DISPOSITIF OPTIQUE POUR DETECTER DE LA LUMIERE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif optique qui permet de collecter de la lumière émise par des constituants d'un fluide ou d'un gaz sous l'action d'un faisceau lumineux incident. Elle s'applique en particulier à la détection de composants circulant dans un tube .
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE En chimie analytique, l'analyse des composants d'un liquide ou d'un gaz fait appel, entre autres, à des techniques de séparation, comme la Chromatographie Liquide à Haute Performance ou 1' électrophorèse capillaire, en association avec un détecteur. Ce liquide ou ce gaz circule dans un tube, et la mission du détecteur est d'identifier un ou plusieurs constituants de ce liquide ou de ce gaz. Les détecteurs de lumière fonctionnent tous sur le même principe : un faisceau lumineux incident vient éclairer le tube, et la lumière émise ou transmise par le composant à détecter est collectée dans une direction. La performance d'un détecteur est liée à sa capacité à identifier un ou plusieurs composants dans un liquide ou un gaz. Elle se mesure en général en terme de sensibilité. L'homme de l'art injecte différentes concentrations d'un produit dans le détecteur, et la limite de détection correspond à la
concentration de produit la plus faible que le détecteur est capable d'identifier. L'objectif d'un détecteur est de présenter les performances les plus élevées possibles quant à la détection. Le brevet US-A-4 548 498 divulgue un dispositif détecteur de la fluorescence induite par un faisceau laser pour une utilisation en chromatographie liquide. Un faisceau laser est dirigé sur un flux de liquide. La lumière de fluorescence émise par le liquide au point d'illumination est dirigée, via un miroir, vers un organe de mesure. Le brevet US-A- 4 675 300 divulgue un dispositif de détection d'une lumière de fluorescence provoquée par l'excitation laser d'un liquide d'intérêt. La lumière de fluorescence émanant du liquide sous excitation laser est collectée par une fibre optique. Le brevet US-A- 5 926 271 divulgue un détecteur de fluorescence induite par un faisceau laser. Le détecteur comprend un moyen pour émettre un faisceau laser, une cellule ménagée à l'intérieur d'un capillaire, la cellule recevant un soluté contenant au moins une substance inconnue fluorescente à la longueur d'onde du laser, des moyens d'illumination comprenant une lentille à faible ouverture numérique, une lentille en forme de bille, les mêmes moyens optiques collectant la fluorescence émise qui est traitée pour fournir les résultats de l'analyse. La lentille en forme de bille convertit le faisceau laser en un faisceau divergeant pour permettre d'illuminer un grand volume de la cellule.
Un défaut important des détecteurs de lumière de l'art connu est de ne collecter qu'une partie de la lumière de fluorescence, ce qui réduit les performances des détecteurs en termes de détection.
EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention permet de remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un dispositif permettant de collecter pratiquement la totalité de la lumière émise en réponse à un faisceau lumineux d'excitation. L'invention a pour objet un dispositif optique comprenant une cavité dont au moins une partie présente une forme ellipsoïdale avec un premier foyer et un deuxième foyer, le dispositif comprenant des moyens permettant de présenter un milieu comportant des composants à analyser dans la cavité au niveau du premier foyer, le dispositif comprenant également des moyens permettant de véhiculer dans la cavité un faisceau lumineux d'excitation selon un trajet passant également par le premier foyer pour éclairer ledit milieu au niveau du premier foyer, ladite partie de forme ellipsoïdale de la cavité présentant une paroi réfléchissante à une lumière émise par ledit milieu en réponse au faisceau lumineux d'excitation, le dispositif comprenant des moyens de collection de ladite lumière émise situés au niveau du deuxième foyer. L'invention permet ainsi d'éliminer l'un des inconvénients de l'art antérieur qui est que le point d'excitation et le point de collecte de la
lumière émise sont confondus. Le dispositif optique selon l'invention sépare ces points. Comme le dispositif entoure le point d'excitation, il permet donc une collecte de la lumière émise de façon volumétrique et son rendement de collection est très supérieur aux systèmes basés sur une collecte de la lumière selon un axe. Selon une variante de réalisation, les moyens permettant de présenter ledit milieu sont des moyens permettant de faire circuler le milieu selon un trajet passant par le premier foyer. Le trajet des moyens permettant de faire circuler un milieu et le trajet des moyens permettant de véhiculer un faisceau d'excitation peuvent être orthogonaux entre eux au niveau du premier foyer. Le trajet des moyens permettant de faire circuler le milieu et le trajet des moyens permettant de véhiculer un faisceau d'excitation forment un angle inférieur à 90 ° entre eux au niveau du premier foyer. Le trajet des moyens permettant de faire circuler le milieu et le trajet des moyens permettant de véhiculer un faisceau d' excitation peuvent être tous deux perpendiculaires à l'axe de l'ellipsoïde correspondant à la forme ellipsoïdale. Les moyens permettant de faire circuler le milieu peuvent comprendre un tube transparent au moins au niveau du premier foyer. Selon un autre mode de réalisation, ils peuvent comprendre un tube injecteur du milieu présentant une extrémité située d'un côté du premier foyer et un tube collecteur dudit milieu présentant une extrémité située de l'autre côté du
premier foyer pour que le fluide soit soumis directement au faisceau lumineux d'excitation. Le dispositif peut alors être pourvu d' orifices pour le passage du tube ou du tube injecteur et du tube collecteur. Le dispositif peut être pourvu d'un orifice d'entrée du faisceau lumineux d'excitation et, éventuellement, d'un orifice de sortie du faisceau lumineux d'excitation. Selon une autre variante de réalisation, les moyens permettant de présenter ledit milieu comprennent un étui épousant la forme de ladite partie et permettant de loger ledit milieu au niveau du premier foyer. Si l'étui est transparent, la paroi réfléchissante est la paroi de ladite partie. L'étui peut aussi être en un matériau constituant ladite paroi réfléchissante . Selon une autre variante de réalisation, les moyens permettant de présenter ledit milieu comprennent un support comprenant ledit milieu et pouvant être inséré dans le dispositif optique pour présenter ledit milieu au niveau du premier foyer. Le support peut comprendre au moins un logement pour loger ledit milieu. Il peut comprendre au moins un canal interne au support pour transporter ledit milieu au niveau du premier foyer, dans une partie transparente du support. Ce support peut être un « laboratoire sur puce » (en anglais « Lab on a chip ») . Selon les cas, la cavité peut être complètement remplie d'une substance transparente au faisceau lumineux d'excitation et à ladite lumière
émise, les moyens de collection de la lumière émise comprenant une ouverture équipée d'une lentille concave, de concavité tournée vers l'extérieur du dispositif, dont le point focal coïncide avec le deuxième foyer, situé à l'extérieur du dispositif optique, et dont l'axe est l'axe de l'ellipsoïde correspondant à la forme ellipsoïdale, la lumière émise ne traversant ainsi aucune couche d' air avant de sortir de la lentille concave. Les moyens de collection de la lumière émise peuvent comprendre une ouverture pour laisser passer la lumière collectée au deuxième foyer. Ils peuvent ainsi comprendre une ouverture équipée d' une lentille ou d'un groupe de lentilles dont l'axe est l'axe de l'ellipsoïde correspondant à la forme ellipsoïdale et dont le point focal coïncide avec le deuxième foyer. La lentille ou le groupe de lentilles peut être disposé dans un logement de réception du dispositif et être fixé au dispositif par un élément de maintien. Le dispositif peut être constitué d'au moins deux pièces assemblées. L'une des pièces peut comporter la partie présentant une forme ellipsoïdale, l'autre pièce présentant une forme choisie parmi les formes sphérique, paraboloïde, hyperboloïde et ellipsoïdale, pour compléter la cavité. Il peut être réalisé en matériau métallique. Il peut aussi être réalisé en matériau plastique, la paroi réfléchissante de la cavité étant formée d'un matériau métallique. Avantageusement, le matériau métallique est un matériau absorbant la lumière à la longueur d' onde du faisceau
lumineux d'excitation et réfléchissant la lumière à la longueur d' onde de la lumière émise .
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe illustrant, de manière schématique, un dispositif optique pour détecteur de lumière, selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe selon l'axe II-II de la figure 1, - la figure 3 illustre une variante de réalisation correspondant à la vue en coupe selon l'axe II-II de la figure 1 ; - la figure 4 illustre de façon schématique l'utilisation du dispositif optique selon l'invention, pour un détecteur de fluorescence induite par laser, le détecteur comprenant deux lentilles et deux filtres optiques ; - la figure 5 illustre de façon schématique l'utilisation du dispositif optique selon l'invention, pour un détecteur de fluorescence induite par laser, le détecteur comprenant une lentille et deux filtres optiques, - la figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif optique selon la présente invention,
- la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'un autre dispositif optique selon la présente invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La figure 1 est une vue en coupe longitudinale illustrant, de manière schématique, un dispositif optique 1 pour détecter la lumière, selon l' invention. Le dispositif 1 est réalisé par exemple en un matériau métallique tel que l'aluminium. Il comporte une cavité interne 2 pratiquement fermée . La cavité 2 a la forme d'un ellipsoïde de révolution caractérisé par un premier foyer Fi, un deuxième foyer F2 et un axe de révolution A. Au niveau du premier foyer Fl r le dispositif est traversé par deux trous 3 et 4 qui se croisent au premier foyer Fi. Le trou 3 est destiné au passage d'un faisceau lumineux d'excitation, par exemple un faisceau laser. Le trou 4 est destiné au passage d'un milieu (liquide ou gaz) à analyser, le fluide pouvant être véhiculé à l'intérieur d'un tube. Le dispositif 1 est pourvu, au niveau du deuxième foyer F2 d'une ouverture 5. On suppose qu'un fluide contenant des composants à identifier transite au premier foyer i en passant par le trou 4. Au niveau du premier foyer Fi, le fluide est excité par un faisceau lumineux passant par le trou 3. En réponse au faisceau d'excitation, les composants à identifier émettent de la lumière à l'intérieur de la cavité 2.
Le principe du dispositif optique selon l'invention repose sur l'une des propriétés de l'ellipse : lorsque deux rayons, ayant respectivement pour centre l'un des deux foyers de l'ellipse, se rejoignent sur un point de l'ellipse, les angles d' incidence de ces deux rayons au point de contact sont symétriques. En conséquence, un faisceau lumineux 6, émis à partir du premier foyer Fi, passe nécessairement, après réflexion sur la paroi de la cavité, par le deuxième foyer F2. Ce faisceau réfléchi peut alors être collecté par l'ouverture 5, éventuellement après plusieurs réflexions sur la paroi de la cavité 2. A noter que certains faisceaux lumineux peuvent sortir directement par l'orifice 5 : c'est le cas de la lumière émise du voisinage immédiat de l'axe A. Les trous 3 et 4 se croisant au premier foyer Fi peuvent être tous deux orthogonaux à l'axe A de l'ellipsoïde. Ils peuvent aussi être orthogonaux entre eux ou former entre eux un angle déterminé. La figure 2 est une vue en coupe selon l' axe II-II de la figure 1 et complétée par quelques éléments nécessaires au fonctionnement du dispositif optique. Dans cet exemple de réalisation, les trous 3 et 4 se coupent de manière orthogonale. Le trou 4 permet le passage d'un tube transparent 7 véhiculant le milieu à analyser. Le trou 3 permet le passage d'un faisceau lumineux 8 d'excitation du milieu à analyser, au niveau du premier foyer Fi. Dans l'exemple représenté, le faisceau lumineux d'excitation sort du dispositif par l'autre partie du trou 3.
La figure 3 est une autre vue en coupe correspondant à l'axe II-II de la figure 1 mais avec quelques modifications . Dans cet exemple de réalisation, les trous 3 et 4 sont toujours orthogonaux à l'axe de symétrie A mais ils ne sont plus orthogonaux entre eux. L'axe du trou 3 et l'axe du trou 4 peuvent alors faire entre eux un angle tel que les réflexions de la lumière émise par le fluide et qui parviennent sur le matériau transparent du tube 7 soient concentrées vers un endroit particulier. Cet endroit particulier peut être l'une des parties du trou 4 servant au passage du tube 7. Ce peut être l'entrée d'un conduit 9 positionné sur l'une des parties du trou 4. Ce peut être également l'association de l'une des parties du trou 4 et l'entrée d'un conduit 9. La figure 4 illustre de façon schématique une utilisation possible du dispositif optique selon l'invention. On reconnaît sur cette figure le dispositif optique 1 selon l'invention avec son axe A, son premier foyer Fi et son deuxième foyer F2. Le faisceau lumineux d'excitation 8 est émis par un laser 10 et focalisé au premier foyer Fi par une lentille de focalisation 11. Le fluide circulant dans le tube 7 est soumis, au premier foyer Fi, au faisceau d'excitation 8. La lumière émise en réponse au faisceau lumineux d'excitation est collectée par l'ouverture 5 comme issue du deuxième foyer F2. La lumière collectée sortant du dispositif optique 1 forme un faisceau divergent 12 qui est traité par un ensemble comprenant, en succession, une lentille de collection 13 fournissant un faisceau lumineux parallèle, un filtre
Notch 14, un filtre optique de type passe-haut 15 et une lentille de focalisation 16. Cet ensemble permet de focaliser un faisceau lumineux filtré 17 sur un élément récepteur, par exemple un tube photomultiplicateur 18. La figure 5 illustre de façon schématique une autre utilisation possible du dispositif optique selon l'invention. Les mêmes références qu'à la figure 4 représentent les mêmes éléments. Dans cet exemple, le dispositif optique 1 est équipé, à l'ouverture 5, d'une lentille de collection 19 dont l'axe optique est confondu avec l'axe de révolution A et dont le point focal coïncide avec le deuxième foyer F2. La lentille de collection 18 fournit un faisceau parallèle 20 qui, après filtrage au moyen d'un filtre Notch 14 et d'un filtre optique passe-haut 15, parvient au tube photomultiplicateur 18. La figure 6 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif optique selon la présente invention et dans une version plus concrète. Le dispositif comprend une première partie 31 de forme générale cylindrique, par exemple en aluminium, présentant une cavité 32 qui a une forme ellipsoïdale non achevée. La forme ellipsoïdale procure un premier foyer F'i et un deuxième foyer F'2 sur l'axe de symétrie A' . La première partie 31 comporte un trou 33, destiné au passage d'un faisceau lumineux d'excitation, passant par le premier foyer F'i orthogonal à l'axe A'. Elle comporte également un trou 34, destiné au passage d'un tube véhiculant un fluide à analyser, passant également par le premier foyer F'i et orthogonal à l'axe A'. Les
trous 33 et 34 peuvent aussi être orthogonaux entre eux. Une deuxième partie 35 par exemple en aluminium, de forme générale cylindrique et tubulaire, est vissée sur l'extérieur de la première partie 31 de manière à prolonger la cavité 32. Elle permet le logement de deux lentilles : une lentille concave 36 et une lentille convexe 37 de formes adaptées l'une à l'autre et disposées l'une contre l'autre. Le centre optique du groupe formé par les lentilles 36 et 37 est confondu avec le deuxième foyer F'2. L'axe optique de ce groupe de lentilles est également confondu avec l'axe de symétrie A'. Un élément de maintien 38, vissé à l'extrémité de la deuxième partie 35, assure la fixation du groupe de lentilles dans le dispositif optique. La figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'un autre dispositif optique selon la présente invention. Le dispositif comprend une première partie 41 de forme générale cylindrique, par exemple en. aluminium, présentant une cavité 42 qui a une forme ellipsoïdale non achevée. La forme ellipsoïdale procure un premier foyer F''ι et un deuxième foyer F''2 sur l'axe de symétrie A''. Le dispositif comprend une deuxième partie 72, de forme générale cylindrique, superposée à la première partie 41, une troisième partie 43, de forme générale cylindrique, qui se visse sur la première partie 41 et permet la fixation de la deuxième partie 72, et une quatrième partie 50 de fermeture de la cavité.
Les parties 72 et 43 sont percées de trous procurant un passage d'entrée 44 au faisceau lumineux d'excitation 45 et un passage de sortie 46 pour le faisceau lumineux d'excitation réfléchi 47. La partie 50 possède également un trou 48 pour le passage du faisceau lumineux d'excitation transmis 49. La partie 72 possède des bouchons transparents 51 et 52 dans les passages 44 et 46. Les parties 72 et 43 possèdent une ouverture centrale permettant l'installation d'une lentille concave 53 bouchant cette ouverture centrale. L'axe de la lentille 53 est confondu avec l'axe A''. La concavité de la lentille 53 est tournée vers l'extérieur du dispositif. Le foyer de la lentille 53 coïncide avec le deuxième foyer F' ' 2. Un support 60 du milieu contenant les constituants à analyser est disposé entre les parties 41 et 50. Le support 60 est transparent. Il comprend par exemple une lame de verre 61 recouvert d' une couche de silicone 62 pourvue d'un canal 68 passant par le premier foyer F''ι. Le support 60 comporte, sur chacune de ses faces principales, un film de protection 63, 64. Le canal 68 permet l'écoulement d'un fluide à analyser au niveau du premier foyer F''ι. L'intérieur de la cavité, y compris l'espace situé entre le support 60 et la partie 50 est rempli d'un matériau transparent 70 tel que le silicone de façon qu'il n' y ait pas de couche d'air le long des trajets de la lumière émise par le fluide à analyser afin de ne pas introduire un indice de réfraction parasite .