un agencement géométrique de trous sténopéiques (sténopés). [0045] L'échantillon 503 à examiner est éclairé par le biais d'une optique de microscope et est reproduit par le biais de cette même optique de microscope, notamment sur un agencement de capteurs 511 qui est constitué, selon le mode de réalisation de l'unité confocale de balayage et de détection 505, par un photomultiplicateur ou une matrice de photomultiplicateurs. Le mode de fonctionnement d'un système 500 représenté sur la figure 4 est suffisamment connu en soi et ne doit donc pas être expliqué ici. [0046] Liste des signes de référence 100 agencement 101, 101' générateur de signaux 102, 102' unité fonctionnelle 103 convertisseur numérique-analogue 104 amplificateur 105 charge [0047] 200 élément acousto-optique 201 convertisseur piézoélectrique 202 cristal acousto-optique 500 système de microscope 501 pied de microscope avec optique de microscope 502 table d'objet 503 échantillon 504 adaptateur optique 505 unité confocale de balayage et de détection 506 dispositif d'éclairage 507 fibre d'éclairage 508 source lumineuse à laser 509 unité de commande avec générateur de signaux 510 ordinateur avec des programmes de commande et de représentation 511 agencement de capteurs 8 [Revendication 11 [Revendication 21 [Revendication 31 [Revendication 41 [Revendication 51 [Revendication 61