FR2820829A1

FR2820829A1 - Mircroscope confocal rapide

Info

Publication number: FR2820829A1
Application number: FR0101906A
Authority: FR
Inventors: Vincent Lauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2002-08-16

Abstract

L'invention concerne un microscope confocal dans lequel le faisceau d'éclairage est réfléchi une première fois par les miroirs galvanométriques 110, 112, dans lequel le faisceau provenant de l'échantillon est à nouveau réfléchi par les miroirs galvanométriques et traverse un réseau de trous microscopiques 130, et dans lequel le faisceau ayant traversé le réseau de trous microscopiques 130 est à nouveau réfléchi par les miroirs galvanométriques et parvient au plan image 119. Applications : microscopie 3D et 2D rapide, en biologie et étude des matériaux.

Description

Microscope confocal rapide Domaine technique
L'invention concerne un microscope confocal rapide, plus particulièrement un microscope confocal en fluorescence destiné à fonctionner en temps réel.

Technique antérieure.

Le principe du microscope confocal à balayage est d'éclairer l'échantillon avec un faisceau lumineux focalisé sur un point, et de ne détecter que la lumière provenant en retour de ce point. Le microscope confocal comporte donc un faisceau d'éclairage éventuellement filtré par un trou microscopique, et l'onde provenant de l'objet éclairé traverse elle-même un trou microscopique sélectionnant la lumière provenant du point éclairé. L'onde provenant de l'objet est ensuite détectée.

Pour générer une image de l'objet, il est nécessaire de déplaçer le point éclairé dans un plan. Ce balayage peut être réalisé de diverses manières : i) -en déplaçant l'échantillon observé par rapport à l'objectif. C'est la méthode la plus simple mais elle est excessivement lente. ii) -en réalisant les trous microscopiques sur un disque traversé dans un sens par la lumière d'éclairage et

dans l'autre sens par la lumière provenant de l'objet. Lorsque le disque est en rotation rapide dans le plan image, les trous microscopiques se déplacent et l'échantillon est scanné. C'est la technique du disque de Nipkow. Le disque étant perçé de nombreux trous, cette technique de balayage est très rapide. La détection peut se faire directeent sur une caméra, et il est également possible d'observer l'image directement à l'oeil nu. Par contre, 99% de la puissance lumineuse disponible est perdue, ce qui ne permet pas d'utiliser cette technique efficacement pour l'observation en fluorescence. iii) -en utilisant des miroirs galvanmétriques pour défléchir le faisceau. L'échantillon est alors scanné point par point et un seul trou microscopique est utilisé. Un tube photomultiplicateur permet la détection des photons ayant traversé ce trou. Cette technique est la plus utilisée en microscopie confocale en fluorescence car il y a peu de perte d'énergie lumineuse. Par contre la vitesse d'imagerie est limitée par la saturation de la fluorescence et/ou la fréquence d'oscillation des miroirs galvanométrique. L'image ne peut pas être observée directement et doit nécessairement être reconstituée informatiquement à partir des données acquises par le tube photomultiplicateur. La reconstitution d'un plan horizontal de l'échantillon nécessite de connaître exactement la position des miroirs galvanométriques correspondant au signal échantillonné à chaque instant sur le photorécepteur. Le bon fonctionnement du système nécessite un contrôle très précis des miroirs galvanométriques et une synchronisation parfaite entre le mouvement des miroirs galvanométriques et l'échantillonnage du signal provenant du photorécepteur.

Pour améliorer la vitesse d'imagerie, il a été conçu un microscope à disque de Nipkow comprenant un disque collecteur constitué d'un réseau de microlentilles, et solidaire du disque portant les trous

microscopiques. Chaque microlentille est placée en face d'un trou microscopique et focalise sur ce trou la lumière provenant du faisceau d'éclairage. Cette technique est décrite par exemple dans le brevet américains numéro 5,162, 941 de l'université de Wayne, ainsi que dans le brevet américain numéro 5,579, 157 de la société Yokogawa Electric Corporation. Cette technique permet d'éviter la perte de puissance lumineuse résultant de l'utilisation d'un disque de Nipkow, tout en conservant la vitesse d'imagerie élevée inhérente aux systèmes à disque de Nipkow. Toutefois elle pose de difficiles problèmes de réalisation mécanique et d'alignement et elle est coûteuse à mettre en oeuvre. Le disque portant les trous microscopiques et le disque collecteur doivent être alignés l'un par rapport à l'autre avec une grande précision. L'ensemble constitué par ces deux disques doit être en rotation rapide autour d'un axe qui doit être parfaitement fixe, parfaitement orthogonal au plan des disques, et parfaitement orthogonal au à la direction de propagation de la lumière incidente. En pratique, il est extrêmement difficile de maintenir fixe la position de l'axe, et ceci se traduit par des défauts de l'image, typiquement des petites lignes claires ou fonçées se superposant à l'image. Le brevet américain numéro 5,579, 157 de Yokogawa décrit une solution permettant d'atténuer ce type de défauts, toutefois cette solution est peu efficace. D'autres problèmes d'alignement existent, décrits par exemple par le brevet américain numéro 5,717, 519 de Yokogawa Electric Corp.

De plus, dans le système de Yokogawa Electric Corp., une partie de l'onde d'éclairage se réfléchit sur la plaque portant les trous microscopiques et se dirige ensuite vers le capteur CCD. Cette onde étant très intense par rapport à l'onde correspondant à la fluorescence, elle est difficile à éliminer à l'aide de filtres dichroïques, à moins de tolérer une atténuation très importante du faisceau. La réflexion sur cette plaque a surtout lieu à proximité immédiate des trous microscopiques, et pour en limiter l'importance on est conduit à utiliser des trous de largeur plus élevée que ceux utilisés normalement. Ceci diminue fortement la résolution, qui peut être deux fois inférieur à celle d'un microscope confocal classique.

Une autre solution pour améliorer la vitesse d'imagerie est décrite par le brevet américain numéro 5, 351, 152 de la société Zeiss. Le système décrit dans ce brevet comporte un réseau fixe de microlentilles qui sépare le faisceau laser en sous-faisceaux qui sont chacun filtré par un trou microscopique situé dans un

plan image. L'objectif focalise dans l'objet les faisceaux issus de chacun de ces trous microscopiques. Le faisceau réémis par l'objet est ensuite redirigé vers un capteur CCD, chaque pixel du capteur CCD étant l'image d'un point de l'objet sur lequel est focalisé le faisceau issu d'un trou microscopique correspondant.

Le balayage est effectué par la méthode (i) consistant à déplacer l'échantillon par rapport à l'objectif, bien que d'autres méthodes ne soient pas expressément exclues. Le point de l'échantillon qui est éclairé par un des sous-faisceaux et dont l'image est obtenue sur un point correspondant du capteur CCD balaye une zone réduite de l'échantillon. L'image de l'échantillon doit être reconstituée informatiquement à partir d'une série d'images obtenues successivement sur le capteur CCD pendant l'opération de balayage de l'échantillon. La vitesse de balayage de ce microscope est donc limitée par la vitesse de lecture du capteur CCD, qui doit être relu plusieurs fois pour l'obtention d'une seule image.

Description de l'invention

L'invention a pour objet un microscope dans lequel les défauts précédemment indiqués des microscopes confocal à balayage par miroirs galvanométriques ou par disque de Nipkow avec collecteur sont résolus. En particulier, l'invention permet l'observation directe de l'image et l'acquisition de l'image à l'aide d'un capteur CCD, et simplifie les problèmes de synchronisation et d'alignement. Ceci est compatible, dans la présente invention, avec un balayage point par point du type utilisé par les microscopes à balayage par miroirs galvanométriques. L'invention permet également l'observation de l'image en temps réel, à une vitesse égale ou supérieure à celle atteinte par les microscopes à disque de Nipkow avec collecteur, mais sans les difficultés d'alignement et de réalisation mécanique liées à l'utilisation de ces appareils, à un coût très diminué, et avec une résolution améliorée par l'absence de réflexion sur les parties non transparentes de l'ensemble portant les trous microscopiques.

Dans un microscope confocal à balayage par miroirs galvanométriques du type usuel, il est possible d'observer directement à l'aide d'un oculaire le plan image ou le faisceau réfléchi par l'objet parvient directement. Toutefois, l'image ainsi observée n'est pas une image confocale car elle n'a pas été filtrée par le trou microscopique, et seule l'image acquise par échantillonnage du signal traversant le trou microscopique est véritablement confocale. Pour obtenir optiquement une image confocale il est nécessaire d'utiliser un moyen équivalent au filtrage par le trou microscopique. Toutefois, si le trou microscopique ou équivalent est fixe, l'image formée derrière ce trou ne constitue pas directement une image de l'objet : on est ramené au système décrit dans le brevet américain numéro 5,239, 178 de Zeiss. Si le trou microscopique ou équivalent est mobile, on est ramené au système à disque de Nipkow avec ou sans collecteur, et à ses défauts connus.

Selon une version de l'invention, ces problèmes sont résolus par un microscope confocal à balayage comprenant : - un déflecteur de faisceau A, qui défléchit le faisceau d'éclairage qu'il parvienne à l'échantillon observé, - un déflecteur de faisceau B, qui défléchit le faisceau provenant de l'échantillon observé, caractérisé par le fait qu'il comprend un déflecteur de faisceau C, qui défléchit le faisceau provenant de l'échantillon observé et ayant été défléchi par ledit déflecteur de faisceau B, de telle sorte que la direction d'un faisceau provenant d'un point fixe de l'objet soit, après déflection par lesdits déflecteurs B et C, indépendante de la direction de ce faisceau après passage dudit déflecteur B.

La déflexion par les déflecteurs A et B est la technique utilisée usuellement dans les microscopes confocaux à balayage laser. Les déflecteurs peuvent typiquement être des miroirs galvanométriques, ou des déflecteurs accousto-optique comme dans le microscope commercialisé par la société Noran Instruments. La déflexion sur le déflecteur A permet de déplacer dans l'objet chaque point éclairé. La déflexion sur le déflecteur B permet de ramener à un point fixe d'un plan image PB l'onde issue d'un point éclairé, de manière à pouvoir par exemple filtrer cette onde par un trou microscopique. Usuellement l'onde est ensuite détectée et l'image confocale est reconstruite par ordinateur. L'image formée dans le plan PB est mobile au sens ou l'image d'un point fixe de l'objet se déplace dans ce plan. Or pour détecter cette image avec une

caméra ou pour l'observer directement il serait nécessaire qu'elle soit fixe. L'invention consiste à utiliser un déflecteur C qui a pour rôle de déplacer cette image de manière à compenser son mouvemement dû au déflecteur B, et à la rendre fixe par rapport à l'échantillon. Les déflecteurs n'étant pas plaçés dans des plans

image, la déflection se traduit essentiellement par des modification de direction du faisceau à la sortie des déflecteurs, qui entraînent elles-mêmes des déplacements du point image dans le plan image.

La commande du déflecteur C pour compenser l'action du déflecteur B est, dans le cas général, difficile. La solution la plus simple est d'utiliser comme déflecteurs des miroirs mobiles ou des couples de miroirs mobiles vérifiant les conditions suivantes : - chaque miroir mobile dudit déflecteur B est confondu avec un miroir mobile correspondant dudit déflecteur A, ou est solidaire d'un miroir mobile correspondant dudit déflecteur Al, - chaque miroir mobile dudit déflecteur C est confondu avec un miroir mobile correspondant dudit déflecteur A, ou est solidaire d'un miroir mobile correspondant dudit déflecteur A,
En effet, dans ce cas, et moyennant la réalisation d'un système optique correctement dimensionné, le mouvement des miroirs du déflecteur C peut compenser automatiquement celui des miroirs du déflecteur B, de sorte qu'après déflection par B et C la direction du faisceau issu d'un point fixe de l'objet soit effectivement constante. La compensation ne nécessite alors aucune précaution particulière dans la commande des déflecteurs. Elle nécessite au plus un ajustement des systèmes optiques. La conception d'un trajet optique approprié est facilitée si les miroirs sont dans des zones afocales, ou l'onde issue d'un point observé de l'objet est plane.

Le microscope comprend de préférence au moins un trou microscopique traversé par ledit faisceau provenant de l'échantillon observé et ayant été défléchi par le déflecteur B, avant que ce faisceau ne soit défléchi à nouveau par ledit déflecteur C. Ceci permet, comme dans un microscope confocal classique, de filtrer l'onde dans un plan ou l'image d'un point éclairé est fixe, c'est-à-dire ne se déplace pas lorsque le point éclairé se déplace dans l'échantillon observé.

Le microscope comprend de préférence un moyen pour focaliser en un ou plusieurs points d'un plan image l'onde provenant de l'échantillon observé et ayant été défléchie par lesdits déflecteurs B et C. Cette focalisation permet de former effectivement une image à partir de l'onde dont les déviations ont été compensées.

Le microscope comprend de préférence un moyen pour diviser le faisceau lumineux d'éclairage en plusieurs sous-faisceaux focalisé chacun en un point différent de l'échantillon observé, et chacun desdits trous microscopiques est de préférence l'image d'un point de l'objet sur lequel un desdits sous-faisceaux est focalisé. Ceci permet de scanner plusieurs points en parallèle, ce qui améliore la rapidité du système et la rend comparable à celle d'un microscope à disque de Nipkow.

Lorsqu'un éclairage laser est utilisé, le microscope comprend de préférence un moyen pour faire varier la phase de chaque sous-faisceau. En effet, dans ce cas, les ondes constituant chaque sous-faisceau sont corrélées entre elles, ce qui est susceptible de créer dans l'objet des interférences pouvant perturber l'image. La corrélation entre sous-faisceau doit donc de préférence être rompue, ce qui peut se faire en modifiant indépendamment, au cours du temps, la phase de chaque sous-faisceau. Le moyen pour faire varier la phase de chaque sous-faisceau est par exemple une vitre transparente portant des surépaisseurs et tournant autour d'un axe.

Description rapide des Usures.

La figure 1 représente le mode de réalisation préféré. La figure 2 représente un second mode de réalisation. La figure 3 représente l'image sur un capteur d'un réseau de trous microscopiques utilisé dans le mode préféré de réalisation, et la trajectoire d'un point de cette image. Les figures 4 à 6 illustrent la commande appliquée à un atténuateur de faisceau en fonction de la position et de la vitesse de déplacement de l'image sur la caméra d'un trou microscopique. La figure 7 représente un cube intégrant deux réseaux de trous microscopiques et un miroir dichroïque, simplifiant le second mode de réalisation. La figure 8 représente l'image sur un capteur d'un réseau de trous microscopiques utilisé dans le second mode de réalisation, et la trajectoire d'un point sur cette image, un seul miroir galvanométrique étant utilisé. La figure 9 représente un troisième mode de réalisation. La figure 10 représente un quatrième mode de réalisation.

Mode de réalisation préféré.

Ce mode de réalisation est représenté par la figure 1. Le faisceau issu d'un laser 100 traverse un atténuateur de faisceau 140 qui peut par exemple être électro-optique ou accousto-optique. Il traverse ensuite un élargisseur de faisceau comportant par exemple les lentilles 101 et 102. Le faisceau traverse ensuite un réseau de microlentilles 103. On a représenté en traits pleins le sous-faisceau issu d'une de ces microlentilles et en pointillés le sous-faisceau issu d'une autre microlentille. Le faiceau issu du réseau de microlentilles traverse une vitre 106 mobile en rotation autour d'un axe 107, puis un réseau de trous microscopiques 105.

Le réseau de trous microscopiques 105 peut être constitué par dépôt d'une couche réfléchissante sur une vitre transparente par une méthode de type"litographique", les trous étant alors des interruptions de la couche réfléchissante. Dans ce cas un filtre neutre placé en sortie du laser peut être utilisé pour atténuer les effets de retour de la lumière laser. Le réseau de trous microscopiques peut également être constitué d'une plaque métallique dépolie dans laquelle les trous sont percés au moyen d'un laser. Cette solution évite les problèmes de retour du faisceau laser. La partie du faisceau qui traverse une microlentille du réseau 103 constitue un sous-faisceau focalisé sur un trou microscopique du réseau 105. La surface de la vitre 106 est divisée en un ensemble de sous-surfaces, par exemple les sous-surfaces 120 et 121. La moitié de ces soussurfaces portent une surépaisseur générant un décalage de phase de 180 degrés du faisceau laser les traversant. Les sous-surfaces portant des surépaisseurs sont réparties de manière pseudo-aléatoire dans l'ensemble des sous-surfaces. Chaque sous-surface est approximativement carrée. La largeur du coté du carré est égale à la distance entre deux trous microscopiques adjacents du réseau 105. La vitre 106 est positionnée de manière à ce que chaque trou microscopique du réseau 105 soit placé au-dessous d'une soussurface distincte. La rotation rapide de la vitre 106 permet de générer des décalages de phase pseudoaléatoires de l'ensemble des sous-faisceaux, de sorte que la cohérence spatiale du faisceau soit rompue après traversée de la vitre 106. Le faisceau ayant traversé la vitre 106 et le réseau de trous microscopiques 105 traverse ensuite le miroir dichroïque 104 et la lentille de tube 108 puis est réfléchi par un miroir 109. Il est ensuite réfléchi par un miroir galvanométrique 110 mobile en rotation autour d'un axe situé dans le plan de la figure, par un miroir 111, et par un miroir galvanométrique 112 mobile en rotation autour d'un axe

orthogonal au plan de la figure. Il traverse l'objectif de microscope 113 et parvient à l'échantillon 114.

L'objectif 113 est un objectif formant à l'infini une image de l'échantillon observé. Le réseau de trous microscopiques 105 est dans le plan image (plan ou se forme une image stigmatique de l'objet observé). De préférence, le plan focal image de l'objectif 113 est dans le plan focal objet de la lentille 108 et le réseau de trous 105 est dans un plan focal de la lentille 108. Ceci permet de maximiser l'ouverture utile de chaque sous-faisceau. Le réseau de trous microscopiques 105 n'est pas absolument indispensable. Il est utile surtout pour rendre le faisceau plus"propre"dans le cas ou le réseau de microlentilles 103 est de qualité moyenne.

Si le réseau de microlentilles 103 est de très bonne qualité et si l'espace entre les nucrolentilles du réseau est recouvert d'une couche arrêtant la lumière, une meilleure qualité d'image peut être obtenue en supprimant le réseau de trous microscopiques 105.

L'échantillon éclairé émet en retour un faisceau lumineux non cohérent. Ce faisceau traverse l'objectif 113, est réfléchi par le miroir galvanométrique 112, le miroir 111, le miroir galvanométrique 110, le miroir 109. Il traverse la lentille de tube 108, est réfléchi par le miroir dichroïque 104, puis traverse le réseau de trous microscopiques 130. Ce réseau de trous microscopiques est identique au réseau 105 et est positionné de sorte que chaque trou du réseau 130 soit l'image d'un point de l'objet sur lequel est focalisé le faisceau d'éclairage issu d'un trou du réseau 105. Ceci signifie que le réseau de trous microscopiques 130 est dans un plan focal de la lentille de tube 108. Le faisceau traverse ensuite la lentille 116 identique à la lentille de tube 108 et dont le plan focal objet est sur le réseau de trous microscopiques 130. Il est réfléchi par la seconde face du miroir galvanométrique 110, par le miroir 117, par la seconde face du miroir galvanométrique 112. Il traverse ensuite la lentille 118 qui forme dans son plan focal image l'image du réseau 105, et donc de l'échantillon observé. Il traverse le filtre monochromateur 141 et parvient au plan focal image de la lentille 118. Un capteur CCD 119 peut être placé dans ce plan, toutefois il est également possible d'observer directement l'image formée dans ce plan, à l'aide d'un oculaire. La distance focale de la lentille 116 doit être exactement égale à la distance focale de la lentille 108, et pour permettre un ajustement précis la lentille 116 peut être remplaçée par un doublet de lentilles, le réglage de la distance interlentilles

permettant un ajustement de la distance focale de l'ensemble.

Â F.

La largeur d'un trou microscopique du réseau 105 est par exemple-' ou-F,,,, est la eau FI 13

distance focale de la lentille 108, FI 3 est la distance focale de l'objectif 113, ouest l'ouverture numérique de l'objectif 113, Â las est la longueur d'onde du laser. La distance D entre deux trous microscopiques adjacents est de préférence au moins 10 fois la largeur de chaque trou. Le diamètre de chaque lentille du réseau de lentilles 103 est égal à la distance D entre deux trous microscopiques adjacents. La distance focale F de chaque lentille du réseau de lentilles 103 et son diamètre D sont en outre liés par la

D F ; J3 relation-= ouv-. Par exemple on peut avoir : 2F, 03 Flos

Les miroirs galvanométriques 110 et 112 sont commandés de manière à déplacer l'image du réseau 130 sur le capteur 119, de la manière indiquée sur la figure 4. La figure 4 montre l'image du réseau 130 sur le capteur 119, pour une position de référence des miroirs galvanométriques. Le trait 301 superposé au dessin montre la trajectoire suivie par l'image d'un point 300 du réseau lorsque les miroirs galvanométriques sont commandés. Cette trajectoire est parcourue alternativement dans les deux sens. Lorsque cette trajectoire est suivie, l'image d'un trou du réseau 130 balaye une petite partie du plan image, et l'ensemble des images des trous du réseau balaye l'ensemble du plan image. Une image confocale est donc générée dans l'ensemble du plan image. Le contour 302 montre la limite de la zone utile, dans laquelle une image confocale de bonne qualité est générée. De nombreuses variantes de la trajectoire parcourue peuvent être utilisées, la contrainte essentielle étant que l'ensemble des points images des trous du réseau 130 balaye l'ensemble du plan image.

L'atténuateur de faisceau 140 doit être commandé en fonction de la position des miroirs galvanométriques et de leur vitesse. Ces paramètres peuvent être obtenus de manière connue par un feedback à partir des galvanomètres, ou peuvent être obtenus sans feedback à partir du système de commande des galvanomètres, avec une précision moindre. On note lIas l'intensité du faisceau laser après traversée de l'atténuateur, et Vscan la vitesse de balayage, c'est-à-dire la vitesse de déplacement dans le plan image 119 et suivant l'axe x du point image d'un trou microscopique du réseau 130. Cette vitesse de

balayage est dûe uniquement au miroir galvanométrique le plus rapide. La position des miroirs galvanométriques peut être caractérisée par la position du point image dans le plan image 119. Les figures 5

Ilas et 6 illustrent la valeur du rapport-en fonction de la position du point image d'un trou Vscan

microscopique sur l'échantillon. La figure 5 représente un ensemble de points images des trous microscopiques, dont le point 300 également représenté sur la figure 4, pour la position de référence des miroirs galvanométriques. Sur cette figure on a représenté en traits continus les arêtes de la surface

lIas représentant 1a fonction-en fonction des coordonnées x, y du point 300 dans le plan image 119.

Vscan

Sur la figure 6, on a représenté l'allure de cette fonction le long de la ligne 310 de la figure 5. Une valeur lias constante de-sur l'ensemble de la trajectoire, c'est-à-dire une commande de l'atténuateur en fonction Vscan

de la seule vitesse de balayage, permettrait en principe de supprimer les variations d'éclairage dûes aux variations de la vitesse de balayage. Toutefois, la courbe de la figure 6 permet également d'atténuer les effets d'une variation incontrôlée de l'amplitude d'oscillation des miroirs, au prix toutefois d'une perte d'intensité lumineuse. Il est également possible de faire fonctionner l'atténuateur de faisceau en mode binaire. La

commande de l'intensité se fait alors conformément à la figure 7. Seule la partie centrale de la trajectoire, sur laquelle la vitesse est à peu près constante, est utilisée. Enfin, il est également possible de ne pas utiliser d'atténuateur de faisceau. L'image reste de qualité acceptable mais peut être affectée par des variations locales de l'intensité, qui peuvent être compensées par un traitement numérique ultérieur. D'une manière

générale, plus le nombre de trous microscopiques est élevé et plus la surface de la trajectoire de l'image d'un point du réseau 130 dans le plan image 119 est élevée, moins les variations d'intensité d'éclairage sont notables. L'utilisation d'un réseau suffisamment dense de trous microscopiques peut donc remplacer avantageusement l'usage d'un atténuateur de faisceau.

Le présent mode de réalisation peut être combiné avec tous les modes d'imagerie connus en microscopie confocale. En particulier, le porte-objet peut être muni d'un système de déplacement vertical piézoélectrique ou par moteur pas à pas, de manière à pouvoir générer des images tridimensionnelles en modifiant le plan de focalisation. Des systèmes à base d'atténuateurs accousto-optiques peuvent être utilisés pour commuter plusieurs lasers et exciter des fluorophores différents, de manière à générer par superposition des images plus riches en information. Le système est également compatible avec l'utilisation de la méthode à deux photons, le nombre de trous microscopiques devant alors être ajusté pour qu'une intensité suffisante reste disponible sur chaque point de focalisation du faisceau.

Il est bien entendu possible de n'utiliser qu'un seul trous microscopique, auquel cas les caractéristiques de vitesse sont celles d'un microscope confocal à balayage par miroirs galvanométriques du type courant. Toutefois, l'avantage du système reste de pouvoir visualiser directement l'image et de pouvoir l'enregistrer sur une caméra. Les modes de réalisation 3 et 4 illustrent plus en détail des réalisations avec un seul trou microscopique ou équivalent.

Second mode de réalisation :
Le second mode de réalisation diffère du premier par le fait qu'un éclairage non cohérent est utilisé.

Il est représenté sur la figure 2. L'éclairage est fourni par exemple par l'arc incandescent 150 d'une lampe à vapeur de mercure. Il traverse un collecteur 151, un diaphragme de champ 152, un filtre monochromateur 153 sélectionnant la longueur d'onde d'excitation de la fluorescence. Il traverse la lentille 154, le diaphragme d'ouverture 155, la lentille 156, et parvient directement au réseau de trous microscopiques 105.

L'ensemble constitué des éléments 150 à 156 constitue un éclairage de Köhler et peut être remplacé ar tout autre système d'éclairage de Köhler. Le reste du système est identique au mode de réalisation précédent.

Une grande partie de l'intensité lumineuse disponible est réfléchie par le réseau de trous microscopiques 105, ce qui limite la clarté de l'image formée dans le plan 119. Afin que le temps d'acquisition et la clarté de l'image restent dans des limites raisonnables, il est préférable d'utiliser un réseau 105 constitué de trous microscopiques très rapprochés les uns des autres. Alors que dans le mode de réalisation précédent, la distance entre deux trous microscopiques peut typiquement être d'environ 20 fois la largeur de chaque trou, dans le présent mode de réalisation il est préférable de limiter cette distance, qui peut par exemple être de 2 à 4 fois la largeur du trou microscopique. Ceci génère des perturbations à basse

fréquence spatiale sur l'image, mais les fréquences spatiales élevées, qui sont le plus porteuses d'information, continuent de bénéficier de l'effet confocal.

Pour permettre échange des deux réseaux de trous microscopiques sans que cet échange nécessite de réglage complexe, les réseaux de trous microscopiques 105,130 et le miroir dichroïque 104 peuvent être intégrés en un seul élément aisément réalisable, représenté sur la figure 7. Le miroir dichroïque 400 est intégré à un cube transparent 401. Des vitres 402,403 sont montées sur les cotés du cube, dont elles sont solidarisées par des pièces adaptées, par exemple 404. Des espaces vides 405,406 sont laissés entre les vitres et le cube 401. Le coté des vitres 402,404 qui regarde vers le cube est recouvert d'une couche mince métallique et d'une couche mince de résine photosensible. Les trous microscopiques sont réalisés par insolation de la résine photosensible à l'aide d'un projecteur en lumière blanche. On a représenté symboliquement en pointillés l'allure du faisceau lumineux issu de ce projecteur. Le projecteur est focalisé par exemple sur le plan constitué par la face de la vitre 402 qui porte les couches minces. Chaque point éclairé de la vitre 402 deviendra un trou microscopique. Du fait de la configuration du système, les points de la vitre 403 qui sont éclairés sont correctement plaçés sans qu'un réglage supplémentaire soit nécessaire, et deviendront les trous microscopiques correspondant aux trous de la vitre 402. Après insolation, un liquide approprié est introduit dans les espaces vides 405,406 de manière à enlever la résine aux endroits insolés, puis un acide est utilisé pour enlever le métal en ces mêmes points. On a alors obtenu les trous microscopiques. Un solvant peut être utilisé pour enlever la couche résiduelle de résine, et l'ensemble peut finalement être nettoyé. Enfin, il peut être utile d'introduire un liquide optique ou un plastique transparent dans l'espace vide, de préférence de même indice que les lames 402,403. Ceci évite les réflexions inutiles sur les surfaces de contact. Si un matériau de même indice que les lames 402,403 est introduit dans les espaces vides, alors on peut utiliser pour réaliser l'ensemble des vitres 402,403 dépolies sur leur face qui regarde vers le cube. Ceci permet une meilleure dispersion de la lumière incidente par les parties réfléchissantes. Les monochromateurs 153 et 141 peuvent également être intégrés à ce cube, ce qui permet de modifier le mode d'imagerie par échange d'un seul composant.

Dans cette configuration, il est également possible de supprimer un des miroirs galvanométriques 110 ou 112, à condition de modifier légèrement l'axe de rotation du miroir restant. La figure 8, réalisée suivant les mêmes conventions que la figure 3, montre la trajectoire 500 de l'image d'un trou microscopique dans le plan 119, ainsi que la zone 502 dans laquelle une image de bonne qualité est obtenue, la position des images des trous microscopiques dans la position de référence étant telle qu'indiquée sur la figure, limitée par le contour 501. Du fait que les trous microscopiques sont nombreux et proches les uns des autres, une trajectoire légèrement oblique permet de balayer l'ensemble du plan sans avoir recours à un deuxième miroir galvanométrique.

Ce second mode de réalisation a l'avantage d'être moins coûteux que le premier dans la mesure ou il ne nécessite pas un faisceau laser. Il a également l'avantage de permettre une modification aisée des longeurs d'onde d'excitation et d'émission de la fluorescence dans l'ensemble du domaine visible et UV. Par contre, la faiblesse de l'éclairage permet difficilement l'imagerie en temps réel.

Ce second mode de réalisation peut être combiné avec le premier dans un même appareil, des obturateurs pouvant être utilisés pour passer d'un mode d'éclairage à un autre.

Troisième mode de réalisation :
La figure 8 montre un microscope confocal en fluorescence à balayage laser selon un second mode de réalisation de l'invention. Un faisceau issu d'un laser 1100 traverse un élargisseur de faisceau ou collimateur formé des lentilles 1101, 1102 puis est réfléchi par le miroir dichroïque 1103 qui réfléchit la longueur d'onde du laser 1100 et laisse passer la longueur d'onde réémise par fluorescence. Le faisceau est alors réfléchi sur le miroir galvanométrique 1104 mobile en rotation autour d'un axe situé dans le plan de la figure, puis sur le miroir galvanométrique 1105 mobile en rotation autour d'un axe orthogonal au plan de la figure. Il traverse ensuite le séparateur de faisceau polarisant 1204 puis l'objectif de microscope 1106. Le faisceau réémis par fluorescence à partir de ce point est collecté par l'objectif 1106, traverse le séparateur de faisceau polarisant 1204, est réfléchi successivement par les deux miroirs galvanométriques 1105 et 1104, traverse le miroir dichroïque 1103, et est focalisé par la lentille 1108 sur un point réfléchissant 1203 situé sur la face arrière d'une lame quart d'onde 1202. La partie du faisceau qui traverse la lame quart d'onde parvient ensuite à une cavité absorbante. Le point réfléchissant peut par exemple être réalisé par litographie optique.

La partie du faisceau qui est réfléchie par le point 1203 retraverse la lame quart d'onde 1202, la lentille 1108, le miroir dichroïque 1103, est réfléchie par les miroirs galvanométriques 1104,1105, est réfléchie par le séparateur de faisceau polarisant 1204, puis est focalisée par la lentille 1205 dans le plan d'un capteur CCD 1206 fixé sur la caméra 1207.

La polarisation du laser 1100 est choisie pour que l'onde issue de ce laser traverse le séparateur de faisceau 1204. La lame quart d'onde 1202 a son axe neutre orienté à 45 degrés de l'axe passant du polariseur 1201 et est quart d'onde pour l'onde réémise par fluorescence. Elle a pour rôle de faire tourner de 90 degrés la direction de polarisation, afin que seule l'onde réfléchie par le point réfléchissant soit ensuite réfléchie par le séparateur de faisceau polarisant 1204, à l'exclusion de l'onde issue de réflexions parasites sur la lentille 1204.

Dans ces conditions, l'image confocale de l'objet se forme directement sur le capteur CCD 1206 lorsque l'objet est balayé au moyen des miroirs galvanométriques. Un contrôle imparfait des miroirs galvanométriques se traduit au pire par des zones sombres sur l'image, mais en aucun cas par un déplacement des points de l'objet ou une quelconque imprécision géométrique. Le balayage de l'objet doit être effectué pendant le temps d'intégration du capteur. Les images peuvent ensuite être transférées du capteur CCD à un échantillonneur et un ordinateur.

Le capteur peut aussi être remplacé par un oculaire, éventuellement un ensemble binoculaire, permettant l'observation directe de l'image formée dans le plan ou se trouve sur le schéma le CCD 1206.

Dans ce cas, le balayage doit se faire suffisamment rapidement pour ne pas être perceptible par l'oeil.

Ce mode de réalisation peut être adapté à un système multifaisceaux du type utilisé dans le premier mode de réalisation. Son avantage principal est qu'il ne nécessite aucun réglage précis honnis la mise en

correspondance du point de focalisation du laser avec le point réfléchissant. Son inconvénient majeur est la perte d'intensité lumineuse qui résulte de l'utilisation de miroirs semi-transparents ou polarisants pour permettre l'utilisation d'une seule face des miroirs pour l'ensemble des trajets optiques.

On peut remplacer la lame quart d'onde 1202 par une vitre transparente et remplacer le séparateur de faisceau polarisant 1204 par un séparateur de faisceau non polarisant. Le système reste parfaitement fonctionnel dans ces conditions, le bruit dû aux réflexions parasites étant simplement un peu plus élevé. On peut alors également remplacer un des miroirs galvanométriques par un déflecteur accousto-optique, ce qui permet d'accélérer la procédure d'imagerie.

Quatrième mode de réalisation :
Ce second mode de réalisation est représenté par la figure 9, et diffère du second mode de réalisation par le fait que chaque miroir galvanométrique comporte deux faces utilisables, qui sont effectivement utilisées.

Le faisceau issu du laser 1300 traverse l'élargisseur de faisceau ou collimateur formé des lentilles 1301,1302 puis est réfléchi par le miroir dichroïque 1303. II est alors réfléchi par le miroir galvanométrique 1304 mobile en rotation autour d'un axe situé dans le plan de la figure, puis par le miroir fixe 1305 et par le miroir galvanométrique 1306 mobile en rotation autour d'un axe orthogonal au plan de la figure. Il traverse alors l'objectif 1307 formant à l'infini une image de l'échantillon, et est focalisé en un point de l'échantillon observé 1308. La lumière réémise par fluorescence depuis ce point retraverse l'objectif 1307 en sens inverse, est réfléchie par le miroir galvanométrique 1306, le miroir fixe 1305, et le miroir galvanométrique 1304.

Elle traverse le miroir dichroïque 1303, et est focalisée par la lentille 1309 et le miroir fixe 1310 sur le trou microscopique 1311. La lumière ayant traversé le trou microscopique 1310 est réfléchie par le miroir 1312, collimatée par la lentille 1313, réfléchie par le miroir 1314, puis par la seconde face du miroir galvanométrique 1304. Elle est alors réfléchie par le miroir 1315 puis par la seconde face du miroir galvanométrique 1306. Elle est alors focalisée par la lentille 1316 sur un point du plan image dans lequel se trouve le capteur CCD 1317 fixé à la caméra 1318. Comme précédemment le capteur CCD peut être remplacé par un oculaire.

Le fonctionnement de l'ensemble est le même que dans le premier mode de réalisation.

Applications industrielles
Le présent microscope peut être utilisé pour l'imagerie en temps réel d'objets biologiques.

Claims

Revendications (1/2) 1-microscope confocal à balayage, comprenant : - un déflecteur de faisceau A, qui défléchit le faisceau d'éclairage qu'il parvienne à l'échantillon observé, - un déflecteur de faisceau B, qui défléchit le faisceau provenant de l'échantillon observé, caractérisé par le fait qu'il comprend un déflecteur de faisceau C, qui défléchit le faisceau provenant de l'échantillon observé et ayant été défléchi par ledit déflecteur de faisceau B, de telle sorte que la direction d'un faisceau provenant d'un point fixe de l'objet soit, après déflection par lesdits déflecteurs B et C, indépendante de la direction de ce faisceau après passage dudit déflecteur B.

2-microscope selon la revendication 1, caractérisé par le fait que : - lesdits déflecteurs de faisceau sont des miroirs mobiles ou des couples de miroirs mobiles, - chaque miroir mobile dudit déflecteur B est confondu avec un miroir mobile correspondant dudit déflecteur A, ou est solidaire d'un miroir mobile correspondant dudit déflecteur AI, - chaque miroir mobile dudit déflecteur C est confondu avec un miroir mobile correspondant dudit déflecteur A, ou est solidaire d'un miroir mobile correspondant dudit déflecteur A, 3-microscope selon une la revendication 2, caractérisé par le fait que -lesdits miroirs mobiles dudit déflecteur A sont chacun confondus avec un miroir mobile correspondant dudit déflecteur B, - lesdits miroirs mobiles du déflecteur C sont chacun réalisés sur la face opposée d'un miroir mobile correspondant dudit déflecteur A,
4-microscope selon une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que lesdits déflecteurs de faisceau sont placés dans des plans afocaux.
5-microscope selon une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un trou microscopique traversé par ledit faisceau provenant de l'échantillon observé et ayant été défléchi par ledit déflecteur B.
6-microscope selon une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour focaliser en un ou plusieurs points d'un plan image l'onde provenant de l'échantillon observé et ayant été défléchie par lesdits déflecteurs B et C.

<Desc/Clms Page number 13>

Revendications (2/2) 7-microscope selon une des revendications 5 ou 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour diviser le faisceau lumineux d'éclairage en plusieurs sous-faisceaux focalisé chacun en un point différent de l'échantillon observé, et par le fait que chacun desdits trous microscopiques est l'image d'un point de l'objet sur lequel un desdits sous-faisceaux est focalisé.
8-microscope selon la revendications 7, caractérisé par le fait qu'il comprend un moyen pour faire varier la phase de chacun desdits sous-faisceau.
9-microscope selon la revendication 8, caractérisé par le fait que ledit moyen pour faire varier la phase de chacun desdits sous-faisceaux est une vitre transparente portant des surépaisseurs et tournant autour d'un axe.