WO2004051204A1 - Axial spectrometer with high spatial and spectral resolution and variable spectral observation domain - Google Patents

Axial spectrometer with high spatial and spectral resolution and variable spectral observation domain Download PDF

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WO2004051204A1
WO2004051204A1 PCT/FR2003/003478 FR0303478W WO2004051204A1 WO 2004051204 A1 WO2004051204 A1 WO 2004051204A1 FR 0303478 W FR0303478 W FR 0303478W WO 2004051204 A1 WO2004051204 A1 WO 2004051204A1
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optical element
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Bernard Roussel
Michel Leclercq
Emmanuel Froigneux
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Horiba Jobin Yvon S.A.S.
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Definitions

  • the present invention relates to an axial spectrometer with high spatial and spectral resolution whose spectral domain of observation is variable.
  • 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, ).
  • the axial spectrometer has the additional qualities of an imaging spectrometer with high spatial resolution. This spatial resolution allows the positioning at its entry of a large number of source points on an axis perpendicular to the dispersion axis. The simultaneous obtaining of the spectra of each of these source points is thus made possible on the image plane of the spectrometer.
  • 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. This gives a spread of the spectrum on either side of the direction defined by the incident beam. In general, the undeflected wavelength is near 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 allows to greatly improve the image qualities of the spectrometer. Indeed, the presence of the prism in front of the grating strongly decreases the aberrations at the wavelength not deviated.
  • Figure 1 is a schematic representation of an axial spectrometer as used in a prior art device.
  • 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 spectrometer to direct it towards a lens 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.
  • CCD charge transfer sensor
  • spectrometer with a fixed dispersive element allows only a predetermined wavelength range ⁇ to be observed.
  • the spectrometer parameters are calculated for a non-deviated wavelength, called the central wavelength, and a spectral range which for a detector of width d along the dispersion axis is given in an approximate manner by the following relation:
  • the axial spectrometer of the prior art is therefore designed for a precise application, which makes it very versatile.
  • 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 linear dispersion of the spectrometer for a given spectral range.
  • Such a spectrometer is particularly useful for forensic analysis, analyzes of works of art, archeology and gemology. Such a spectrometer also allows online monitoring in real time of chemical reactions in the laboratory or in industrial facilities.
  • 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 collimating the said light beam (s) towards a lens having an axis of dispersion and a second optical element focusing the said beam (s) light scattered on detection means placed in the image focal plane of the second optical element.
  • the source point or points can take different positions in the focal plane of the first optical element, each position of a source point defining a central wavelength.
  • the present invention also relates to the following characteristics which must be considered in isolation or in all their technically possible combinations:
  • the axial spectrometer comprises means for moving a source point in the object focal plane 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 detection means comprise a charge transfer sensor (CCD),
  • the detection means comprise a single-channel detector
  • the first and second optical elements comprise objectives
  • the source points are cores of optical fibers.
  • the invention also relates to a Raman spectroscopy or fluorescence spectroscopy device for analyzing a sample.
  • said device comprises an axial spectrometer as described above.
  • the invention finally relates to a photoluminescence spectroscopy device.
  • this device comprises an axial spectrometer as described above.
  • FIG. 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;
  • - Figure 4 is an example of 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;
  • FIG. 6 is a third example of implementation of the invention showing the simultaneous acquisition on the image plane of the axial spectrometer of a reference spectrum and a measured spectrum.
  • 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 on a first optical element 1 having an object focal plane which collimates them on a lens 4 having an axis of dispersion.
  • a second optical element 5 focuses 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.
  • the means of detection 6 include a charge transfer sensor (CCD) comprising a matrix of pixels.
  • 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) shows schematically a cross section along the axis A - A of said axial spectrometer.
  • the source point or points 3, 31, ..., 39 can take different positions in the focal plane object of the first optical element, each position of a source point 3, 31 39 defining a central wavelength.
  • 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 vary the angle d 'incidence of the light beam emitted compared to normal at the entrance 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 comprise, for example, a mechanical element for translating a source.
  • This characteristic opens up numerous possibilities, in particular for measuring the spectrum 22 studied in relation to a reference spectrum 21 (complex or simple) or for calibration.
  • 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 measured spectrum and are then without effect on the measurement.
  • the drift of the measured spectrum 22 with respect to the reference spectrum 21 may be the sign of a physical phenomenon which it is thus possible to measure.
  • the reference is a line, for example a laser line which may be that of the Raman excitation source
  • the reference line is a line
  • a laser line which may be that of the Raman excitation source
  • said spectrometer comprises several source points 3, 31 39 which are placed in the object focal plane of the first optical element 1.
  • 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.
  • ⁇ c (r) - x [/. x sin ( ⁇ -r) -sin-4] where N is the number of lines of the network 7 per unit of length (in mm).
  • ⁇ c (i) - ⁇ [“ ⁇ sin (-4 - (- 4rcsin (sin () // -))) - sin -4]
  • the axial spectrometer also makes it possible to increase the linear dispersion and consequently the resolution of the spectrometer for a given spectral range of observation.
  • the axial spectrometer according to the invention therefore has not only the qualities of an imager with high spatial resolution but also high spectral resolution. It therefore makes it possible to obtain spectrometric images for the medical field or for the industrial field.
  • the axial spectrometer as described above can advantageously be used in the field of medical imaging, Raman spectrometry and photoluminescence spectrometry.
  • the axial spectrometer of the invention was the subject of several implementations presented in the following examples highlighting the quality of the results obtained:
  • Example 1 Figure 4 shows a first example of implementation of such an axial spectrometer to obtain the variation of the spectral range of observation 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 with respect to an axis normal to the entry face of the form, i.e. that the angle of incidence 0 ° corresponds to a light beam normally entering the form.
  • the ordinate axis 12 represents the wavelength in nanometers
  • a first curve 13 shows the variation of the central wavelength
  • a second curve 14 shows the variation of the maximum wavelength
  • FIG. 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 different spectral fields of observation.
  • This acquisition is obtained by positioning along a diagonal of fiber cores 18, 181, .... 185 in the object plane of the spectrometer 19.
  • the arrow 20 gives the direction of the dispersion axis.
  • the invention allows the production of a compact, robust and stable spectrometer at high resolution.
  • 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 domains, respectively [ ⁇ i, ⁇ 2 ] and [ ⁇ 3 , ⁇ -J.
  • This acquisition is obtained by suitable positioning of two fiber cores 18, 181 in the object focal plane of the spectrometer 19.
  • the arrow 20 gives the direction of dispersion.
  • 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 ⁇ i of the reference spectrum 21, obtained at an instant ti with respect to the reference spectrum 21 'obtained at an instant t 2 .
  • Processing means make it possible to compare the reference spectrum 21 measured at time ti with the reference spectrum 21 'measured at time t 2 and thus determine the drift ⁇ i introduced by a phenomenon independent of the substance measured, by example mechanical instability of the spectrometer, laser drift.
  • the drift ⁇ i then represents the drift introduced by the complete measurement system.
  • FIG. 6 c) shows the drift ⁇ 2 of the measured spectrum 22 obtained at time ti with respect to the measured spectrum 22 'obtained at time t 2 .
  • Processing means make it possible to compare the spectrum 22 measured at time ti with the spectrum 22 'measured at time t 2 and thus determine the drift ⁇ 2 observed between times ti and t 2 .
  • the drift ⁇ 2 is the result of a drift ⁇ i independent of the substance measured and possibly of an additional drift ⁇ 2 'directly linked to the measurement.
  • the information obtained on the drift ⁇ i of the reference spectrum makes it possible to distinguish said drifts and thus to obtain exact information on the real drift of the measured spectrum by eliminating the always possible measurement errors introduced by the drift of the measurement system itself.

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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

The invention concerns an axial spectrometer comprising at least one source point (3, 31, , 39) emitting a light beam (2, 21, , 29) on a first optical element (1) having an object focal plane, each source point (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 grism (4) having an axis of dispersion and a second optical element (5) focusing said dispersed light beam(s) (9, 91, , 99) onto detecting means (6) placed in the image focal plane of the second optical element (5). The invention is characterized in that the source point(s) (3, 31, , 39) can take up different positions in the object focal plane of the first element (1), each position of one source point (3, 31, , 39) defining a central wavelength in the image focal plane of the second optical element (5). The invention is applicable in the field on medical imaging and to all spectrometry devices, in particular Raman spectrometry.

Description

Spectromètre axial à haute résolution spatiale et spectrale et domaine spectral d'observation variable La présente invention concerne un spectromètre axial à haute résolution spatiale et spectrale dont le domaine spectral d'observation est 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, ...) . Parmi ces spectromètres, le spectromètre axial présente les qualités supplémentaires d'un spectromètre imageur à haute résolution spatiale. Cette résolution spatiale 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. The present invention relates to an axial spectrometer with high spatial and spectral resolution whose spectral domain of observation is variable. 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, ...). Among these spectrometers, the axial spectrometer has the additional qualities of an imaging spectrometer with high spatial resolution. This spatial resolution allows the positioning at its entry of a large number of source points on an axis perpendicular to the dispersion axis. 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 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 prisme devant le réseau diminue fortement les aberrations à la longueur d'onde non déviée.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. This gives a spread of the spectrum on either side of the direction defined by the incident beam. In general, the undeflected wavelength is near 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 allows to greatly improve the image qualities of the spectrometer. Indeed, the presence of the prism in front of the grating strongly decreases the aberrations at the wavelength not deviated.
La Figure 1 est une représentation schématique d'un spectromètre axial tel que mis en oeuvre dans un dispositif de l'art antéπeur. Le spectromètre axial comporte un premier objectif 1 , une optique de collimation, qui collimate la lumière 2 émise par une source de lumière 3 et provenant de l'entrée du 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).Figure 1 is a schematic representation of an axial spectrometer as used in a prior art device. 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 spectrometer to direct it towards a lens 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 λ 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 :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 allows only a predetermined wavelength range λ to be observed. The spectrometer parameters are calculated for a non-deviated wavelength, called the central wavelength, and a spectral range which for a detector of width d along the dispersion axis is given in an approximate manner by the following relation:
( .λ<. f - λ . i) . = (n - A1 \) x d χ cos ^(A)(.λ <. f - λ. i). = (n - A 1 \ ) xd χ cos ^ (A)
Nxf où λf est la longueur d'onde maximum observée, λi la longueur d'onde 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.Nxf where λ f is the maximum observed wavelength, λi the minimum observed wavelength, N the number of lines / mm of the grating 7, f the focal distance of the objective and At the angle at the top 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 application précise, ce qui le rend très peu polyvalent.The axial spectrometer of the prior art is therefore designed for a 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 dispersion linéique du spectromètre pour un domaine spectral donné.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 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 industrielles.Such a spectrometer is particularly useful for forensic analysis, analyzes of works of art, archeology and gemology. Such a spectrometer also allows online monitoring in real time of chemical reactions in the laboratory or in industrial facilities.
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 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 image du deuxième élément optique.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 collimating the said light beam (s) towards a lens having an axis of dispersion and a second optical element focusing the said beam (s) light scattered on detection means placed in the image focal plane 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 d'un point source définissant une longueur d'onde centrale.According to the invention, the source point or points can take different positions in the focal plane of the first optical element, each position of 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 :In different embodiments, the present invention also relates to the following characteristics which must be considered in isolation or in all their technically possible combinations:
- le spectromètre axial comprend des moyens pour déplacer un point source dans le plan focal objet du premier élément optique,the axial spectrometer comprises means for moving a source point in the object focal plane of the first optical element,
- le spectromètre axial comprend un ensemble de points source placés dans le plan focal objet du premier élément optique,the axial spectrometer comprises a set of source points placed in the object focal plane of the first optical element,
- l'ensemble des points sources forme une matrice NxN de sources Sy (ij=1 à N), - seules les sources Sy avec i=j sont des sources émettrices d'un faisceau lumineux,- the set of source points forms an NxN matrix of sources Sy (ij = 1 to N), - only the sources Sy with i = j are sources emitting a light beam,
- les moyens de détection comprennent un capteur à transfert de charges (CCD),the detection means comprise a charge transfer sensor (CCD),
- les moyens de détection comprennent un détecteur monocanal, - les premier et deuxième éléments optiques comprennent des objectifs,the detection means comprise a single-channel detector, the first and second optical elements comprise objectives,
- les points sources sont des cœurs 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.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.
L'invention concerne enfin un dispositif de spectroscopie par photoluminescence. Selon l'invention, ce dispositif comprend un spectromètre axial tel que décrit précédemment.The invention finally relates to a photoluminescence spectroscopy device. According to the invention, this device comprises an axial spectrometer as described above.
L'invention peut permettre la réalisation d'images spectrales. Dans différents modes de réalisation possibles, l'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels :The invention can allow the production of spectral images. In different possible embodiments, the invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings in which:
- la figure 1 est une représentation schématique d'un spectromètre axial de l'art antérieur;- Figure 1 is a schematic representation of an axial spectrometer of the prior art;
- 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 mise en œuvre (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;- 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;
- 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;- Figure 4 is an example of 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;
- 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 spectre de référence et d'un spectre mesuré.- 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 reference spectrum and a measured spectrum.
Le spectromètre axial tel que représenté sur la figure 3a) comporte au 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 focalise 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. Dans un mode de réalisation, les moyens de détection 6 comprennent un capteur à transfert de charges (CCD) comportant une matrice de pixels.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 on 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 focuses 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. In one embodiment, the means of detection 6 include a charge transfer sensor (CCD) comprising a matrix of pixels.
Chacun des points du détecteur est repéré par un couple de coordonnées (x, y). Les signaux d'intensité ls(x, y, λj) mesurés en chaque point pour une longueur d'onde λj 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 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 axial.Each of the detector points is identified by a pair of coordinates (x, y). The intensity signals ls (x, y, λj) measured at each point for a given wavelength λj 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) shows schematically a cross section along the axis A - A of said axial spectrometer.
Le ou les points sources 3 , 31 , ... , 39 peuvent prendre différentes positions dans le plan focal objet du premier élément optique, chaque position d'un point source 3, 31 39 définissant une longueur d'onde centrale.The source point or points 3, 31, ..., 39 can take different positions in the focal plane object of the first optical element, each position of 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 spectromètre axial. Ces moyens pour déplacer un point source comprennent, par exemple, un élément mécanique de translation d'une source.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 vary the angle d 'incidence of the light beam emitted compared to normal at the entrance 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 comprise, 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 simple) de référence ou pour la calibration.This characteristic opens up numerous possibilities, in particular for measuring the spectrum 22 studied in relation to a reference spectrum 21 (complex or simple) 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 mesuré et sont alors sans effet sur la mesure.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 measured spectrum and are then without 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 possible de mesurer.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 which it is thus possible to measure.
Lorsque la référence est une raie, par exemple une raie laser qui peut 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.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.
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 Sy (i,j=1 à N). Il est alors possible de choisir un angle d'incidence particulier pour un faisceau lumineux en sélectionnant une source (ou un ensemble de sources) emettrice Sy 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 Sy avec i=j sont des sources émettrices d'un faisceau lumineux. Une approche théorique a été développée pour expliquer la variation de la longueur d'onde λ d'un faisceau lumineux 2 incident sous un angle i sur un 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'angle d'incidence i et l'angle de réfraction r du faisceau lumineux dans le prisme, donnée par la loi de Snell- Descartes, est sin (i) = n siπ (r). L'angle α d'incidence sur le réseau 7 du faisceau peut encore s'écrire (A-r), où A est l'angle au sommet du prisme. A la sortie du grisme 4, la longueur d'onde λc non déviée, dite longueur d'onde centrale, suit alors la relation suivante :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 of sources Sy (i , j = 1 to N). It is then possible to choose a particular angle of incidence for a light beam by selecting a given source (or a set of sources) Sy, 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 Sy with i = j are sources emitting a light beam. A theoretical approach has been developed to explain the variation of the wavelength λ 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 d 'a prism 8 of optical index n. The relation between the angle of incidence i and the angle of refraction r of the light beam in the prism, given by the law of Snell-Descartes, is sin (i) = n siπ (r). The angle α of incidence on the network 7 of the beam can also be written (Ar), where A is the angle at the top of the prism. At the end of the gray 4, the wavelength λ c not deviated, called the central wavelength, then follows the following relationship:
λc(r) = — x [/. x sin(Λ -r)-sin-4] où N est le nombre de traits du réseau 7 par unité de longueur (en mm).λ c (r) = - x [/. x sin (Λ -r) -sin-4] where 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:This relation can be rewritten to reveal the angle of incidence i of the light beam 2 on the entry face of said dimming 4:
λc(i) = — χ [« χsin(-4 -(-4rcsin(sin( )//-)))-sin -4]λ c (i) = - χ [“χsin (-4 - (- 4rcsin (sin () // -))) - sin -4]
NNOT
Cette relation montre donc qu'en faisant varier l'angle d'incidence i par déplacement de la source emettrice dans le plan focal du premier élément optique 1 , on modifie la longueur d'onde centrale λc. Le spectromètre axial permet également d'augmenter la dispersion linéique et par conséquent la résolution du spectromètre pour un domaine spectral d'observation donné. Le spectromètre axial selon l'invention présente 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.This relationship therefore shows that by varying the angle of incidence i by displacement of the emitting source in the focal plane of the first optical element 1, the central wavelength λ c is modified. The axial spectrometer also makes it possible to increase the linear dispersion and consequently the resolution of the spectrometer for a given spectral range of observation. The axial spectrometer according to the invention therefore has not only the qualities of an imager with high spatial resolution but also high spectral resolution. It therefore makes it possible to obtain spectrometric images 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 œuvre 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 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 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, i.e. que l'angle d'incidence 0° correspond à un faisceau lumineux pénétrant normalement dans le grisme. L'axe des ordonnées 12 représente la longueur d'onde en nanomètreExample 1 Figure 4 shows a first example of implementation of such an axial spectrometer to obtain the variation of the spectral range of observation 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 with respect to an axis normal to the entry face of the form, i.e. that the angle of incidence 0 ° corresponds to a light beam normally entering the form. The ordinate axis 12 represents the wavelength in nanometers
(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(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
(carré + trait plein) représente la variation de la longueur d'onde minimale en fonction de l'angle d'incidence du faisceau lumineux.(square + solid line) represents the variation of the minimum wavelength as a 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 différents. Cette acquisition est obtenue par le positionnement selon une diagonale de cœurs 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 cœurs de fibres 18, 181 185 formant une matrice (6x6) de sources Sy (i, j=1 à 6) dans laquelle seules les sources Sy avec i=j sont des sources émettrices d'un faisceau lumineux. La flèche 20 donne la direction de l'axe de dispersion. 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. Exemple 3 La figure 6 est un troisième exemple de mise en œuvre 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 [λi, λ2] et [λ3, λ-J. Cette acquisition est obtenue par un positionnement adapté de deux cœurs de fibres 18, 181 dans le plan focal objet du spectromètre 19. La flèche 20 donne la direction de dispersion. Le spectre de référence 21 est obtenu par la dispersion du faisceau émis par la source de référence, i.e. le cœur de fibre 18. Le spectre mesuré 22 est obtenu par la dispersion du faisceau émis par la source de mesure, i.e. le cœur de fibre 181.FIG. 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 different spectral fields of observation. 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 cores 18, 181 185 forming a matrix (6x6) of sources Sy (i, j = 1 to 6) in which only the sources Sy with i = j are sources emitting a light beam. The arrow 20 gives the direction of the dispersion axis. 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. 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 domains, respectively [λi, λ 2 ] and [λ 3 , λ-J. This acquisition is obtained by suitable positioning of two fiber cores 18, 181 in the object focal plane of the spectrometer 19. The arrow 20 gives the direction of dispersion. 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 .
La figure 6 b) montre la dérive Δλi du spectre de référence 21 , obtenu à un instant ti par rapport au spectre de référence 21 ' obtenu à un instant t2. Des moyens de traitement permettent de comparer le spectre de référence 21 mesuré à l'instant ti avec le spectre de référence 21' mesuré à l'instant t2 et de déterminer ainsi la dérive Δλi introduite par un phénomène indépendant de la substance mesurée, par exemple instabilité mécanique du spectromètre, dérive du laser. La dérive Δλi représente alors la dérive introduite par le système de mesure complet.FIG. 6 b) shows the drift Δλi of the reference spectrum 21, obtained at an instant ti with respect to the reference spectrum 21 'obtained at an instant t 2 . Processing means make it possible to compare the reference spectrum 21 measured at time ti with the reference spectrum 21 'measured at time t 2 and thus determine the drift Δλi introduced by a phenomenon independent of the substance measured, by example mechanical instability of the spectrometer, laser drift. The drift Δλi then represents the drift introduced by the complete measurement system.
La figure 6 c) montre la dérive Δλ2 du spectre mesuré 22 obtenu à l'instant ti 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 ti avec le spectre 22' mesuré à l'instant t2 et de déterminer ainsi la dérive Δλ2 observée entre les instants ti et t2. La dérive Δλ2 est le résultat d'une dérive Δλi indépendante de la substance mesurée et éventuellement d'une dérive supplémentaire Δλ2' directement liée à la mesure.FIG. 6 c) shows the drift Δλ 2 of the measured spectrum 22 obtained at time ti with respect to the measured spectrum 22 'obtained at time t 2 . Processing means make it possible to compare the spectrum 22 measured at time ti with the spectrum 22 'measured at time t 2 and thus determine the drift Δλ 2 observed between times ti and t 2 . The drift Δλ 2 is the result of a drift Δλi independent of the substance measured and possibly of an additional drift Δλ 2 'directly linked to the measurement.
L'information obtenue sur la dérive Δλi du spectre de référence permet 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 Δλi of the reference spectrum makes it possible to distinguish said drifts and thus to obtain exact information on the real drift of the measured spectrum by eliminating the always possible measurement errors introduced by the drift of the measurement system itself.

Claims

REVENDICATIONS
1. Spectromètre axial comportant au moins un point source (3, 311. 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 (2,39) 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) 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) définissant une longueur d'onde centrale.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 source point or 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, ..., 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, 31 , ... , 39) dans le plan focal objet du premier élément optique (1).2. Axial spectrometer according to claim 1 characterized in that the axial spectrometer comprises means for moving a source point (3, 31, ..., 39) in the object focal plane 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) placé dans le plan focal objet du premier élément optique (1 ).3. Axial spectrometer according to claim 1 characterized in that the axial spectrometer comprises a set of source points (3, 31, ..., 39) 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 sources Sy (i, j=1 à N). 4. Axial spectrometer according to claim 3 characterized in that the set of source points (3, 31 39) forms an NxN matrix of sources Sy (i, j = 1 to N).
5. Spectromètre axial selon la revendication 4 caractérisé en ce que seules les sources Sy avec i=j sont des sources émettrices d'un faisceau lumineux (2, 21 , ..., 29).5. Axial spectrometer according to claim 4 characterized in that only the sources Sy with i = j are sources emitting a light beam (2, 21, ..., 29).
6. Spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les moyens de détection (6) comprennent un capteur à transfert de charges (CCD).6. Axial spectrometer according to any one of claims 1 to 5 characterized in that the detection means (6) comprise a charge transfer sensor (CCD).
7. Spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens de détection (6) comprennent un détecteur monocanal. 7. Axial spectrometer according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the detection means (6) comprise a single-channel detector.
8. Spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les premier (1) et deuxième éléments optiques (5) comprennent des objectifs.8. Axial spectrometer according to any one of claims 1 to 7 characterized in that the first (1) and second optical elements (5) comprise objectives.
9. Spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les points sources (3, 31 , ..., 39) sont des cœurs de fibres optiques.9. Axial spectrometer according to any one of claims 1 to 8 characterized in that the source points (3, 31, ..., 39) are cores of optical fibers.
10. Dispositif de spectroscopie Raman pour l'analyse d'un échantillon caractérisé en ce qu'il comprend un spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 10. Raman spectroscopy device for analyzing a sample, characterized in that it comprises an axial spectrometer according to any one 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 revendications 1 à 9.11. Photoluminescence spectroscopy device characterized in that it comprises an axial spectrometer according to any one of claims 1 to 9.
12. Dispositif de spectrométrie par fluorescence caractérisé en ce qu'il comprend un spectromètre axial selon l'une quelconque des revendications 1 à 9. 12. Fluorescence spectrometry device characterized in that it comprises an axial spectrometer according to any one of claims 1 to 9.
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