FR2754341A1 - Appareil d'analyse spectrale apte a fonctionner dans plusieurs domaines spectraux de longueurs d'onde differentes - Google Patents

Abstract

Les moyens d'excitation comprennent des moyens générateurs générant une pluralité de faisceaux d'excitation monochromatiques (FEX1, FEX2) de longueurs d'onde différentes, et des moyens de transport faisant converger ladite pluralité de faisceaux d'excitation (FEX1, FEX2) sur le même domaine spatial de l'échantillon (ECH). La branche d'analyse comprend des moyens de collecte et de transfert collectant les radiations (RD12) qui résultent de l'illumination dudit domaine spatial de l'échantillon (ECH) par ladite pluralité de faisceaux d'excitation (FEX1, FEX2), et transférant lesdites radiations (RD1, RD2, RD12) sur les moyens d'analyse spectrale (ANA). Les moyens de détection (DEC) et de traitement détectent et traitent les spectres générés par ledit domaine spatial de l'échantillon ainsi excité à différentes longueurs d'onde.

Description

Appareil d'analvse spectrale apte à fonctionner dans plusieurs domaines spectraux de longueurs d'onde différentes
La présente invention concerne un appareil d'analyse spectrale apte à fonctionner dans plusieurs domaines spectraux de longueurs d'onde différentes pour notamment caractériser la distribution spatiale d'au moins une espèce chimique présente dans un échantillon.

Elle trouve ude application générale en spectrométrie moléculaire, en particulier mais non limitativement en spectrométrie Raman.

On connaît déjà de nombreux appareils d'analyse spectrale fonctionnant soit dans un seul domaine spectral, soit dans plusieurs domaines spectraux.

Lorsque l'analyse exige des mesures dans plusieurs domaines spectraux, ces mesures ne sont pas réalisées, jusqu'à présent, sur le même domaine spatial de l'échantillon, ou bien elles le sont mais avec des appareils différents, ou encore à l'aide de commutations ou réglages qui compliquent la mise en oeuvre de l'analyse.

La présente invention remédie à ces inconvénients.

Elle a pour but d'offrir aux chercheurs et/ou aux analystes, un appareil d'analyse spectrale apte à exciter le même domaine spatial d'un échantillon, par plusieurs faisceaux d'excitation de longueurs d'onde différentes, en vue d'obtenir au moins plusieurs spectres moléculaires à différentes longueurs d'onde générés par ledit même domaine de l'échan- tillon.

Elle porte sur un appareil d'analyse spectrale d'un échantillon du type comprenant: - une branche d'excitation, comprenant des moyens d'excitation, pour exciter un échantillon; - une branche d'analyse, comprenant des moyens d'analyse spectrale, pour analyser spectralement la lumière diffusée et/ou réfléchie par l'échantillon; - des moyens de détection montés à la sortie de la branche d'analyse; et - des moyens de traitement pour traiter les signaux détectés par les moyens de détection afin d'en déduire des informations sur la distribution spatiale d'au moins une espèce chimique présente dans ledit échantillon.

Selon une définition générale de l'invention, les moyens d'excitation comprennent des moyens générateurs propres à générer une pluralité faisceaux d'excitation monochromatiques de longueurs d'onde différentes, et des moyens de transport propres à lesdits faisceaux d'excitation sur le même domaine spatial de l'échantillon; la branche d'analyse comprend des moyens de collecte et de transfert propres à collecter les radiations qui résultent de l'illumination dudit domaine spatial l'échantillon par ladite pluralité de faisceaux d'excitation, et à transférer ces radiations sur les moyens d'analyse spectrale; les moyens de détection et de traitement sont propres à détecter et à traiter les spectres générés par ledit domaine spatial de l'échantillon ainsi excité à différentes longueurs d'onde.

La convergence de la pluralité de faisceaux d'excitation monochromatiques sur le même domaine spatial de l'échantillon est séquentielle ou simultanée.

De même, la détection spectrale à différentes longueurs d'onde est séquentielle ou simultanée.

Un tel appareil est ainsi apte à enregistrer plusieurs spectres moléculaires générés par le même domaine spatial (ou zone spatiale) de l'échantillon à différentes longueurs d'onde, ce qui facilite la mise en oeuvre de l'analyse et surtout le traitement des informations en augmentant la quantité de données utiles pour la caractérisation moléculaire de l'échantillon par les méthodes de traitement telles que la chimiométrie.

Il offre ainsi aux chercheurs et/ou analystes la possibilité d'observer, simultanément ou séquentiellement, en combinaison ou en corrélation, des spectres de différents types (résonance, hors résonance, absorption, fluorescence, ou loin de toute fluorescence) dans des domaines spectraux distincts, par exemple dans le domaine spectral de l'ultraviolet-visible et dans le domaine spectral du proche infra-rouge.

I1 permet aussi par exemple la discrimination d'une bande de fluorescence par un traitement informatique approprié des données spectrales obtenues simultanément ou séquentiellement à différentes longueurs d'onde.

En pratique, les moyens de transport sont propres à transporter la pluralité de faisceaux d'excitation monochromatiques sur un axe optique commun.

Selon une caractéristique très importante du dispositif selon l'invention, les moyens de transport ainsi que les moyens de collecte et de transfert sont achromatiques dans un très large domaine spectral, allant en particulier du visible jusqu'à l'infrarouge.

Cette achromaticité permet d'offrir une analyse dans plusieurs domaines spectraux allant de l'ultraviolet jusqu'à l'infrarouge alors qu'habituellement les domaines de correction des aberrations chromatiques des systèmes à lentilles sont limités à une gamme spectrale peu étendue.

En pratique, les moyens de transport ainsi que les moyens de collecte et de transfert sont de préférence au moins partiellement disposés et confondus sur l'axe optique commun.

Selon un autre aspect de l'invention, les moyens de transport comprennent des premiers moyens de déflexion achromatiques, disposés sur l'axe optique commun et propres à déplacer, selon une première ligne d'une longueur choisie, et à une fréquence choisie, la pluralité de faisceaux d'excitation monochromatiques, sur l'échantillon à analyser, et lesdits premiers moyens de déflexion sont propres également à recevoir et ramener, sur l'axe optique commun, les radiations résultant de ladite illumination en compensant en retour la première déflexion, lesdites radiations résultantes comprenant les spectres générés par la ligne de domaines spatiaux de l'échantillon ainsi balayée et illuminée à différentes longueurs d'onde.

Très avantageusement, les premiers moyens de déflexion sont confocaux, chaque première ligne analysée de l'échantillon étant formée de points ayant rigoureusement des propriétés confocales.

Pour obtenir des images confocales spectrales de l'échantil- lon ainsi balayé par les premiers moyens de déflexion, les moyens de collecte et de transfert comprennent des seconds moyens de déflexion achromatiques confocaux, disposés sur l'axe optique commun, et propres à distribuer spatialement sur la fente d'entrée des moyens d'analyse spectrale, selon une seconde ligne de longueur choisie et à la même fréquence que celle des premiers moyens de déflexion, lesdites radiations résultantes provenant des premiers moyens de déflexion, les première et seconde déflexions étant synchrones l'une par rapport à l'autre pour conserver les informations spatiales desdites radiations résultantes.

Très avantageusement, les longueurs des première et seconde lignes de balayage sont choisies l'une par rapport à l'autre de manière à réaliser un grandissement choisi des images spectrales de l'échantillon sur les moyens de détection.

Pour obtenir des images spectrales confocales de l'échantil- lon, les moyens de collecte et de transfert comprennent en pratique un diaphragme monté sur l'axe optique commun entre les premiers et seconds moyens de déflexion et dont le diamètre est ajustable sur commande pour contrôler la dimension latérale de l'échantillon analysé ainsi que la profondeur de champ.

Pour des applications particulières telles que des mesures in situ, l'appareil comprend au moins une fibre optique propre à acheminer les informations confocales issues du diaphragme ajustable jusqu'à l'entrée des seconds moyens de déflexion.

Selon un autre aspect de l'invention, l'appareil comprend en outre des moyens d'imagerie confocale propres à détecter au moins partiellement l'énergie des radiations qui résultent de l'illumination de l'échantillon ainsi balayé pour disposer, le cas échéant simultanément, d'au moins une image confocale et de plusieurs images spectrales confocales relatives au même domaine spatial de l'échantillon ainsi balayé. En variante, les moyens d'imagerie confocale sont aptes à délivrer plusieurs images confocales du même domaine spatial de l'échantillon obtenues à différentes longueurs d'onde.

Un tel appareil permet ainsi de disposer, le cas échéant, simultanément, d'une image confocale et de plusieurs images confocales spectrales du même domaine spatial de l'échantillon, en vue de les comparer, les superposer ou les traiter. Ces informations de différentes natures ainsi rendues disponibles facilitent et améliorent le travail des utilisateurs en leur offrant encore plus d'informations utiles à l'analyse de l'échantillon.

Il permet aussi de comparer, superposer ou de traiter des images confocales obtenues sur un autre appareil avec les images confocales et spectrales confocales obtenues avec l'appareil objet de l'invention au même endroit de l'échan- tillon.

En pratique, les moyens d'imagerie confocale comprennent un diaphragme d'ouverture ajustable et au moins un détecteur relié aux moyens de traitement.

Selon une autre caractéristique de l'invention, l'appareil comprend en outre des moyens d'asservissement propres à détecter au moins partiellement l'énergie des radiations qui résultent de l'illumination de l'échantillon pour asservir la distance de l'objectif à l'échantillon.

En pratique, les moyens d'asservissement comprennent un filtre optique séparant les radiations utiles à la caractérisation spectrale de l'échantillon, un diaphragme d'ouverture ajustable, et un détecteur de signal relié à une unité d'asservissement propre à asservir la distance de l'objectif à l'échantillon à l'aide du signal confocal ainsi détecté.

De préférence, l'appareil comprend une platine porte-échantillon ajustable en Z en réponse aux moyens d'asservissement et/ou un élément optique de focalisation ajustable en Z en réponse aux moyens d'asservissement.

Selon encore une autre caractéristique importante de l'invention, les moyens de collecte et de transfert comprennent des moyens de filtrage propres à séparer les radiations utiles à la caractérisation spectrale de l'échantillon pour chaque faisceau d'excitation.

En pratique, les moyens de filtrage comprennent plusieurs éléments de filtrage, montés en série sur l'axe commun, et chacun associé au filtrage d'un faisceau d'excitation autour d'une longueur d'onde d'excitation choisie, dans un sens optique de l'axe commun, d'une part, et des radiations rétro-diffusées autour de ladite longueur d'onde d'excitation choisie, dans l'autre sens de l'axe commun, d'autre part, les bandes passantes des éléments de filtrage étant compatibles entre elles.

De préférence, chaque élément de filtrage, monté en série sur l'axe commun, est à bande étroite, de pente d'atténuation raide et centrée sur la longueur d'onde d'excitation associée et apte à injecter selon un premier sens allant des moyens générateurs vers l'échantillon, un faisceau d'excitation comprenant des rayonnements utiles à l'illumination et à arrêter les rayonnements inutiles à l'illumination situés hors de la bande étroite, ainsi qu'à transmettre simultanément selon un second sens inverse du premier, les radiations rétro-diffusées utiles à l'analyse spectrale et situées hors de la bande étroite et à rejeter les radiations rétro-diffusées inutiles à l'analyse spectrale réfléchies ou diffusées autour de la longueur d'onde d'excitation associée.

Selon un autre aspect de l'invention, les moyens d'analyse spectrale comprennent une pluralité de disperseurs, aptes à être couplés respectivement à une pluralité de moyens de détection multicanaux sensibles chacun à au moins un domaine spectral.

En variante, les moyens d'analyse spectrale comprennent un seul disperseur stigmatique, achromatique et apte à fonctionner simultanément ou séquentiellement à une pluralité d'ordres différents pour couvrir une pluralité de domaines spatiaux distincts.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lumière de la description détaillée ci-après et des dessins qui peuvent contribuer à la définition de l'invention, le cas échéant, et dans lesquels: - les figures 1 et 2 représentent schématiquement de façon globale les moyens constitutifs de l'appareil selon l'invention; - la figure 3 illustre schématiquement de façon détaillée les éléments constitutifs des moyens de transport, ainsi que des moyens de collecte et de transfert de l'appareil selon l'invention; - la figure 4 représente schématiquement de façon détaillée les premiers moyens déflecteurs selon l'invention; - la figure 5 représente schématiquement de façon détaillée l'optique d'entrée et le porte-échantillon de l'appareil selon l'invention; - la figure 6 représente schématiquement de façon détaillée les moyens d'imagerie confocale, ainsi que les moyens d'asservissement de la mise au point de l'appareil selon l'invention; - la figure 7 représente schématiquement de façon détaillée les seconds moyens déflecteurs selon l'invention; - la figure 8 représente schématiquement une variante de l'invention comprenant une connexion par fibre optique du diaphragme ajustable jusqu'à l'entrée des seconds moyens déflecteurs selon l'invention - la figure 9 illustre schématiquement de façon détaillée les moyens d'analyse spectrale comprenant un premier spectromètre dispersif apte à fonctionner à une première longueur d'onde et associé à un détecteur de signal selon l'invention; - la figure 10 illustre schématiquement de façon détaillée les moyens d'analyse spectrale comprenant un second spectromètre dispersif apte à fonctionner à une seconde longueur d'onde et associé à un détecteur de signal selon l'invention; et - la figure 11 illustre une variante de l'appareil dans laquelle les seconds moyens de déflexion sont séparés en deux éléments déflecteurs distincts selon l'invention.

Pour faciliter la compréhension de la description, 1' appareil d'analyse spectrale selon l'invention comprend seulement deux faisceaux d'excitation monochromatiques FEX1 et FEX2 de longueurs d'onde différentes. Bien évidemment, l'invention s'applique aussi à n faisceaux d'excitation, avec n nombre entier supérieur ou égal à 2.

En pratique (figure 1), les faisceaux d'excitation FEX1 et
FEX2 sont générés par une ou deux sources lasers SL qui sont par exemple du type à longueurs d'onde fixes (laser solide, laser à gaz) ou du type à longueurs d'onde accordables (laser à colorants, laser à diodes). Ces faisceaux d'excitation peuvent être acheminés depuis leurs sources respectives vers leurs entrées respectives 10 et 12 par des fibres optiques monomodes ou multimodes (non représentées).

Dans un exemple présentant de nombreux intérêts en spectrométrie RAMAN, la longueur d'onde du faisceau laser FEX1 est de 532 nm (visible) et celle du faisceau laser FEX2 est de 1064 nm (proche infrarouge). Bien évidemment, l'invention s'applique à des faisceaux d'excitation monochromatiques ayant d'autres valeurs de longueurs d'onde que 532 ou 1064 nm. Dans ce cas particulier, on pourra utiliser le même spectromètre travaillant à deux ordres différents.

Le faisceau d'excitation monochromatique FEX1 d'une longueur d'onde appartenant par exemple au domaine de l'ultravioletvisible est représenté par des flèches à traits pleins fins.

Le faisceau d'excitation monochromatique FEX2 d'une longueur d'onde appartenant par exemple au domaine du proche infrarouge est représenté par des flèches à traits tiretés fins.

Les radiations RD12 résultant de l'illumination simultanée de l'échantillon par les faisceaux d'excitation FEX1 et FEX2 sont représentées par des flèches épaisses à traits continus d'une part et à traits tiretés d'autre part. Les radiations
RD1 résultant de l'illumination de l'échantillon par le faisceau d'excitation FEX1 dans le visible sont représentées par des flèches épaisses à traits continus. Les radiations
RD2 résultant de l'illumination de l'échantillon par le faisceau d'excitation FEX2 dans le proche infra-rouge sont représentées par des flèches épaisses à traits tiretés.

Sur la figure 3, le faisceau d'excitation FEX1 est transporté depuis l'entrée 10, selon l'axe AX1 et le sens de propagation de la lumière, vers un filtre FT1, par des éléments optiques comprenant un miroir M1, un filtre spatial d'ouverture ajustable DF1 (trou de filtrage spatial), deux lentilles L1 et L2 encadrant le filtre DF1, et des miroirs M2 et M3.

Le filtre FT1 est incliné par rapport à la normale à l'axe commun AXC, que l'on décrira plus en détail ci-après, selon un angle d'une valeur de quelques degrés. I1 est à bande étroite, de pente d'atténuation raide et centrée sur la longueur d'onde 532 nm. I1 permet d'injecter selon l'axe commun AXC, vers l'échantillon (c'est-à-dire ici vers l'entrée/sortie 14), un faisceau d'excitation FEX1 comprenant des rayonnements utiles à l'illumination et d'arrêter les rayonnements inutiles à l'illumination situés hors de la bande étroite. Le filtre FT1 est par exemple un disperseur par réflexion (réseau non représenté ici) ou un disperseur par réflexion et transmission (filtre holographique représenté ici en figure 3).

Le filtre FT1 permet aussi la transmission achromatique selon l'axe commun AXC, vers les moyens d'analyse spectrale ANA (figures 9 et 10), des radiations rétro-diffusées utiles à l'analyse spectrale et situées hors de la bande étroite et la réjection des radiations rétro-diffusées inutiles à l'analyse spectrale réfléchies ou diffusées autour de 532 nm.

Le faisceau d'excitation FEX2 est transporté selon l'axe AX2 et le sens de propagation de la lumière depuis l'entrée 12 vers un filtre FT2 par des éléments optiques comprenant un miroir M4, un filtre spatial d'ouverture ajustable DF2 (trou de filtrage spatial), deux lentilles L3 et L4 encadrant le filtre DF2, et un miroir M5.

Le filtre FT2 est similaire au filtre FT1. Il est incliné par rapport à la normale à l'axe commun AXC selon un angle d'une valeur de quelques degrés. Il est à bande étroite, de pente d'atténuation raide et centrée sur la longueur d'onde 1064 nm. Il permet d'injecter selon l'axe commun AXC, vers l'échantillon (c'est à dire vers l'entrée/sortie 14), un faisceau d'excitation FEX2 comprenant des rayonnements utiles à l'illumination et d'arrêter les rayonnements inutiles à l'illumination situés hors de la bande étroite. Le filtre FT2 est par exemple un disperseur par réflexion et transmission (filtre holographique).

Le filtre FT2 permet aussi la transmission achromatique selon l'axe commun AXC, vers les moyens d'analyse spectrale ANA (c'est-à-dire vers la sortie 100), des radiations rétro-diffusées utiles à l'analyse spectrale et situées hors de la bande étroite et la réjection des radiations rétro-diffusées inutiles à l'analyse spectrale réfléchies ou diffusées autour de 1064 nm.

Les filtres FT1 et FT2 sont ici montés en série sur l'axe commun AXC. Ils sont chacun associé au filtrage d'un faisceau d'excitation autour d'une longueur d'onde d'excitation choisie, dans un sens optique de l'axe optique commun, d'une part, et au filtrage des radiations rétro-diffusées autour de ladite longueur d'onde d'excitation choisie, dans l'autre sens de l'axe optique commun, d'autre part.

Il est à remarquer que les bandes passantes des filtres FT1 et FT2 sont compatibles entre elles, c'est-à-dire que le filtre FT1 qui laisse passer le faisceau FEX1 selon la bande passante du filtre FT1 laisse aussi passer le faisceau FEX2 selon la bande passante du filtre FT2. Il en est de même pour les radiations résultant de l'illumination de l'échantillon par les faisceaux FEX1 et FEX2. En d'autres termes, le filtre
FT1 tient compte du filtrage assuré par le filtre FT2 et réciproquement.

Dans le cas où l'un des filtres FT1 et FT2 présente une atténuation trop importante pour l'autre radiation, un système séquentiel peut être avantageusement utilisé.

Un miroir M6 est intercalé entre les filtres FT1 et FT2. Il sert ici à modifier la direction de l'axe commun optique AXC.

Bien évidemment, tous les miroirs ne sont pas ici impérativement nécessaire au transport des faisceaux d'excitation. Ils sont là pour améliorer la compacité de l'appareil selon l'invention. Bien évidemment d'autres trajets lumineux et d'autres configurations de miroirs sont possibles. Par contre ce qui est important ici, c'est l'achromaticité conférée par ces miroirs (sphériques ou asphériques) car elle offre la possibilité d'analyser séquentiellement ou simultanément dans plusieurs domaines spectraux allant du visible jusqu'à l'infrarouge alors qu'habituellement les domaines de correction des aberrations chromatiques des systèmes à lentilles sont limités à une gamme spectrale peu étendue. Il est à remarquer que l'achromacité des miroirs peut être remplacée par une achromacité des éléments optiques obtenue par des logiciels appropriés.

En référence aux figures 1 à 4, les faisceaux FEX1 et FEX2 sont ensuite transportés depuis l'entrée/sortie 16 vers un ensemble achromatique comprenant un déflecteur DL1, disposé sur l'axe commun AXC et qui peut balayer selon une ligne de longueur choisie LN1, à une fréquence choisie, les faisceaux d'excitation monochromatiques FEX1 et FEX2, sur une ligne de domaines spatiaux LS proportionnelle à la ligne LN1 de l'échantillon à analyser (avec LS = K(LN1) et K coefficient de proportionnalité). La ligne LS (figure 2) est constituée d'une rangée de domaines spatiaux confocaux mO, ml, m2, m3, appartenant à l'échantillon.

Le transport des faisceaux FEX1 et FEX2 de l'entrée/sortie 16 vers l'entrée/sortie 18 s'effectue ici par un miroir M7, le déflecteur DL1, un miroir M8, et un miroir M9.

La déflexion engendrée par le déflecteur DL1 permet ici d'obtenir un balayage ligne par ligne (en X) de l'échantil- lon. Ce balayage en X est avantageusement couplé à un porteéchantillon 30 à déplacement micrométrique en Y. Le balayage
XY image peut aussi être réalisé optiquement par exemple par rotation sur un axe perpendiculaire de l'ensemble déflecteur
DL1.

Le déflecteur DL1 est apte à ramener sur l'axe optique commun
AXC, les radiations RD12 résultant de l'illumination de l'échantillon ainsi balayé en compensant en retour la déflexion.

En référence à la figure 5, l'appareil comprend un porteéchantillon 30 de type table micrométrique XY, susceptible de porter l'échantillon à analyser ECH. Le plus souvent, l'échantillon est analysé sous un objectif 22 de microscope réglable en Z. Une caméra TV peut aussi recevoir les radiations RD12 via une lame séparatrice 33 disposée sur l'axe optique commun.

La table 30 est mobile en déplacement micrométrique X et Y.

Des moyens d'asservissement 35 sont propres à piloter également le déplacement en Z de l'objectif 22 comme on le décrira plus en détail ci-après ou le déplacement en Z de la table micrométrique.

On fait de nouveau référence aux figures 1 à 4. Les radiations RD12 qui résultent de l'illumination de l'échantillon par les faisceaux d'excitation FEX1 et FEX2 sont collectées par les éléments optiques M9, M8, DL1, M7 pour être filtrées par les filtres FT1 et FT2. Après filtrage, ces radiations RD12 sont ensuite transférées vers des moyens d'analyse spectrale ANA par des miroirs M10 et M11, un diaphragme d'ouverture ajustable DA1 (trou confocal), et la sortie 100.

Le diamètre du trou confocal DA1 est ajustable sur commande pour régler la dimension latérale de l'échantillon analysé, ainsi que la profondeur du champ.

Ce trou confocal DA1 est placé entre les premiers moyens déflecteurs DL1 et les seconds moyens déflecteurs DL2 que l'on décrira plus en détail ci-après (figure 7), pour contrôler confocalement l'ensemble des domaines spatiaux de l'échantillon ainsi balayé par les premiers moyens déflecteurs.

L'appareil est donc avantageusement confocal, c'est-à-dire que les filtres spatiaux DF1 et DF2 sont conjugués optiquement avec le trou confocal DA1 dont l'ouverture est ajustée pour obtenir une résolution axiale et latérale choisie. La collection confocale des spectres RD12 permet donc de produire des sections optiques de profondeur choisie, qui, avec des logiciels appropriés, peuvent être manipulées comme des représentations en trois dimensions de l'échantillon.

Il est à remarquer que l'asservissement en Z de la position de l'objectif 22 ou de la table micrométrique est importante pour cette application.

A la sortie du trou confocal DA1, il est possible de mesurer l'énergie des radiations RD12 d'une ligne LS de domaines spatiaux de l'échantillon, en vue par exemple de déterminer des inhomogénéités dans l'échantillon.

En référence aux figures 1 à 6, l'axe optique commun AXC passe ici par l'échantillon, les filtres FT1 et FT2, le déflecteur DL1 et le trou confocal DA1.

En référence à la figure 7, les radiations RD12 issues de la sortie 100 sont acheminées vers la sortie 102 à travers des miroirs M12 et M13, un déflecteur DL2 et la fente d'entrée FE des moyens d'analyse spectrale. Le déflecteur DL2 a ici pour rôle de permettre d'utiliser les informations spatiales contenues dans les radiations RD12 en distribuant ces radiations le long de la fente d'entrée des moyens d'analyse spectrale.

L'ensemble déflecteur DL2 est achromatique. Il répartit selon une ligne LN2 sur la fente d'entrée FE des moyens d'analyse spectrale ANA, les radiations RD12 ramenées sur l'axe commun
AXC par le déflecteur DL1. Cette répartition ou distribution s'effectue à la même fréquence que celle des premiers moyens de déflexion. En pratique, la longueur de la seconde déflexion LN2 est une constante.

Les déflexions DL1 et DL2 sont avantageusement synchrones l'une par rapport à l'autre pour conserver les informations spatiales des radiations RD12. Les longueurs des lignes LN1 et LN2 sont également choisies et asservies par une électronique de commande (non représentée) l'une par rapport à l'autre de manière à réaliser le cas échéant un grandissement choisi des images spectrales confocales sur les moyens de détection à deux dimensions comme on le décrira plus en détail ci-après (figures 9 et 10).

En référence à la figure 8, pour certaines applications telles que les mesures in situ ou autres, le contrôle confocal permet de séparer l'appareil en deux parties reliées l'une à l'autre par une fibre optique FO tout en conservant les caractéristiques et avantages de l'appareil. La première partie comprend le module décrit en référence à la figure 3, tandis que la seconde partie comprend les seconds moyens déflecteurs décrits en référence à la figure 7. A l'entrée de la fibre optique FO, un dispositif de focalisation FOC focalise les radiations RD12 issues du trou confocal DA1 dans la fibre optique FO. A la sortie de la fibre optique, un dispositif de collimation COL est prévu pour collimater les radiations RD12 issues de la fibre optique FO sur le miroir
M12 via, le cas échéant, un autre trou confocal DA2 placé à la sortie de la fibre et optiquement conjugué avec le trou confocal DA1 placé à l'entrée de la fibre.

Il est à remarquer que la fibre optique FO, transportant les informations confocales issues du trou confocal DA1, permet de séparer l'appareil en deux branches confocales dont l'une, relative à l'illumination, peut être placée dans un endroit choisi, et dont l'autre, relative à l'analyse, peut être placée dans un autre endroit soumis par exemple à des conditions d'environnement différentes de celles de l'endroit où a lieu l'illumination. Le transport des informations confocales rend aussi l'appareil facilement modulaire, avec la possibilité d'utiliser dans la branche d'illumination et dans la branche d'analyse différents modules interchangeables.

Les informations relatives à la synchronisation SYN des déflecteurs DL1 et DL2 peuvent être le cas échéant véhiculées par la fibre optique FO ou par tout autre moyen de transport d' informations.

Il est à remarquer que lorsque les deux ensembles déflecteurs
DL1 et DL2 sont à l'arrêt, on obtient un système classique ponctuel confocal. Une image spectrale confocale peut être alors obtenue par déplacement micrométrique de l'échantillon.

En référence à la figure 6, des moyens d'imagerie confocale
DCC sont prévus dans un endroit du trajet lumineux où les radiations utiles à la caractérisation spectrale de l'échan- tillon sont accessibles. Par exemple, ces moyens d'imagerie confocale sont disposés entre l'entrée/sortie 14 et l'en- trée/sortie 16 décrites en référence aux figures 3 et 4.

Une lame séparatrice 19 disposée sur l'axe optique commun AXC prélève selon l'axe 17 une portion de l'énergie des radiations RD12. Une lentille 21 focalise le faisceau prélevé PERD12 à travers un diaphragme DF3 d'ouverture réglable e

Avantageusement, des moyens d'asservissement de la mise au point de l'appareil utilisent en partie le prélèvement d'énergie des radiations RD12 pour asservir la mise au point de l'appareil.

En pratique, une lame séparatrice 41 est placée sur le trajet lumineux entre la lentille 21 et le diaphragme DF3 pour prélever une portion de l'énergie des radiations RD12. Un filtre 43 sépare les radiations utiles à la caractérisation spectrale.

Un détecteur 47 reçoit ces radiations filtrées à travers un diaphragme DF4 d'ouverture réglable. Le détecteur 47 est relié aux moyens d'asservissement 37 décrit en référence à la figure 5. Les informations issues du détecteur 47 permettent d'asservir la position de l'objectif du microscope par rapport à l'échantillon.

La position latérale du trou DF4 est calibrée et peut être réglable dans la direction de l'axe AX3 en fonction de la pénétration (en profondeur) choisie de l'échantillon placé sous l'objectif 22 du microscope.

En référence à la figure 9, les moyens d'analyse spectrale
ANA comprennent un premier spectromètre dispersif R1 couplé à un détecteur multicanal DEC1.

Une lame séparatrice de type dichroïque BS reçoit les radiations RD12 issues de la fente d'entrée FE et les séparent en deux faisceaux de radiations RD1 et RD2 selon leurs longueurs d'onde. Ici, les radiations RD1 sont celles appartenant au domaine du visible, et les radiations RD2 sont celles appartenant au domaine de l'infrarouge. Bien évidemment, la séparation des radiations peut s'effectuer selon une autre répartition et par d'autres moyens.

Les radiations RD1 sont acheminées vers le détecteur multicanal DEC1 sensible ici dans l'exemple choisi aux longueurs d'onde appartenant au domaine du visible.

Le spectre m'1 affiché sur le détecteur DEC1 (figure 2) correspond au spectre du domaine spatial de l'échantillon ml généré par le faisceau d'excitation FEX1.

Par exemple, le détecteur DEC1 est un détecteur CCD à deux dimensions comprenant une mosaïque de 1024x296 pixels, refroidi par effet Peltier ou à l'azote liquide. Par exemple, le nombre P1 (figure 2) de pixels par colonne permet de déterminer la résolution spatiale du détecteur et le nombre pl de pixels par ligne permet de déterminer la résolution spectrale du détecteur. Le facteur de grandissement des images spectrales est fonction de la longueur LN1 lorsque LN2 est constante. Il est aussi égal au rapport entre le nombre
P de pixels par colonne et la longueur LS.

Le trajet lumineux des radiations RD1 entre la lame séparatrice BS et l'entrée 110 du détecteur DEC1 s'effectue par des éléments optiques montés en série et comprenant des miroirs
M20 et M21, un collimateur Cl, un réseau dispersif R1 et un collimateur C2.

Les éléments optiques M20, M21, C1, R1, et C2 sont agencés optiquement de telle sorte que la spectrométrie soit astigmatique, achromatique, et à champ plan dans la région choisie.

En référence à la figure 10, les radiations RD2 sont acheminées vers le détecteur multicanal DEC2 sensible ici aux longueurs d'onde appartenant au domaine de l'infrarouge.

Par exemple, le détecteur DEC2 est un détecteur multicanal en germanium, refroidi à l'azote liquide, ou un détecteur multicanal à base d'arséniure de gallium, refroidi par effet
Peltier ou à l'azote liquide.

Le spectre m"1 affiché sur le détecteur DEC2 (figure 2) correspond au spectre du domaine spatial confocal ml de l'échantillon généré par le faisceau d'excitation FEX2.

Le trajet lumineux des radiations RD2 entre la lame séparatrice BS et l'entrée 120 du détecteur DEC2 s'effectue par des éléments optiques montés en série et comprenant un collimateur C3, un miroir M30, un réseau dispersif R2 et un collimateur C4.

Les éléments optiques C3, M30, R2, et C4 sont agencés optiquement de telle sorte que la spectrométrie soit astigmatique, achromatique, et à champ plan dans la région choisie.

Il est à remarquer qu'il n'est pas nécessaire que les moyens d'analyse spectrale comprennent deux réseaux dispersifs séparés pour mettre en oeuvre l'invention. En effet, l'invention peut aussi être mise en oeuvre avec un seul réseau dispersif ayant plusieurs ordres différents, ce qui permet de couvrir plusieurs domaines spectraux, avec par exemple chaque ordre du réseau associé à un domaine spectral.

L'invention peut aussi utiliser un seul réseau associé à plusieurs détecteurs multicanaux placés à des angles différents en fonction des longueurs d'onde choisies.

Elle peut aussi utiliser d'autres systèmes dispersifs.

De même, il n'est pas nécessaire que les moyens de détection comprennent deux détecteurs séparés pour mettre en oeuvre l'invention. En effet, l'invention peut aussi être mise en oeuvre avec un seul détecteur à la condition qu'il couvre valablement un domaine spectral approprié.

Par ailleurs, les radiations résultant de têtes de mesure extérieures (in situ) peuvent être acheminées vers les moyens d'analyse spectrale, à l'aide de fibres optiques optimisées selon la longueur d'onde, c'est à dire une fibre optique pour les radiations RD1 dans le visible, et une autre fibre optique pour les radiations RD2 dans l'infrarouge.

L'interposition des radiations RD1 et RD2 ainsi issues des fibres optiques peut être réalisée à l'aide de miroirs escamotables.

En variante (figure 11), il est possible de mettre en oeuvre l'invention avec des seconds moyens déflecteurs séparés en deux éléments déflecteurs distincts DL21 et DL22. Dans ces conditions, les radiations RD12 issues du trou confocal DA1 sont directement séparées en des radiations RD1 et des radiations RD2 par une lame dichroïque LD. Les radiations RD1 sont distribuées spatialement par un premier élément déflecteur
DL21 sur l'entrée FE1 d'un premier disperseur SP1 tandis que les radiations RD2 sont distribuées spatialement par un second élément déflecteur DL22 sur l'entrée FE2 d'un second disperseur SP2. Cette variante permet d'utiliser deux disperseurs SP1 et SP2 de caractéristique différente et/ou des détecteurs multicanaux de dimensions différentes. Les disperseurs SP1 et SP2 peuvent être des spectromètres, des systèmes interférentiels réglables ou fixes, des cristaux pilotés ou tout dispositif permettant de séparer spectralement des informations spectrales. Des signaux de synchronisation SYN servent ici à synchroniser les déflexions des éléments déflecteurs DL21 et DL22 avec la déflexion DL1.

Claims (25)

Revendications

1. Appareil d'analyse spectrale d'un échantillon du type comprenant: - une branche d'excitation, comprenant des moyens d'excitation pour exciter un échantillon; - une branche d'analyse, comprenant des moyens d'analyse spectrale (ANA) pour analyser spectralement la lumière diffusée et/ou réfléchie par l'échantillon; - des moyens de détection (DEC) montés à la sortie de la branche d'analyse; et - des moyens de traitement pour traiter les signaux détectés par les moyens de détection (DEC) afin d'obtenir des informations sur la distribution spatiale d'au moins une espèce chimique présente dans l'échantillon; caractérisé en ce que les moyens d'excitation comprennent des moyens générateurs propres à générer une pluralité de faisceaux d'excitation monochromatiques (FEX1, FEX2) de longueurs d'onde différentes, et des moyens de transport propres à faire converger ladite pluralité de faisceaux d'excitation monochromatiques (FEX1, FEX2) sur le même domaine spatial de l'échantillon (ECH); en ce que la branche d'analyse comprend des moyens de collecte et de transfert propres à collecter les radiations (RD12) qui résultent de l'illumination dudit domaine spatial de l'échantillon (ECH) par ladite pluralité de faisceaux d'excitation monochromatiques (FEX1, FEX2), et à transférer lesdites radiations (RD1, RD2, RD12) sur les moyens d'analyse spectrale (ANA); en ce que les moyens de détection (DEC) et de traitement sont propres à détecter et à traiter les spectres générés par ledit domaine spatial de l'échantillon ainsi excité à différentes longueurs d'onde.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de transport sont aptes à faire converger de façon séquentielle la pluralité de faisceaux d'excitation monochromatiques sur le même domaine spatial de l'échantillon.

3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de transport sont aptes à faire converger de façon simultanée la pluralité de faisceaux d'excitation monochromatiques sur le même domaine spatial de l'échantillon.

4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la détection spectrale à différentes longueurs d'onde est simultanée ou séquentielle.

5. Appareil selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de transport sont propres à transporter la pluralité de faisceaux d'excitation monochromatiques sur un axe optique commun (AXC).

6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de transport ainsi que les moyens de collecte et de transfert sont au moins partiellement disposés et confondus sur l'axe optique commun (AXC).

7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de transport ainsi que les moyens de collecte et de transfert sont achromatiques dans un très large domaine spectral, allant en particulier de l'ultraviolet jusqu'à l'infrarouge.

8. Appareil selon la revendication 1 et la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de transport comprennent des premiers moyens de déflexion (DL1) achromatiques disposés sur l'axe optique commun et propres à déplacer, selon une première ligne de longueur choisie, et à une fréquence choisie, la pluralité de faisceaux d'excitation monochromati ques (FEX1, FEX2), sur l'échantillon à analyser (ECH), et en ce que lesdits premiers moyens de déflexion (DL1) sont propres à recevoir et ramener sur l'axe optique commun (AXC) les radiations (RD12) résultant de ladite illumination en compensant en retour la première déflexion, lesdites radiations résultantes (RD12) comprenant les spectres générés par la ligne de domaines spatiaux de l'échantillon ainsi balayée et illuminée à différentes longueurs d'onde.

9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les premiers moyens déflecteurs (DL1) sont confocaux, chaque première ligne analysée de l'échantillon étant formée de points ayant des propriétés confocales.

10. Appareil selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les moyens de collecte et de transfert comprennent des seconds moyens de déflexion (DL2) achromatiques, confocaux, disposés sur l'axe optique commun (AXC), et propres à distribuer spatialement, selon une seconde ligne de longueur choisie, et à la même fréquence que celle des premiers moyens déflecteurs (DL1), sur la fente d'entrée (FE) des moyens d'analyse spectrale (ANA), les radiations (RD12) provenant des premiers moyens de déflexion (DL1), les première et seconde déflexions étant synchrones pour conserver les informations spatiales des radiations (RD12) provenant des premiers moyens de déflexion.

11. Appareil selon les revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la longueur des première et seconde lignes de balayage sont choisies lune par rapport à l'autre de manière à réaliser un grandissement choisi des images spectrales de l'échantillon sur les moyens de détection (DEC1, DEC2).

12. Appareil selon les revendications 9 et 10, caractérisé en ce que les moyens de collecte et de transfert comprennent un diaphragme (DA1) monté sur l'axe optique commun (AXC) entre les premiers et seconds moyens de déflexion et dont le diamètre est ajustable sur commande pour régler la dimension latérale de l'échantillon analysé ainsi que la profondeur de champ en vue de rendre confocaux les spectres ou images spectrales du ou des domaines spatiaux de l'échantillon ainsi analysé.

13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une fibre optique propre à acheminer les informations confocales provenant du diaphragme ajustable (DA1) jusqu'à l'entrée des seconds moyens de déflexion (DL2).

14. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que les seconds moyens de déflexion (DL2) sont séparés en deux éléments déflecteurs distincts (DL21 et DL22), les radiations (RD12) issues du diaphragme ajustable (DA1) étant directement séparées en des premières radiations (RD1) et des secondes radiations (RD2) distinctes selon leur longueur d'onde, le premier élément déflecteur (DL21) étant propre à distribuer spatialement les premières radiations (RD1) sur l'entrée (FE1) d'un premier disperseur (SP1), tandis que le second élément déflecteur (DL22) étant propre à distribuer spatialement les secondes radiations (RD2) sur l'entrée (FE2) d'un second disperseur (SP2).

15. Appareil selon les revendications 8 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'imagerie confocale (DCC) propres à détecter au moins partiellement l'énergie des radiations (RD12) qui résultent de l'illumination de l'échan- tillon ainsi balayé (ECH) pour disposer d'au moins une image confocale et de plusieurs images spectrales confocales relatives au même domaine spatial de l'échantillon ainsi balayé.

16. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que les moyens d'imagerie confocale sont aptes à délivrer plusieurs images confocales du même domaine spatial de l'échantillon obtenues à différentes longueurs d'onde.

17. Appareil selon la revendication 15 ou la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens d'imagerie confocale (DCC) comprennent un diaphragme d'ouverture réglable (DF3) et au moins un détecteur (39) relié aux moyens de traitement.

18. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'asservissement propres à détecter au moins partiellement l'énergie des radiations qui résultent de l'illumination de l'échantillon (ECH) pour asservir la distance de l'objectif à l'échantillon.

19. Appareil selon la revendication 18, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement comprennent un filtre optique (43) séparant les radiations utiles à la caractérisation spectrale de l'échantillon, un diaphragme d'ouverture ajustable (DF4), et un détecteur de signal (47) relié à une unité d'asservissement (37) propre à asservir la distance de l'objectif à l'échantillon à laide du signal confocal ainsi détecté.

20. Appareil selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend une platine porte-échantillon (30) ajustable en Z en réponse aux moyens d'asservissement et/ou un élément optique de focalisation (22) ajustable en Z en réponse aux moyens d'asservissement.

21. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de collecte et de transfert comprennent des moyens de filtrage (FT1, FT2) propres à séparer les radiations utiles à la caractérisation spectrale de l'échantillon pour chaque faisceau d'excitation (FEX1, FEX2).

22. Appareil selon la revendication 21, caractérisé en ce que les moyens de filtrage comprennent plusieurs éléments de filtrage (FT1, FT2), montés en série sur l'axe commun (AXC), et chacun associé au filtrage d'un faisceau d'excitation monochromatique (FEX1 ou FEX2) autour d'une longueur d'onde d'excitation choisie, dans un sens optique de l'axe commun (AXC), d'une part, et des radiations rétro-diffusées autour de ladite longueur d'onde d'excitation choisie, dans l'autre sens de l'axe commun (AXC), d'autre part, les bandes passan tes des éléments de filtrage (FT1 et FT2) étant compatibles entre elles.

23. Appareil selon la revendication 22, caractérisé en ce que chaque élément de filtrage (FT1, FT2), montés en série sur l'axe commun, est à bande étroite, de pente d'atténuation raide et centrée sur la longueur d'onde d'excitation associée et apte à injecter selon un premier sens allant des moyens générateurs vers l'échantillon, un faisceau d'excitation monochromatique comprenant des rayonnements utiles à l'illumination et à arrêter les rayonnements inutiles à l'illumination situés hors de la bande étroite, ainsi qu'à transmettre simultanément selon un second sens inverse du premier, les radiations rétro-diffusées utiles à l'analyse spectrale et situées hors de la bande étroite et à rejeter les radiations rétro-diffusées inutiles à l'analyse spectrale réfléchies ou diffusées autour de la longueur d'onde d'excitation associée.

24. Appareil selon l'une quelconque des précédentes revendications caractérisé en ce que les moyens d'analyse spectrale (ANA) comprennent une pluralité de disperseurs (R1, R2), aptes chacun à être couplés respectivement à une pluralité de moyens de détection multicanaux (DEC1, DEC2) sensibles chacun à au moins un domaine spectral.

25. Appareil selon l'une des revendications 1 à 24, caractérisé en ce que les moyens d'analyse spectrale (ANA) comprennent un seul disperseur stigmatiaue, achromatique et travaillant à une pluralité d'ordres différents pour couvrir une pluralité de domaines spectraux distincts.