FR2847668A1 - High resolution spectrometer for application to variable spectral domains, comprises point source sending beam through first optical element, a grism, a second optical element and means of detection - Google Patents

High resolution spectrometer for application to variable spectral domains, comprises point source sending beam through first optical element, a grism, a second optical element and means of detection Download PDF

Info

Publication number
FR2847668A1
FR2847668A1 FR0214766A FR0214766A FR2847668A1 FR 2847668 A1 FR2847668 A1 FR 2847668A1 FR 0214766 A FR0214766 A FR 0214766A FR 0214766 A FR0214766 A FR 0214766A FR 2847668 A1 FR2847668 A1 FR 2847668A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
axial
optical element
spectrometer
spectrometer according
focal plane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR0214766A
Other languages
French (fr)
Other versions
FR2847668B1 (en
Inventor
Emmanuel Froigneux
Michel Leclercq
Bernard Roussel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Horiba Jobin Yvon SAS
Original Assignee
Horiba Jobin Yvon SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Horiba Jobin Yvon SAS filed Critical Horiba Jobin Yvon SAS
Priority to FR0214766A priority Critical patent/FR2847668B1/en
Priority to PCT/FR2003/003478 priority patent/WO2004051204A1/en
Priority to AU2003294076A priority patent/AU2003294076A1/en
Publication of FR2847668A1 publication Critical patent/FR2847668A1/en
Application granted granted Critical
Publication of FR2847668B1 publication Critical patent/FR2847668B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28Investigating the spectrum
    • G01J3/2823Imaging spectrometer
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0291Housings; Spectrometer accessories; Spatial arrangement of elements, e.g. folded path arrangements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02Details
    • G01J3/0294Multi-channel spectroscopy
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

The axial spectrometer has a point source (3,31,...39) which sends a luminous beam (2,21,...29) to a first optical element (1). The first optical element collimates the beam to a grism (4) with a dispersion axis and to a second optical element (5) which focuses the dispersed beams (9,91,92,...99) on to a means of detection (6). Each point source defines a central wavelength in the focal image plan of the second optical element Independent claims are also included for the following: 1) A Raman type spectroscope which includes the high resolution axial spectroscope 2) A photoluminescence type spectroscope which includes the high resolution axial spectroscope 3) A fluorescence type spectroscope which includes the high resolution axial spectroscope

Description

I La présente invention concerne un spectromètre axial à haute résolutionI The present invention relates to a high resolution axial spectrometer

spatiale et spectrale dont le domaine spectral d'observation est variable.  spatial and spectral whose spectral domain of observation is variable.

Les spectromètres à élément dispersif fixe présentent de nombreux intérêts notamment en ce qui concerne la compacité, la simplicité du dispositif et donc sa stabilité mécanique. Ces spectromètres sont donc naturellement mis en oeuvre dans une majorité des montages permettant l'étude de la composition spectrale des ondes émises par des sources lumineuses (échantillons irradiés, Raman, Fluorescence, Photoluminescence,  Fixed dispersive element spectrometers have many advantages, particularly with regard to the compactness, the simplicity of the device and therefore its mechanical stability. These spectrometers are therefore naturally used in the majority of assemblies allowing the study of the spectral composition of the waves emitted by light sources (irradiated samples, Raman, Fluorescence, Photoluminescence,

.). Parmi ces spectromètres, le spectromètre axial présente les qualités supplémentaires 10 d'un spectromètre imageur à haute résolution spatiale. Cette résolution spatiale..DTD: autorise le positionnement à son entrée d'un grand nombre de points sources sur un axe perpendiculaire à l'axe de dispersion. L'obtention simultanée des spectres de chacun de ces points sources est ainsi rendue possible sur le plan image du spectromètre.  .). Among these spectrometers, the axial spectrometer has the additional qualities of an imaging spectrometer with high spatial resolution. This spatial resolution..DTD: authorizes the positioning at its entry of a large number of source points on an axis perpendicular to the axis of dispersion. The simultaneous obtaining of the spectra of each of these source points is thus made possible on the image plane of the spectrometer.

Pour cela, le spectromètre axial utilise les qualités du grisme (ou prisme de Carpenter). Il s'agit d'un élément dispersif qui est réalisé en appliquant un réseau en transmission sur l'hypoténuse d'un prisme à angle droit. Le rôle du prisme est alors de compenser pour une longueur d'onde la déviation produite par le réseau. On obtient ainsi un étalement du spectre de part et d'autre de la 20 direction définie par le faisceau incident. En général, la longueur d'onde non déviée est proche du milieu du spectre. Elle est dite centrale. Le spectromètre axial permet l'observation dans l'axe du faisceau incident, ce dernier pénétrant perpendiculairement dans le prisme. L'utilisation du grisme permet de fortement améliorer les qualités d'images du spectromètre. En effet, la présence du 25 prisme devant le réseau diminue fortement les aberrations à la longueur d'onde  For this, the axial spectrometer uses the qualities of grism (or Carpenter's prism). It is a dispersive element which is produced by applying a transmission network to the hypotenuse of a right angle prism. The role of the prism is then to compensate for a wavelength the deviation produced by the network. A spread of the spectrum is thus obtained on either side of the direction defined by the incident beam. In general, the non-deviated wavelength is close to the middle of the spectrum. It is said to be central. The axial spectrometer allows observation in the axis of the incident beam, the latter penetrating perpendicularly into the prism. The use of grism makes it possible to greatly improve the image qualities of the spectrometer. Indeed, the presence of the prism in front of the grating greatly reduces the aberrations at the wavelength

non déviée.not deflected.

La Figure 1 est une représentation schématique d'un spectromètre axial tel que mis en oeuvre dans un dispositif de l'art antérieur. Le spectromètre axial comporte un premier objectif 1, une optique de collimation, qui collimate la 30 lumière 2 émise par une source de lumière 3 et provenant de l'entrée du  Figure 1 is a schematic representation of an axial spectrometer as used in a device of the prior art. The axial spectrometer has a first objective 1, a collimating optic, which collimates the light 2 emitted by a light source 3 and coming from the input of the

spectromètre pour la diriger vers un grisme 4 ayant un axe de dispersion. Un second objectif 5, une optique de focalisation fait l'image du spectre sur un système de détection 6 qui peut être un détecteur linéaire ou matriciel de type capteur à transfert de charges (CCD).  spectrometer to direct it towards a grisme 4 having an axis of dispersion. A second objective 5, a focusing optics makes the image of the spectrum on a detection system 6 which can be a linear or matrix detector of the charge transfer sensor (CCD) type.

Cependant l'inconvénient majeur intrinsèque à ce spectromètre réside dans le fait que le domaine spectral d'observation est figé. Un spectromètre à élément dispersif fixe ne permet en effet d'observer qu'une plage de longueur d'onde X prédéterminée. Les paramètres du spectromètre sont calculés pour une longueur d'onde non déviée, dite longueur d'onde centrale, et un domaine spectral qui pour un détecteur de largeur d suivant l'axe de dispersion est donné de façon approchée par la relation suivante: Xi =(n d 1) x cos(A) Nxf o Xf est la longueur d'onde maximum observée, Xi la longueur d'onde  However, the major intrinsic drawback to this spectrometer lies in the fact that the spectral range of observation is frozen. A spectrometer with a fixed dispersive element in fact allows only a predetermined wavelength range X to be observed. The parameters of the spectrometer are calculated for a non-deviated wavelength, called the central wavelength, and a spectral domain which for a detector of width d along the dispersion axis is approximated by the following relation: Xi = (nd 1) x cos (A) Nxf o Xf is the maximum wavelength observed, Xi the wavelength

minimum observée, N le nombre de traits/mm du réseau 7, f la distance focale de l'objectif et A l'angle au sommet du prisme 8 et n l'indice de réfraction du matériau constituant le prisme.  minimum observed, N the number of lines / mm of the grating 7, f the focal length of the objective and At the angle at the apex of the prism 8 and n the refractive index of the material constituting the prism.

Le spectromètre axial de l'art antérieur est donc conçu pour une  The axial spectrometer of the prior art is therefore designed for a

application précise, ce qui le rend très peu polyvalent.  precise application, which makes it very versatile.

L'objectif de la présente invention est de proposer un spectromètre axial simple dans sa conception et dans son mode opératoire, rapide et économique permettant de faire varier le domaine spectral d'observation et de mesurer un objet avec une haute résolution spatiale et spectrale, en augmentant la  The objective of the present invention is to provide an axial spectrometer which is simple in its design and in its operating mode, rapid and economical, making it possible to vary the spectral range of observation and to measure an object with high spatial and spectral resolution, in increasing the

dispersion linéique du spectromètre pour un domaine spectral donné.  linear dispersion of the spectrometer for a given spectral range.

Un tel spectromètre est particulièrement utile pour les analyses de la police scientifique, les analyses des objets d'art, en archéologie et en gemmologie. Un tel spectromètre permet aussi un suivi en ligne et en temps réel des réactions chimiques en laboratoire ou dans les installations  Such a spectrometer is particularly useful for forensic analysis, analyzes of works of art, archeology and gemology. Such a spectrometer also allows online and real-time monitoring of chemical reactions in the laboratory or in facilities

industrielles.industrial.

A cet effet, l'invention concerne un spectromètre axial comportant au moins un point source envoyant un faisceau lumineux sur un premier élément optique ayant un plan focal objet, chaque point source étant placé dans le plan focal objet du premier élément optique, ledit premier élément optique 30 collimatant le ou lesdits faisceaux lumineux vers un grisme ayant un axe de dispersion et un deuxième élément optique focalisant le ou lesdits faisceaux lumineux dispersés sur des moyens de détection placés dans le plan focal  To this end, the invention relates to an axial spectrometer comprising at least one source point sending a light beam on a first optical element having an object focal plane, each source point being placed in the object focal plane of the first optical element, said first element optical system 30 collimating said light beam (s) towards a lens having an axis of dispersion and a second optical element focusing said light beam (s) on detection means placed in the focal plane

image du deuxième élément optique.  image of the second optical element.

Selon l'invention, le ou les points sources peuvent prendre différentes positions dans le plan focal objet du premier élément optique, chaque position  According to the invention, the source point or points can take different positions in the object focal plane of the first optical element, each position

d'un point source définissant une longueur d'onde centrale.  a source point defining a central wavelength.

Dans différents modes de réalisation, la présente invention concerne également les caractéristiques suivantes qui devront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles: - le spectromètre axial comprend des moyens pour déplacer un point source dans le plan focal objet du premier élément optique, - le spectromètre axial comprend un ensemble de points source placés dans le plan focal objet du premier élément optique, - l'ensemble des points sources forme une matrice NxN de sources Si] (i,j=1 à N), - seules les sources Sij avec i=j sont des sources émettrices d'un faisceau lumineux, - les moyens de détection comprennent un capteur à transfert de charges (CCD), - les moyens de détection comprennent un détecteur monocanal, - les premier et deuxième éléments optiques comprennent des objectifs,  In different embodiments, the present invention also relates to the following characteristics which must be considered in isolation or according to all their technically possible combinations: - the axial spectrometer comprises means for moving a source point in the focal plane object of the first optical element, - the axial spectrometer comprises a set of source points placed in the object focal plane of the first optical element, - the set of source points forms an NxN matrix of sources Si] (i, j = 1 to N), - only the sources Sij with i = j are sources emitting a light beam, - the detection means comprise a charge transfer sensor (CCD), - the detection means comprise a single-channel detector, - the first and second optical elements comprise objectives ,

- les points sources sont des coeurs de fibres optiques.  - the source points are cores of optical fibers.

L'invention concerne également un dispositif de spectroscopie Raman ou de spectroscopie par fluorescence pour l'analyse d'un échantillon. Selon l'invention, ledit dispositif comprend un spectromètre axial tel que décrit précédemment. L'invention concerne enfin un dispositif de spectroscopie par photoluminescence. Selon l'invention, ce dispositif comprend un spectromètre  The invention also relates to a Raman spectroscopy or fluorescence spectroscopy device for analyzing a sample. According to the invention, said device comprises an axial spectrometer as described above. The invention finally relates to a photoluminescence spectroscopy device. According to the invention, this device comprises a spectrometer

axial tel que décrit précédemment.  axial as described above.

L'invention peut permettre la réalisation d'images spectrales.  The invention can allow the production of spectral images.

Dans différents modes de réalisation possibles, l'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un spectromètre axial de l'art antérieur; - la figure 2 est une représentation schématique d'un grisme sur lequel est incident, normalement à la face d'entrée du prisme, un faisceau lumineux; - la figure 3 montre un schéma de principe (fig. 3a) et un exemple de 35 mise en oeuvre (fig. 3b-c) d'un spectromètre axial dans un mode de réalisation de la présente invention. La fig. 3b) montre ledit spectromètre avec son enveloppe tubulaire et la fig. 3c) représente schématiquement une coupe suivant l'axe A - A dudit spectromètre axial; la figure 4 est un exemple de mise en oeuvre de l'invention montrant la variation du domaine spectral d'observation (en nm) en fonction de l'angle d'incidence (en degré) du faisceau lumineux sur le grisme du spectromètre axial; - la figure 5 est un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention montrant l'acquisition simultanée sur le plan image du spectromètre axial de spectres dans des domaines spectraux d'observation différents; - la figure 6 est un troisième exemple de mise en oeuvre de l'invention montrant l'acquisition simultanée sur le plan image du spectromètre axial d'un  In different possible embodiments, the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which: - Figure 1 is a schematic representation of an axial spectrometer of the prior art; - Figure 2 is a schematic representation of a screen on which is incident, normally at the entrance face of the prism, a light beam; - Figure 3 shows a block diagram (Fig. 3a) and an example of implementation (Fig. 3b-c) of an axial spectrometer in an embodiment of the present invention. Fig. 3b) shows said spectrometer with its tubular envelope and FIG. 3c) schematically represents a section along the axis A - A of said axial spectrometer; FIG. 4 is an exemplary implementation of the invention showing the variation of the spectral range of observation (in nm) as a function of the angle of incidence (in degrees) of the light beam on the dimming of the axial spectrometer; - Figure 5 is a second example of implementation of the invention showing the simultaneous acquisition on the image plane of the axial spectrometer of spectra in different spectral observation domains; - Figure 6 is a third example of implementation of the invention showing the simultaneous acquisition on the image plane of the axial spectrometer of a

spectre de référence et d'un spectre mesuré.  reference spectrum and a measured spectrum.

Le spectromètre axial tel que représenté sur la figure 3a) comporte au 15 moins un point source lumineux 3 émettant un faisceau 2. Ces points sources 3, 31,..., 39 sont, par exemple, des fibres optiques ou des fentes. Le ou lesdits faisceaux lumineux 2, 21,..., 29 émis sont envoyés sur un premier élément optique 1 ayant un plan focal objet qui les collimate sur un grisme 4 ayant un axe de dispersion. A la sortie du grisme 4, un deuxième élément optique 5 20 focalise le ou lesdits faisceaux lumineux dispersés 9, 91,...., 99 sur des moyens  The axial spectrometer as shown in FIG. 3a) comprises at least one light source point 3 emitting a beam 2. These source points 3, 31, ..., 39 are, for example, optical fibers or slits. The emitted light beam (s) 2, 21, ..., 29 are sent to a first optical element 1 having an object focal plane which collimates them on a lens 4 having an axis of dispersion. At the end of the lens 4, a second optical element 5 20 focuses the said scattered light beam (s) 9, 91, ...., 99 on means

de détection 6 placés dans le plan focal image du deuxième élément optique 5.  detection 6 placed in the image focal plane of the second optical element 5.

Dans un mode de réalisation, les moyens de détection 6 comprennent un capteur à transfert de charges (CCD) comportant une matrice de pixels.  In one embodiment, the detection means 6 comprise a charge transfer sensor (CCD) comprising a matrix of pixels.

Chacun des points du détecteur est repéré par un couple de 25 coordonnées (x, y). Les signaux d'intensité ls(x, y, XI) mesurés en chaque point pour une longueur d'onde ?j donnée sont envoyés sur un ordinateur. Ces signaux sont ensuite traités numériquement par un logiciel. Dans un autre mode de réalisation, les moyens de détection 6 comprennent un détecteur monocanal, par exemple un photomultiplicateur. Les premier et deuxième 30 éléments optiques 1, 5 comprennent soit des objectifs, soit des lentilles. La figure 3 b) montre un exemple de réalisation d'un spectromètre axial selon l'invention, représenté avec une enveloppe tubulaire protectrice 10. Cette enveloppe 10 est réalisée, par exemple, en métal. La figure 3 c) montre schématiquement une coupe transversale suivant l'axe A - A dudit spectromètre  Each point of the detector is identified by a pair of 25 coordinates (x, y). The intensity signals ls (x, y, XI) measured at each point for a given wavelength? J are sent to a computer. These signals are then processed digitally by software. In another embodiment, the detection means 6 comprise a single-channel detector, for example a photomultiplier. The first and second optical elements 1, 5 comprise either objectives or lenses. FIG. 3 b) shows an exemplary embodiment of an axial spectrometer according to the invention, shown with a protective tubular envelope 10. This envelope 10 is made, for example, of metal. Figure 3 c) schematically shows a cross section along the axis A - A of said spectrometer

axial.axial.

Le ou les points sources 3, 31,..., 39 peuvent prendre différentes positions dans le plan focal objet du premier élément optique, chaque position  The source point (s) 3, 31, ..., 39 can take different positions in the object focal plane of the first optical element, each position

d'un point source 3, 31,..., 39 définissant une longueur d'onde centrale.  from a source point 3, 31, ..., 39 defining a central wavelength.

Dans un mode de réalisation, le spectromètre axial comprend des moyens pour déplacer un point source 3, 31,..., 39 dans le plan focal objet du premier élément optique 1. Par le déplacement dudit point source, il est possible de faire de varier l'angle d'incidence du faisceau lumineux émis par rapport à la normale à la face d'entrée du grisme. Cette variation de l'angle d'incidence permet le changement du domaine spectral observé dans ledit 10 spectromètre axial. Ces moyens pour déplacer un point source comprennent,  In one embodiment, the axial spectrometer comprises means for moving a source point 3, 31, ..., 39 in the focal plane object of the first optical element 1. By moving said source point, it is possible to make vary the angle of incidence of the light beam emitted relative to normal at the input face of the lens. This variation in the angle of incidence allows the spectral range observed in said axial spectrometer to be changed. These means for moving a source point include,

par exemple, un élément mécanique de translation d'une source.  for example, a mechanical element for translating a source.

Cette caractéristique ouvre de nombreuses possibilités en particulier pour la mesure du spectre 22 étudié par rapport à un spectre 21 (complexe ou  This characteristic opens many possibilities in particular for the measurement of the spectrum 22 studied with respect to a spectrum 21 (complex or

simple) de référence ou pour la calibration.  simple) for reference or for calibration.

Un flux lumineux dont le spectre 21 est pris comme référence peut entrer dans le spectromètre par une fibre 18 et être lu sur une ligne du détecteur 17, le spectre mesuré 22 étant amené par une autre fibre 181 et lu sur une autre ligne 171. Les dérives produites par l'environnement commun ou par le spectromètre se traduisent de la même manière sur le spectre de référence et sur le spectre  A light flux whose spectrum 21 is taken as a reference can enter the spectrometer by a fiber 18 and be read on a line of the detector 17, the measured spectrum 22 being brought by another fiber 181 and read on another line 171. drifts produced by the common environment or by the spectrometer are translated in the same way on the reference spectrum and on the spectrum

mesuré et sont alors sans effet sur la mesure.  measured and have no effect on the measurement.

Au contraire la dérive du spectre mesuré 22 par rapport au spectre de référence 21 peut être le signe d'un phénomène physique qu'il est ainsi  On the contrary, the drift of the measured spectrum 22 with respect to the reference spectrum 21 may be the sign of a physical phenomenon that it is so

possible de mesurer.possible to measure.

Lorsque la référence est une raie, par exemple une raie laser qui peut 25 être celle de la source d'excitation Raman, on peut ainsi extraire avec une très bonne précision les intervalles spectraux entre la raie de référence et chaque point du spectre mesuré. Ces intervalles sont souvent caractéristiques du produit analysé. On s'affranchit ainsi de la dérive toujours possible de la raie d'excitation. Dans un autre mode de réalisation, ledit spectromètre comprend plusieurs points sources 3, 31,.. ., 39 qui sont placés dans le plan focal objet du premier élément optique 1. Avantageusement, l'ensemble des points sources forme une matrice N x N de sources Sij (ij=1 à N). Il est alors possible de choisir un angle d'incidence particulier pour un faisceau lumineux en 35 sélectionnant une source (ou un ensemble de sources) émettrice S1j donnée, la sélection de ladite ou desdites sources étant, par exemple, assurée par un routeur optique. L'angle d'incidence de chacun des faisceaux lumineux émis dans le plan focal objet du premier élément optique peut être indépendamment varié. Ainsi non seulement plusieurs spectres peuvent-ils être observés simultanément mais ces spectres peuvent se trouver dans des domaines spectraux différents. Dans un mode de réalisation, seules les sources S1j avec  When the reference is a line, for example a laser line which may be that of the Raman excitation source, it is thus possible to extract with very good precision the spectral intervals between the reference line and each point of the spectrum measured. These intervals are often characteristic of the product analyzed. We thus get rid of the always possible drift of the excitation line. In another embodiment, said spectrometer comprises several source points 3, 31, ..., 39 which are placed in the object focal plane of the first optical element 1. Advantageously, the set of source points forms an N × N matrix from sources Sij (ij = 1 to N). It is then possible to choose a particular angle of incidence for a light beam by selecting a given emitting source (or set of sources) S1j, the selection of said source or sources being, for example, ensured by an optical router. The angle of incidence of each of the light beams emitted in the object focal plane of the first optical element can be independently varied. Thus not only can several spectra be observed simultaneously, but these spectra can be found in different spectral domains. In one embodiment, only the sources S1j with

i=j sont des sources émettrices d'un faisceau lumineux.  i = j are sources emitting a light beam.

Une approche théorique a été développée pour expliquer la variation de la longueur d'onde X d'un faisceau lumineux 2 incident sous un angle i sur un 10 grisme 4, ledit angle i étant repéré par rapport à la normale à la face d'entrée d'un prisme 8 d'indice optique n. La relation entre l'an. gle d'incidence i et l'angle de réfraction r du faisceau lumineux dans le prisme, donnée par la loi de SnellDescartes, est sin (i) = n sin (r). L'angle a d'incidence sur le réseau 7 du faisceau peut encore s'écrire (Ar), o A est l'angle au sommet du prisme. A la 15 sortie du grisme 4, la longueur d'onde Xc non déviée, dite longueur d'onde centrale, suit alors la relation suivante: X.0(r) = x[ nxsin(A-r)-sinrA] N  A theoretical approach has been developed to explain the variation of the wavelength X of a light beam 2 incident at an angle i on a lens 4, said angle i being identified with respect to the normal to the input face. a prism 8 of optical index n. The relation between the year. gle of incidence i and the angle of refraction r of the light beam in the prism, given by the law of SnellDescartes, is sin (i) = n sin (r). The angle of incidence on the network 7 of the beam can still be written (Ar), where A is the angle at the top of the prism. At the end of the gray 4, the wavelength Xc not deviated, called the central wavelength, then follows the following relationship: X.0 (r) = x [nxsin (A-r) -sinrA] N

o N est le nombre de traits du réseau 7 par unité de longueur (en mm).  o N is the number of lines of the network 7 per unit of length (in mm).

Cette relation peut être réécrite pour faire apparaître l'angle d'incidence i du faisceau lumineux 2 sur la face d'entrée dudit grisme 4: C x [n x sin(A - (Arc sin(sin(i)/n))) - sin A] N Cette relation montre donc qu'en faisant varier l'angle d'incidence i par  This relation can be rewritten to reveal the angle of incidence i of the light beam 2 on the input face of said dimming 4: C x [nx sin (A - (Arc sin (sin (i) / n))) - sin A] N This relation therefore shows that by varying the angle of incidence i by

déplacement de la source émettrice dans le plan focal du premier élément optique 1, on modifie la longueur d'onde centrale X..  displacement of the emitting source in the focal plane of the first optical element 1, the central wavelength X is modified.

Le spectromètre axial permet également d'augmenter la dispersion linéique et par conséquent la résolution du spectromètre pour un domaine 30 spectral d'observation donné. Le spectromètre axial selon l'invention présente  The axial spectrometer also makes it possible to increase the linear dispersion and therefore the resolution of the spectrometer for a given spectral range of observation. The axial spectrometer according to the invention has

donc non seulement les qualités d'un imageur à haute résolution spatiale mais également une haute résolution spectrale. Il permet donc l'obtention d'image spectrométrique pour le domaine médical ou pour le domaine industriel.  therefore not only the qualities of a high spatial resolution imager but also a high spectral resolution. It therefore makes it possible to obtain a spectrometric image for the medical field or for the industrial field.

Le spectromètre axial tel que décrit précédemment peut avantageusement être utilisé dans le domaine de l'imagerie médicale, les dispositifs de spectrométrie Raman et spectrométrie par photoluminescence.  The axial spectrometer as described above can advantageously be used in the field of medical imaging, Raman spectrometry and photoluminescence spectrometry.

Le spectromètre axial de l'invention a fait l'objet de plusieurs mises en oeuvre présentées dans les exemples suivants faisant ressortir la qualité des résultats obtenus:  The axial spectrometer of the invention was the subject of several implementations presented in the following examples highlighting the quality of the results obtained:

Exemple 1Example 1

La Figure 4 montre un premier exemple de mise en oeuvre d'un tel spectromètre axial pour obtenir la variation du domaine spectral d'observation 10 initialement compris entre 532 nm et 665 nm. L'axe des abscisses 11 représente l'angle d'incidence (en degré) d'un faisceau lumineux émis par une source sur le grisme du spectromètre axial. L'angle d'incidence est considéré par rapport à un axe normal à la face d'entrée du grisme, L.e. que l'angle d'incidence O' correspond à un faisceau lumineux pénétrant normalement dans 15 le grisme. L'axe des ordonnées 12 représente la longueur d'onde en nanomètre (nm). Un première courbe 13 (losange + trait plein) montre la variation de la longueur d'onde centrale, une seconde courbe 14 (triangle + trait plein) montre la variation de la longueur d'onde maximale tandis qu'une troisième courbe 15 (carré + trait plein) représente la variation de la longueur d'onde minimale en  Figure 4 shows a first example of implementation of such an axial spectrometer to obtain the variation of the spectral range of observation 10 initially comprised between 532 nm and 665 nm. The abscissa axis 11 represents the angle of incidence (in degrees) of a light beam emitted by a source on the height of the axial spectrometer. The angle of incidence is considered in relation to an axis normal to the entry face of the crane, L.e. that the angle of incidence O ′ corresponds to a light beam which normally penetrates the lens. The ordinate axis 12 represents the wavelength in nanometers (nm). A first curve 13 (diamond + solid line) shows the variation of the central wavelength, a second curve 14 (triangle + solid line) shows the variation of the maximum wavelength while a third curve 15 (square + solid line) represents the variation of the minimum wavelength in

fonction de l'angle d'incidence du faisceau lumineux.  function of the angle of incidence of the light beam.

Exemple 2Example 2

La Figure 5 est un deuxième exemple de mise en oeuvre de l'invention montrant l'acquisition simultanée sur le plan image 16 du spectromètre axial de spectres 17, 171,..., 175 dans des domaines spectraux d'observation 25 - différents. Cette acquisition -est obtenue par le positionnement selon une diagonale de coeurs de fibres 18, 181,..., 185 dans le plan objet du spectromètre 19. Un mode de réalisation d'un tel dispositif est obtenu par un ensemble de points sources comprenant des coeurs de fibres 18, 181,..., 185 formant une matrice (6x6) de sources S1j (i, j=1 à 6) dans laquelle seules les 30 sources Si] avec i=j sont des sources émettrices d'un faisceau lumineux. La  Figure 5 is a second example of implementation of the invention showing the simultaneous acquisition on the image plane 16 of the axial spectrometer of spectra 17, 171, ..., 175 in spectral domains of observation 25 - different. This acquisition is obtained by positioning along a diagonal of fiber cores 18, 181, ..., 185 in the object plane of the spectrometer 19. An embodiment of such a device is obtained by a set of source points comprising fiber hearts 18, 181, ..., 185 forming a matrix (6x6) of sources S1j (i, j = 1 to 6) in which only the 30 sources Si] with i = j are sources emitting a light bleam. The

flèche 20 donne la direction de l'axe de dispersion.  arrow 20 gives the direction of the dispersion axis.

Ainsi, l'invention permet la réalisation d'un spectromètre compacte, robuste et stable à haute résolution. Il ne comprend aucun élément mobile et est donc susceptible d'applications variées.  Thus, the invention allows the production of a compact, robust and stable spectrometer at high resolution. It does not include any mobile element and is therefore susceptible of various applications.

Exemple 3 La figure 6 est un troisième exemple de mise en oeuvre de l'invention montrant l'acquisition simultanée sur le plan focal image 16 du spectromètre axial d'un spectre de référence 21 et d'un spectre mesuré 22. Les spectres de référence 21 et mesuré 22 sont dans des domaines spectraux d'observation différents, respectivement [Xi, M21 et [X3, 4]. Cette acquisition est obtenue par un positionnement adapté de deux coeurs de fibres 18, 181 dans le plan focal  Example 3 FIG. 6 is a third example of implementation of the invention showing the simultaneous acquisition on the focal plane image 16 of the axial spectrometer of a reference spectrum 21 and of a measured spectrum 22. The reference spectra 21 and measured 22 are in different spectral observation ranges, respectively [Xi, M21 and [X3, 4]. This acquisition is obtained by a suitable positioning of two fiber cores 18, 181 in the focal plane

objet du spectromètre 19. La flèche 20 donne la direction de dispersion.  object of the spectrometer 19. The arrow 20 gives the direction of dispersion.

Le spectre de référence 21 est obtenu par la dispersion du faisceau émis par la source de référence, i.e. le coeur de fibre 18. Le spectre mesuré 22 est obtenu 10 par la dispersion du faisceau émis par la source de mesure, i.e. le coeur de fibre 181. La figure 6 b) montre la dérive AI, du spectre de référence 21, obtenu à un instant t1 par rapport au spectre de référence 21' obtenu à un instant t2. Des 15 moyens de traitement permettent de comparer le spectre de référence 21 mesuré à l'instant t1 avec le spectre de référence 21' mesuré à l'instant t2 et de déterminer ainsi la dérive AI, introduite par un phénomène indépendant de la substance mesurée, par exemple instabilité mécanique du spectromètre, dérive du laser. La dérive AI, représente alors la dérive introduite par le système de  The reference spectrum 21 is obtained by the dispersion of the beam emitted by the reference source, ie the fiber core 18. The measured spectrum 22 is obtained by the dispersion of the beam emitted by the measurement source, ie the fiber core 181. FIG. 6 b) shows the drift AI, of the reference spectrum 21, obtained at an instant t1 with respect to the reference spectrum 21 'obtained at an instant t2. Processing means make it possible to compare the reference spectrum 21 measured at time t1 with the reference spectrum 21 'measured at time t2 and thus determine the drift AI, introduced by a phenomenon independent of the substance measured, for example mechanical instability of the spectrometer, drift of the laser. The drift AI, then represents the drift introduced by the system of

mesure complet.complete measurement.

La figure 6 c) montre la dérive AX2 du spectre mesuré 22 obtenu à l'instant t1 par rapport au spectre mesuré 22' obtenu à l'instant t2. Des moyens de traitement permettent de comparer le spectre 22 mesuré à l'instant t1 avec le 25 spectre 22' mesuré à l'instant t2 et de déterminer ainsi la dérive Ak2 observée  FIG. 6 c) shows the drift AX2 of the measured spectrum 22 obtained at time t1 with respect to the measured spectrum 22 'obtained at time t2. Processing means make it possible to compare the spectrum 22 measured at time t1 with the spectrum 22 'measured at time t2 and thus determine the observed drift Ak2

entre les instants t1 et t2. La dérive A%2 est le résultat d'une dérive AX1 indépendante de la substance mesurée et éventuellement d'une dérive supplémentaire AX2' directement liée à la mesure.  between times t1 and t2. The drift A% 2 is the result of a drift AX1 independent of the substance measured and possibly of an additional drift AX2 'directly linked to the measurement.

L'information obtenue sur la dérive AI, du spectre de référence permet 30 de distinguer lesdites dérives et ainsi d'obtenir une information exacte sur la dérive réelle du spectre mesuré en éliminant les erreurs de mesure toujours possible introduites par la dérive du système de mesure lui-même.  The information obtained on the drift AI, of the reference spectrum makes it possible to distinguish said drifts and thus to obtain exact information on the real drift of the spectrum measured by eliminating the always possible measurement errors introduced by the drift of the measurement system. himself.

Claims (12)

REVENDICATIONS 1. Spectromètre axial comportant au moins un point source (3, 31,....  1. Axial spectrometer comprising at least one source point (3, 31, .... 39) envoyant un faisceau lumineux (2, 21,..., 29) sur un premier élément optique (1) ayant un plan focal objet, chaque point source points sources (3, 31,..., 39) étant placé dans le plan focal objet du premier élément optique (1), ledit premier élément optique (1) collimatant le ou lesdits faisceaux lumineux (2, 21,..., 29) vers un grisme (4) ayant un axe de dispersion et un deuxième élément optique (5) focalisant le ou lesdits faisceaux lumineux dispersés (9, 91,..., 99) sur des moyens de détection (6) placés dans le plan focal image du deuxième élément optique (5), caractérisé en ce que le ou les points sources points sources (3, 31,..., 39) peuvent prendre différentes positions dans le plan focal objet du premier élément optique (1), chaque position d'un point source points sources (3, 31,  39) sending a light beam (2, 21, ..., 29) onto a first optical element (1) having an object focal plane, each source point source points (3, 31, ..., 39) being placed in the object focal plane of the first optical element (1), said first optical element (1) collimating said light beam (s) (2, 21, ..., 29) towards a lens (4) having a dispersion axis and a second optical element (5) focusing the said scattered light beam (s) (9, 91, ..., 99) on detection means (6) placed in the image focal plane of the second optical element (5), characterized in that the or the source points source points (3, 31, ..., 39) can take different positions in the object focal plane of the first optical element (1), each position of a source point source points (3, 31, 15..., 39) définissant une longueur d'onde centrale.  15 ..., 39) defining a central wavelength. 2. Spectromètre axial selon la revendication 1 caractérisé en ce que le spectromètre axial comprend des moyens pour déplacer un point source (3,  2. Axial spectrometer according to claim 1 characterized in that the axial spectrometer comprises means for moving a source point (3, 31,..., 39) dans le plan focal objet du premier élément optique (1).  31, ..., 39) in the focal plane object of the first optical element (1). 3. Spectromètre axial selon la revendication 1 caractérisé en ce que le spectromètre axial comprend un ensemble de points sources (3, 31,...., 39)  3. Axial spectrometer according to claim 1 characterized in that the axial spectrometer comprises a set of source points (3, 31, ...., 39) placé dans le plan focal objet du premier élément optique (1).  placed in the object focal plane of the first optical element (1). 4. Spectromètre axial selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'ensemble des points sources (3, 31,..., 39) forme une matrice NxN de  4. Axial spectrometer according to claim 3 characterized in that all the source points (3, 31, ..., 39) form an NxN matrix of sources Sij (i, j=1 à N).sources Sij (i, j = 1 to N). 5. Spectromètre axial selon la revendication 4 caractérisé en ce que seules les sources Sij avec i=j sont des sources émettrices d'un faisceau  5. Axial spectrometer according to claim 4 characterized in that only the sources Sij with i = j are sources emitting a beam lumineux (2, 21,..., 29).bright (2, 21, ..., 29). 6. Spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 5  6. Axial spectrometer according to any one of claims 1 to 5 caractérisé en ce que les moyens de détection (6) comprennent un capteur à  characterized in that the detection means (6) comprise a sensor with transfert de charges (CCD).charge transfer (CCD). 7. Spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,  7. Axial spectrometer according to any one of claims 1 to 5, caractérisé en ce que les moyens de détection (6) comprennent un détecteur monocanal.  characterized in that the detection means (6) comprise a single-channel detector. 8. Spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 7  8. Axial spectrometer according to any one of claims 1 to 7 caractérisé en ce que les premier (1) et deuxième éléments optiques (5)  characterized in that the first (1) and second optical elements (5) comprennent des objectifs.include goals. 9. Spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 8  9. Axial spectrometer according to any one of claims 1 to 8 caractérisé en ce que les points sources (3, 31,..., 39) sont des coeurs de  characterized in that the source points (3, 31, ..., 39) are hearts of fibres optiques.optical fiber. 10. Dispositif de spectroscopie Raman pour l'analyse d'un échantillon caractérisé en ce qu'il comprend un spectromètre axial selon l'une quelconque  10. Raman spectroscopy device for analyzing a sample, characterized in that it comprises an axial spectrometer according to any one des revendications 1 à 9.of claims 1 to 9. 11. Dispositif de spectroscopie par photoluminescence caractérisé en ce qu'il comprend un spectromètre axial selon l'une quelconque des  11. Photoluminescence spectroscopy device characterized in that it comprises an axial spectrometer according to any one of revendications 1 à 9.claims 1 to 9. 12. Dispositif de spectrométrie par fluorescence caractérisé en ce qu'il  12. Fluorescence spectrometry device characterized in that it comprend un spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à  comprises an axial spectrometer according to any one of claims 1 to 9.9.
FR0214766A 2002-11-25 2002-11-25 AXIAL SPECTROMETER WITH HIGH SPACE AND SPECTRAL RESOLUTION AND VARIABLE OBSERVATION SPECTRAL DOMAIN Expired - Fee Related FR2847668B1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0214766A FR2847668B1 (en) 2002-11-25 2002-11-25 AXIAL SPECTROMETER WITH HIGH SPACE AND SPECTRAL RESOLUTION AND VARIABLE OBSERVATION SPECTRAL DOMAIN
PCT/FR2003/003478 WO2004051204A1 (en) 2002-11-25 2003-11-25 Axial spectrometer with high spatial and spectral resolution and variable spectral observation domain
AU2003294076A AU2003294076A1 (en) 2002-11-25 2003-11-25 Axial spectrometer with high spatial and spectral resolution and variable spectral observation domain

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0214766A FR2847668B1 (en) 2002-11-25 2002-11-25 AXIAL SPECTROMETER WITH HIGH SPACE AND SPECTRAL RESOLUTION AND VARIABLE OBSERVATION SPECTRAL DOMAIN

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR2847668A1 true FR2847668A1 (en) 2004-05-28
FR2847668B1 FR2847668B1 (en) 2005-12-16

Family

ID=32241588

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR0214766A Expired - Fee Related FR2847668B1 (en) 2002-11-25 2002-11-25 AXIAL SPECTROMETER WITH HIGH SPACE AND SPECTRAL RESOLUTION AND VARIABLE OBSERVATION SPECTRAL DOMAIN

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU2003294076A1 (en)
FR (1) FR2847668B1 (en)
WO (1) WO2004051204A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013068627A1 (en) * 2011-11-11 2013-05-16 Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic) High-sensitivity multifunctional automatic spectrometer and method for using same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2219853A (en) * 1988-06-14 1989-12-20 Plessey Co Plc A spectral filter
EP0602992A1 (en) * 1992-12-18 1994-06-22 Hughes Aircraft Company Grating-prism combination

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2219853A (en) * 1988-06-14 1989-12-20 Plessey Co Plc A spectral filter
EP0602992A1 (en) * 1992-12-18 1994-06-22 Hughes Aircraft Company Grating-prism combination

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013068627A1 (en) * 2011-11-11 2013-05-16 Consejo Superior De Investigaciones Científicas (Csic) High-sensitivity multifunctional automatic spectrometer and method for using same

Also Published As

Publication number Publication date
FR2847668B1 (en) 2005-12-16
AU2003294076A1 (en) 2004-06-23
WO2004051204A1 (en) 2004-06-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8130380B2 (en) Spectrometer and interferometric method
US7692775B2 (en) Time and space resolved standoff hyperspectral IED explosives LIDAR detection
EP0347277B1 (en) Interferometric sensor and its use in an interferometric system
EP2368098B1 (en) Dyson-type imaging spectrometer having improved image quality and low distortion
US20160054225A1 (en) Ultra dark field microscope
WO1999064816A1 (en) Method and device for optoelectric acquisition of shapes by axial illumination
US11385101B2 (en) High resolution and high throughput spectrometer
EP1794648A1 (en) Detecting laser-induced fluorescence emissions
EP2901138A1 (en) Device for taking spectroscopic measurements of laser-induced plasma
US20180266884A1 (en) Multichannel ultra-sensitive optical spectroscopic detection
FR2847668A1 (en) High resolution spectrometer for application to variable spectral domains, comprises point source sending beam through first optical element, a grism, a second optical element and means of detection
Gasser et al. Comparing mapping and direct hyperspectral imaging in stand‐off Raman spectroscopy for remote material identification
EP3069113B1 (en) Wideband hyperspectral spectrophotometer for analysing an object in the fluorescent domain
TW202200984A (en) Spectral analysis device
CN105181605A (en) Spectrometer based on Bragg reflection effect
CN105510296B (en) The portable fluorescence Raman spectrum detection system that disappears
Liu et al. Path-folded infrared spectrometer consisting of 10 sub-gratings and a two-dimensional InGaAs detector
JP5454942B2 (en) Spectrometer and microscope using the same
Kim et al. Coaxial fiber-optic chemical-sensing excitation–emission matrix fluorometer
WO2022234588A1 (en) Systems and methods to acquire three dimensional images using spectral information
CN115683334A (en) Rapid spectrum test method and system for gradient filter
Brunsting Patent Reviews: 6,642,522; 6,654,121; 6,737,629; 6,794,659; 6,794,670; 6,795,175; 6,795,222; 6,795,224; 6,798,562; 6,800,855; 6,804,000; 6,804,002; 6,806,455; 6,806,460; 6,806,953; 6,809,828
FR3037650A1 (en) INTELLIGENT COLLECTION SYSTEM FOR OPTICAL SPECTROSCOPY
FR2991046A1 (en) Broadband hyperspectral spectrophotometer for analyzing component e.g. photodiode, has focusing assembly arranged relative to dispersing prism for focusing optical beam from prism towards detection assembly
DE10257190A1 (en) Fourier transform spectrometer, for determining the composition of gases and liquids in paint analysis, useful in diagnostics and in environmental analysis, comprises beam splitter and detector cell

Legal Events

Date Code Title Description
ST Notification of lapse

Effective date: 20150731