WO2016102905A1 - Spectrofluorimètre à leds pour l'analyse d'un objet - Google Patents

Spectrofluorimètre à leds pour l'analyse d'un objet Download PDF

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WO2016102905A1
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fluorescence
optical
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luminous flux
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Aurélie MOUNIER
Floréal DANIEL
Sylvain Lazare
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Universite Bordeaux Montaigne
Universite de Bordeaux
Institut Polytechnique De Bordeaux
Centre National De La Recherche Scientifique
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Definitions

  • the present invention relates generally to the field of optical metrology applied to works of art and archaeological objects.
  • a spectrofluorometer for the analysis of an object comprising light excitation means adapted to illuminate a study area of said object with an excitation light beam, and optical transport means adapted to collect a light.
  • Spectrofluorimetry is a method of optical analysis that makes it possible to characterize the materials present on the surface of an object that one wishes to analyze, and also to monitor the degradation of these materials over time.
  • the present invention provides a particularly compact spectrofluorometer, easily transportable, and suitable for the study of works of art and archaeological objects.
  • the invention proposes a spectrofluorimeter as defined in the introduction, in which the light excitation means comprise a first light-emitting diode and a second light-emitting diode, said excitation light beam being formed of one and or the other light beam generated by each light emitting diode.
  • the light excitation means have a footprint and a reduced weight so that the spectrofluorometer according to the invention is compact and transportable.
  • the light-emitting diodes may also include their own directly integrated focusing optical system so that no additional optical element is required to focus the light excitation beam on the surface of the object.
  • the light-emitting diodes are low-voltage sources and can operate either on batteries or on battery or via the USB port (Universal Serial Bus) of a portable electronic device, which makes the spectrofluorometer usable without a source of electricity. external power supply for the light excitation means.
  • the light-emitting diodes are inexpensive components, so that the spectrofluorimeter according to the invention has a low cost.
  • the first light-emitting diode of the spectrofluorimeter according to the invention emits at a first wavelength of between 250 and 300 nm, this first wavelength being particularly suitable for the study of organic materials present in the works of art. art or objects of archeology.
  • the second light-emitting diode emits at a second wavelength of between 300 and 500 nm.
  • said light excitation means comprises a first focusing lens for focusing said excitation light beam onto a surface of said object;
  • said optical routing means comprises a second focusing lens for conveying the collected fluorescence luminous flux to an input of said optical spectrometer;
  • said optical routing means comprise a first and a second optical filter for removing portions of said fluorescence luminous flux which are emitted respectively at the first wavelength and at the second wavelength;
  • the first and second optical filters are high-pass filters having respectively a first cut-off frequency equal to 320 nm and a second cut-off frequency equal to 455 nm;
  • said spectrofluorimeter comprises a displacement system of the light excitation means adapted to adjust the position of said study zone on the object and / or the orientation of said excitation light beam with respect to the object;
  • said spectrofluorimeter comprises a system for mechanical positioning in translation and / or in rotation of the optical routing means for maximizing the fluorescence luminous flux collected;
  • the displacement system and the mechanical positioning system are integrated in a measuring head, in which there are provided means for controlling said measuring head;
  • the optical routing means comprise an optical fiber for conveying said collected fluorescence luminous flux to said optical spectrometer;
  • temporal multiplexing means are provided for the light beams generated by each of the two light-emitting diodes and wherein said optical spectrometer is adapted to process a multiplexed fluorescence light flux.
  • the invention has applications in the fields of the art for the identification of pigments and binders, the conservation for the study of alterations of materials but also the physico-chemistry of surfaces and interfaces, powders, textiles, fibers, finely divided or granular samples, minerals (surface stones), plants, biological tissues and even liquids on the surface or at depth within a few millimeters of depth.
  • the main field envisaged for the invention is that of the art for the characterization and study of pigments and binders used in paints but also for the conservation of works by the study of the alteration of materials.
  • the optical spectrometer of the spectrofluorometer according to the invention delivers a fluorescence signal.
  • said spectrofluorimeter comprises computer means adapted to treat said fluorescence signal to identify at least one chemical compound present in said study area of the analyzed object.
  • said computer means comprise a database register comprising a plurality of reference light spectra each associated with a particular chemical compound, said identification of at least one chemical compound by said computer means being performed by comparison of the light spectrum of said Fluorescence luminous flux with at least one other reference light spectrum.
  • the spectrofluorometer according to the invention can also, in certain embodiments, make it possible to acquire reflection spectra in addition to the fluorescence spectra.
  • the invention finally relates to a method for identifying a chemical compound present in the study zone of an object to be analyzed by means of a spectrofluorometer according to the invention, comprising the steps of:
  • step d) identifying from the treatment of step c) at least one chemical compound present in said study area of the analyzed object.
  • the identification of said The chemical compound of step d) is performed by comparing said light spectrum of said fluorescence luminous flux with at least one other reference light spectrum of said database register of the spectrofluorometer computing means.
  • Figure 1 is a schematic view of a spectrofluorometer according to the invention with two light emitting diodes;
  • Figure 2 is a block diagram explaining the operation of the focusing lenses for excitation and collection
  • Figure 3 is a side view of Figure 2 when one of the light emitting diodes incorporates an internal focusing lens;
  • FIGS. 4 to 6 are curves representing the fluorescence signal as a function of the wavelength obtained by means of the spectrofluorometer of FIG. 1 for three blue, yellow and red pigments respectively, and
  • Figure 7 is a block diagram of an alternative embodiment of a spectrofluorometer according to the invention.
  • FIG. 1 shows a spectrofluorometer 100 according to one particular embodiment of the invention.
  • This spectrofluorimeter 100 is intended for the analysis of an object 101, here substantially plane, on a surface 101 A above which a layer of materials is present.
  • the spectrofluorometer 100 operates as follows. An excitation light beam 1 is directed towards the surface 101 A of the object 101, on a study area 101 B of the object 101 that it is desired to analyze.
  • This excitation light beam 1 will be absorbed by the different constituents of the layer of materials, which in turn will emit a luminous flux of fluorescence 2.
  • the fluorescence luminous flux 2 is collected and sent to an optical spectrometer 131 connected to a processing means 133, for example a computer, which delivers a signal representative of the light spectrum 134 of the stream fluorescent light 2.
  • a processing means 133 for example a computer
  • This light spectrum 134 makes it possible to identify the constituent or constituents of the layer of materials present on the surface 101 A of the object 101.
  • the spectrofluorometer 100 first comprises light excitation means adapted to illuminate the study area 101 B of the object 101 with the excitation light beam 1.
  • these light excitation means comprise two light-emitting diodes: a first light-emitting diode 11 1 and a second light-emitting diode 11.
  • the first light-emitting diode 11 1 is an ultraviolet diode (or "UV diode") which emits at a first wavelength, denoted ⁇ 1, between 250 and 300 nanometers (nm).
  • this first wavelength ⁇ 1 is equal to 285 nm.
  • This first light-emitting diode 11 1 is particularly suitable for studying the fluorescence of organic binders such as gum arabic or protein glues, or for example that of blue pigments such as lapis lazuli, azurite or "Egyptian blue ".
  • the second light-emitting diode 1 12 is preferably a diode emitting in a wavelength range between 300 and 500 nm.
  • this second light-emitting diode 1 12 emits at a second wavelength, denoted ⁇ 2, which is equal to 375 nm.
  • This second light-emitting diode 1 12 is suitable for studying the fluorescence of lipid binders such as egg yolk or linseed oil, or yellow pigments (orpiment, lead yellow and tin, etc.). ) or red (minium, cinnabar, cochineal, ).
  • the first light-emitting diode 1 1 1 preferably has an average luminous power of less than 100 milliwatts (mW), more preferably less than 10 mW. This light power is here 0.5 mW.
  • the second light emitting diode 1 12 preferably has an average luminous power of less than 100 milliwatts (mW), more preferably less than 10 mW.
  • This luminous power is here equal to about 5 mW and is distributed in an emitting angle of apex angle equal to 10 °.
  • the low power of the light-emitting diodes makes it possible not to damage the surface of the object with an excitation light beam of too high power, which is critical when studying fragile works.
  • the powers of the light-emitting diodes are adapted to, on the one hand, that the fluorescence luminous flux 2 is of a level sufficient to be correctly detected by the optical spectrometer 131, for example with a good signal-to-noise ratio; and, on the other hand, that the thermal load, Le. the heat deposited on the study zone 101 B does not exceed a predetermined threshold of damage, for example a melting threshold in the case of a paint.
  • a predetermined threshold of damage for example a melting threshold in the case of a paint.
  • the first light-emitting diode 1 1 1 and the second light-emitting diode 1 12 operate on battery or on battery. This eliminates the need for an additional supply device which would increase and complicate the spectrofluorimeter.
  • the light-emitting diodes can be powered via the USB port of a portable electronic device running on battery, for example a computer of the portable type, a tablet, or a mobile phone.
  • the spectrofluorimeter could have more than two light-emitting diodes depending on the type of object to be analyzed.
  • the use of a third light emitting diode emitting in a wavelength range of between 440 nm and 500 nm could be envisaged for the study of the fluorescence of organic yellow pigments.
  • the spectrofluorimeter may provide for the use of 2 to 30 light-emitting diodes, which may include in particular light-emitting diodes emitting in the infrared and / or in the ultraviolet.
  • the first light-emitting diode 11 1 is mounted on a first arm 108 of the spectrofluorometer 100, to which a second arm 106 is also connected thanks to a bridge 105 making the two arms 106, 108 integral with one another.
  • the second arm 106 which carries the second light-emitting diode 1 12, is oriented so that the light beam generated by it is inclined relative to the surface 101 A of the object 101.
  • the spectrofluorometer 100 further comprises a displacement system of the light excitation means.
  • two posts 102 vertical Z axis (see Figure 1) interconnected by means of a transverse bar 104 of horizontal axis Y and two bases 103 in which the two posts 102 are mounted movably in translation along the Z axis so that the distance of the cross bar 104 to the surface 101 A of the object 101 varies.
  • bracket horizontal along the X axis, and a connection element (not visible in FIG. 1) of this bracket on the transverse bar 104 which is adapted to slide along it for a translation of the stem in a direction parallel to the Y axis.
  • bracket On this bracket is also fixed the first arm 108 of the spectrofluorometer 100 so that thanks to the displacement system here comprising the posts 102, the bases 103, the crossbar 104, the bracket and the connecting element, the first arm 108 and the second arm 106 of the spectrofluorometer 100 are movable relative to the object 101.
  • an optical positioning system comprising for example a camera or a microscope, this optical positioning system allowing lateral positioning, that is to say in the plane of the surface of the camera. sample, the analysis spot on the sample.
  • This optical positioning system is intended to aim remotely at the surface of the sample, with magnification or without magnification, without or with auxiliary lighting means separate from the light-emitting diodes.
  • the spectrofluorimeter comprises a foot, of the photo-foot or tripod type, and a translation bar on which is positioned a millimetric approach plate in X, Y and Z.
  • a switch is provided for alternately switching on the first light-emitting diode 1 1 1 and the second light-emitting diode 1 12.
  • the excitation light beam 1 is then formed either by the light beam generated by the first light-emitting diode 1 1 1, or by the light beam generated by the second light-emitting diode 1 12.
  • the spectrofluorimeter may include a program for initiating the successive ignition of the diodes by a single click.
  • the switch can be replaced by time multiplexing means of the light beams generated by each of the two light emitting diodes.
  • time division multiplexing means may for example comprise optical means adapted to draw at least one diode and modulate the luminous flux emitted by it.
  • the fluorescence luminous flux 2 is itself multiplexed so that it is necessary to use an optical spectrometer 131 adapted to process a multiplexed light flux.
  • the switch is replaced by pulse control means for lighting, together or successively, the LEDs pulse-wise, that is to say with short emission times.
  • pulse control means may comprise, for example, pulsed power supplies.
  • optical, electrical or electronic devices used to multiplex or draw the light streams emitted can be programmable. This allows in particular to perform analyzes on different objects under desired experimental conditions and following a protocol adapted to the study of these objects.
  • the pulsed irradiation makes it possible to prevent the thermal damage that could be caused to the study area 101 B of the object 101 probed by the excitation light beam 1.
  • the light excitation means comprise a first focusing lens 1 13 disposed in the second arm 106 of the spectrofluorometer 100 downstream of the second light-emitting diode 1 12.
  • This first focusing lens 1 13 is intended to focus the excitation light beam 1 on the surface 101 A of the object 101. Its opening and its focal length are determined so as, firstly, to collect most of the luminous flux radiated by the second light-emitting diode 1 12, and secondly, to focus the excitation light beam 1 on an area of 101 B study whose size is of the order of 1 mm in diameter (see Figure 2).
  • the first light-emitting diode 11 1 is, for its part, of the integrated lens type so that an additional focusing lens is not necessary to obtain a good focus on the object 101.
  • the optical routing means which collect the luminous flux of fluorescence 2 emitted by the study zone 101 B excited by the excitation light beam 1 to convey this luminous flux of fluorescence 2 to the optical spectrometer 131 for the analysis of its light spectrum.
  • optical routing means here comprise an optical fiber 124 in which the luminous flux of fluorescence 2 is transported to to an input 132 of the optical spectrometer 131.
  • This optical fiber 124 is here an optical fiber of 400 micrometers in diameter. It has a fiber input 124 through which the luminous flux of fluorescence 2 is injected.
  • the optical routing means comprise a second focusing lens 123, upstream of the optical fiber 124 for focusing the fluorescence luminous flux 2 collected on the fiber input. 124.
  • the aperture ⁇ Le. the diameter) and the focal length of this second focusing lens 123 are determined so as, firstly, to collect the greater part of the fluorescence luminous flux 2 emitted by the study zone 101 B excited by the excitation light beam 1, and, on the other hand, focus the fluorescence light beam 2 on the fiber input 124A of the optical fiber 124.
  • the positioning of the various optical elements of the spectrofluorometer 100 is relatively critical for the sensitivity of the measurement, so that the positioning of the optical fiber 124 and the second focusing lens 123 both with respect to each other and both with respect to 101 B study area of object 101 must be made accurately.
  • the spectrofluorometer 100 preferably comprises a system for mechanical positioning in translation and / or in rotation of the optical routing means for maximizing the fluorescence luminous flux 2 collected by the optical routing means and transmitted to the optical spectrometer 131, here via the optical fiber 124.
  • This mechanical positioning system here comprises, in addition to the posts 102, the bases 103 and the transverse bar 104 of the displacement system of the light excitation means, a support 107 mounted on the transverse bar 104 and a 3-axis translation stage (109 see Fig. 2) with a fine adjustment disposed between the cross bar 104 and the support 107 so as to be able to adjust the position of the fiber inlet 124A with respect to the second focusing lens 123 and thereby obtain a fluorescence signal maximum.
  • This positioning system is connected to a table support, which can be a sliding gantry, an articulated arm, robotic or manual movement.
  • the two rails 106, 108 and the bridge 105 define therein a plane triangle such that its lower vertex is on the upper surface 101 of the object 101 by the Z adjustment of the plate 109.
  • This adjustment necessary to obtain a good measurement can be done by hand, by a wheel of the plate 109, or automatically in the case of a motorized system.
  • the device is similar but with shorter diode-lens and lens-object distances.
  • the displacement system and the mechanical positioning system are integrated in a measuring head, which is controlled, for example in an automated manner, by control means.
  • the optical routing means also comprise two optical filters: a first optical filter 121 associated with the first light-emitting diode 11 1 and a second optical filter 122 associated with the second light emitting diode 1 12.
  • the optical routing means may comprise a number of optical filters less than or equal to the number of light-emitting diodes.
  • optical filters 121, 122 have the function of eliminating part of the fluorescence luminous flux 2 which is emitted respectively at the first wavelength ⁇ 1 and at the second wavelength ⁇ 2.
  • the excitation light beam 1 is partially absorbed in the study area 101 B of the object 101 and a non-negligible part of this beam is reflected by the upper surface 101 A of this object 101 so that a reflected light beam, at the first or the second wavelength as a function of the light-emitting diode 11 1, 1 12 which is on, is superimposed on the fluorescence light beam 2.
  • this reflected light beam is transported to the optical spectrometer 131 so that the fluorescence signal is distorted.
  • the optical filters 121, 122 used are therefore intended to reject the light flux at the first and second wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2 reaching the fiber input 124A so that the light spectrum measured by the optical spectrometer 131 is not not polluted by this parasitic flow.
  • any optical filter for filtering a wavelength or wavelength band substantially centered on one of the two wavelengths in question may be suitable.
  • the first optical filter 121 and the second optical filter 122 are high-pass filters respectively having a first cutoff frequency, denoted fd, equal to 320 nm and a second cutoff frequency, denoted fc2, equal to 455 nm.
  • optical filters 121, 122 make it possible at the same time to eliminate the parasitic reflection at the wavelength of the light-emitting diode and at the same time not to cut spectrally too much the luminous flux of fluorescence 2 in the lengths of the light-emitting diode. wave of interest.
  • the two optical filters could be band-pass filters for example centered around the wavelengths of 285 nm and 375 nm and having a spectral width of 10 to 20 nm.
  • the first optical filter is a high-pass filter having a first cut-off frequency equal to 320 nm at 320 nm and the second optical filter is a high-pass filter having a second cut-off frequency which is a function of the second wavelength ⁇ 2.
  • the spectrofluorimeter described above meets the requirements of the application for detecting and measuring spectrofluorescence on works of art that require non-contact measurement and the shortest exposure time possible.
  • the measurement time for the spectrofluorimeter of the invention is generally between 1 and 50 seconds.
  • positioning is done in seconds, typically in less than 10 s, and measurement is acquired in seconds after the LEDs are turned on.
  • the passage from one wavelength to the other is instantaneous by a simple action of the switch.
  • the maximum of fluorescent light is at the fiber input 124A to be redirected to the input 132 of the optical spectrometer 131.
  • the spectrofluorometer 100 is well suited to a sensitive measure necessary to preserve as much as possible fragile and valuable works of art, such as medieval illuminations.
  • density filters for attenuating the amount of ultraviolet light received by a particularly fragile sample.
  • optical density filters can also be at least partly magnetized, for example at their periphery if it is a filter having a disk shape, so that they can be superimposed in order to further attenuate the ultraviolet light. violet received by the surface of the sample.
  • This spectrofluorometer is portable, lightweight and has a reduced cost.
  • the spectrofluorometer 100 comprises computer means 140 which process a signal representative of the light spectrum of the fluorescence luminous flux 2 delivered by the optical spectrometer 131 (see FIG. 1).
  • This representative signal by the computer means 140 makes it possible to identify at least one chemical compound C_ likely to be present in the study zone 101 B of the object 101 which is being analyzed.
  • the computer means 140 comprise a database register (not shown) comprising a plurality of reference light spectra, each reference light spectrum being associated with a particular chemical compound whose fluorescence spectrum in the range of lengths of interesting wave is known with precision.
  • the identification of a chemical compound C by computer means 140 is then performed by comparing the light spectrum of the fluorescence luminous flux 2 with at least one other reference light spectrum, preferably with a plurality of reference light spectra, or even with all the spectra recorded in the database register.
  • the study area 101 B of the object 101 is illuminated by means of the excitation light flux 1. It is in this study zone 101 B of the object 101 to be analyzed that the presence of the chemical compound is sought.
  • the study area 101 B emits the luminous flux of fluorescence 2, this luminous flux of fluorescence 2 being a function notably of the nature of the chemical compounds which are excited by the excitation light flux and which fluoresce in response to this excitation.
  • this luminous flux of fluorescence 2 is then collected and conveyed by means of the optical routing means 121, 122, 123, 124 to the optical spectrometer 131 for its analysis.
  • the optical spectrometer 131 then delivers a fluorescence signal 134 which is representative of the light spectrum of the fluorescence luminous flux 2.
  • FIGS. 3 to 5 show different curves representing the fluorescence signal 134 delivered by the processing means 133 of the optical spectrometer 131.
  • the curve of FIG. 3 thus corresponds to the fluorescence signal obtained by means of the spectrofluorometer 100 previously described by analyzing three different objects on the surface of which a blue pigment had been deposited mixed with gum arabic and using the first light-emitting diode 11 1 emitting at 285 nm and the first optical filter 121 cutting at 320 nm.
  • the curve of FIG. 4 corresponds to the fluorescence signal obtained by analyzing three different objects on the surface of which a yellow pigment had been deposited and by using the second light-emitting diode 1 12 emitting at 375 nm and the second optical filter 122 cutting at 455 nm. .
  • the curve of FIG. 5 thus corresponds to the fluorescence signal obtained by analyzing three different objects on the surface of which a red pigment had been deposited mixed with gum arabic and using the second light-emitting diode 1 12 emitting at 375 nm and the second optical filter 122 cutting at 455 nm.
  • the curve referenced B1 has a first peak at a wavelength of about 460 nm characteristic of gum arabic and a second peak at a wavelength of about 890 nm corresponding to a blue pigment called "Egyptian blue";
  • the curve referenced B2 which corresponds to azurite, has the same first peak at 460 nm characteristic of gum arabic but no second peak is observed;
  • the curve referenced B3 also has the peak due to gum arabic and another very weak peak around 790 nm corresponding to a blue pigment which is indigo.
  • FIG. 5 shows the fluorescence signals of the orpiment (curve J1), lead and tin yellow and yellow ocher (curve J3).
  • curve J3 corresponding to the yellow ocher comes off, with a characteristic fluorescence peak located around 590 nm.
  • the orpiment (curve J1) and the yellow lead and tin have a peak around around 560 nm.
  • the fluorescence signal is not parasitized by the emission light spectrum of the light emitting diodes.
  • the fluorescence signal is thus processed by the computer means 140 which identify, in a last step, from this treatment, at least one chemical compound C present in the study zone 101. B of the object 101 analyzed.
  • This identification is here performed for the three previously described examples by comparing the light spectra J1, J2, J3; B1, B2, B3; R1, R2, R3 of the fluorescence luminous flux 2 with at least one other reference light spectrum of the database register of the computer means 140.
  • the recognition of a peak in the light spectrum for a given wavelength then makes it possible to identify in the study zone 101 B the presence of a chemical compound C whose reference light spectrum is recorded in FIG. the database register includes such a peak around this wavelength.
  • the database can also be enriched with the fluorescence light spectra measured by means of the spectrofluorometer of the invention. It is also possible thanks to the database register to identify mixtures of different chemical compounds present in the study area of the analyzed object. This is particularly suitable for the analysis of an object combining different supports, pigments, or binders.
  • the spectrofluorometer of the invention is portable, lightweight and has a reduced cost. He is moreover evolutionary. Its architecture allows to get closer to the object to be analyzed.
  • the measuring head of this spectrofluorimeter may be carried by a robotic arm, for example, or a table support of the gantry type, in order to fly over the object at a constant and adjusted distance.
  • the spectrofluorometer of the invention thus has the advantage of avoiding any contact with the object to be measured.

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Abstract

L'invention concerne un spectrofluorimètre (100) à LEDs pour l'analyse d'un objet (101) comportant des moyens d'excitation lumineuse (11, 112, 113) adaptés à illuminer une zone d'étude (101B) de l'objet avec un faisceau lumineux d'excitation (1), et des moyens optiques d'acheminement (121, 122, 123, 124) adaptés à collecter un flux lumineux de fluorescence (2) émis par la zone d'étude excitée par le faisceau lumineux d'excitation et à acheminer le flux lumineux de fluorescence vers un spectromètre optique (131) pour l'analyse de son spectre lumineux. Selon l'invention, les moyens d'excitation lumineuse comprennent une première diode électroluminescente (111) et une deuxième diode électroluminescente (112), la première diode électroluminescente émettant à une première longueur d'onde (λ1) comprise entre 250 et 300 nm et le faisceau lumineux d'excitation étant formé de l'un et/ou de l'autre faisceau lumineux généré par chaque diode électroluminescente.

Description

SPECTROFLUORIMÈTRE À LEDS POUR L'ANALYSE D'UN OBJET
La présente invention concerne de manière générale le domaine de la métrologie optique appliquée aux œuvres d'art et aux objets archéologiques.
Elle concerne plus particulièrement un spectrofluorimètre pour l'analyse d'un objet comportant des moyens d'excitation lumineuse adaptés à illuminer une zone d'étude dudit objet avec un faisceau lumineux d'excitation, et des moyens optiques d'acheminement adaptés à collecter un flux lumineux de fluorescence émis par ladite zone d'étude excitée par le faisceau lumineux d'excitation et à acheminer ledit flux lumineux de fluorescence vers un spectromètre optique pour l'analyse du spectre lumineux dudit flux.
La spectrofluorimétrie est une méthode d'analyse optique qui permet notamment de caractériser les matériaux présents à la surface d'un objet que l'on souhaite analyser, et également de suivre la dégradation de ces matériaux au cours du temps.
Les appareils portables disponibles sur le marché, par exemple les spectrofluorimètres commercialisés par les sociétés Océan Optics, Avantès, ou SteelarNet, permettent de travailler sur des objets de petite taille ou déposés sur des lames de microscope.
Ces appareils ne permettent donc pas l'étude des œuvres d'art fragiles, pour lesquelles le prélèvement d'échantillon sur l'objet ou le déplacement de l'objet vers un laboratoire d'analyse n'est pas possible.
De plus, les spectrofluorimètres connus sont souvent volumineux, lourds, peu compacts et nécessitent parfois un contact entre l'objet à analyser et les moyens d'excitation lumineuse, ce qui peut s'avérer préjudiciable pour l'objet.
Afin de remédier aux inconvénients précités de l'état de la technique, la présente invention propose un spectrofluorimètre particulièrement compact, facilement transportable, et adapté à l'étude des œuvres d'art et des objets archéologiques.
Plus particulièrement, on propose selon l'invention un spectrofluorimètre tel que défini en introduction, dans lequel les moyens d'excitation lumineuse comprennent une première diode électroluminescente et une deuxième diode électroluminescente, ledit faisceau lumineux d'excitation étant formé de l'un et/ou de l'autre faisceau lumineux généré par chaque diode électroluminescente.
Ainsi, grâce à l'utilisation de diodes électroluminescentes qui sont des sources lumineuses de taille réduite, les moyens d'excitation lumineuse présentent un encombrement et un poids réduit de sorte que le spectrofluorimètre selon l'invention est compact et transportable.
Les diodes électroluminescentes peuvent comprendre également leur propre système optique de focalisation directement intégré de sorte qu'aucun élément optique additionnel n'est nécessaire pour focaliser le faisceau d'excitation lumineuse sur la surface de ITobjet.
De plus, les diodes électroluminescentes sont des sources alimentées en basse tension et peuvent fonctionner soit sur piles, soit sur batterie, soit via le port USB (Universal Sériai Bus) d'un appareil électronique portable, ce qui rend le spectrofluorimètre utilisable sans source d'alimentation extérieure pour les moyens d'excitation lumineuse.
Enfin, les diodes électroluminescentes sont des composants peu coûteux, de sorte que le spectrofluorimètre selon l'invention présente un coût de revient faible.
De manière avantageuse, la première diode électroluminescente du spectrofluorimètre selon l'invention émet à une première longueur d'onde comprise entre 250 et 300 nm, cette première longueur d'onde étant particulièrement adaptée à l'étude des matériaux organiques présents dans les œuvres d'art ou les objets d'archéologie.
De manière avantageuse également, la deuxième diode électroluminescente émet à une deuxième longueur d'onde comprise entre 300 et 500 nm.
D'autres caractéristiques non limitatives et avantageuses du spectrofluorimètre conforme à l'invention sont les suivantes :
lesdits moyens d'excitation lumineuse comprennent une première lentille de focalisation pour focaliser ledit faisceau lumineux d'excitation sur une surface dudit objet ;
lesdits moyens optiques d'acheminement comprennent une deuxième lentille de focalisation pour acheminer le flux lumineux de fluorescence collecté vers une entrée dudit spectromètre optique ;
lesdits moyens optiques d'acheminement comprennent un premier et un deuxième filtre optique destinés à éliminer des parties dudit flux lumineux de fluorescence qui sont émises respectivement à la première longueur d'onde et à la deuxième longueur d'onde ;
le premier et le deuxième filtre optique sont des filtres passe-haut présentant respectivement une première fréquence de coupure égale à 320 nm et une deuxième fréquence de coupure égale à 455 nm ;
- ledit spectrofluorimètre comporte un système de déplacement des moyens d'excitation lumineuse adapté à ajuster la position de ladite zone d'étude sur l'objet et/ou l'orientation dudit faisceau lumineux d'excitation par rapport à l'objet ;
ledit spectrofluorimètre comporte un système de positionnement mécanique en translation et/ou en rotation des moyens optiques d'acheminement pour maximiser le flux lumineux de fluorescence collecté ;
le système de déplacement et le système de positionnement mécanique sont intégrés dans une tête de mesure, dans lequel il est prévu des moyens de commande de ladite tête de mesure ;
- les moyens optiques d'acheminement comportent une fibre optique pour acheminer ledit flux lumineux de fluorescence collecté vers ledit spectromètre optique ;
il est prévu des moyens de multiplexage temporel des faisceaux lumineux générés par chacune des deux diodes électroluminescentes et dans lequel ledit spectromètre optique est adapté à traiter un flux lumineux de fluorescence multiplexé.
L'invention trouve des applications dans les domaines de l'art pour l'identification des pigments et des liants, de la conservation pour l'étude des altérations des matériaux mais aussi de la physico-chimie des surfaces et des interfaces, des poudres, des textiles, des fibres, des échantillons finement divisés ou granuleux, des minéraux (pierres en surface), des végétaux, des tissus biologiques et même des liquides en surface ou en profondeur sous quelques millimètres de profondeur.
Le principal domaine envisagé pour l'invention est celui de l'art pour la caractérisation et l'étude des pigments et des liants employés dans les peintures mais aussi pour la conservation des œuvres par l'étude de l'altération des matériaux.
Ainsi, de manière particulièrement avantageuse, le spectromètre optique du spectrofluorimètre conforme à l'invention délivre un signal de fluorescence représentatif du spectre lumineux dudit flux lumineux de fluorescence, et ledit spectrofluorimètre comporte des moyens informatiques adaptés à traiter ledit signal de fluorescence pour identifier au moins un composé chimique présent dans ladite zone d'étude de l'objet analysé.
De préférence, lesdits moyens informatiques comportent un registre de base de données comprenant une pluralité de spectres lumineux de référence associés chacun à un composé chimique particulier, ladite identification d'au moins un composé chimique par lesdits moyens informatiques étant réalisée par comparaison du spectre lumineux dudit flux lumineux de fluorescence avec au moins un autre spectre lumineux de référence.
L'un des avantages de ce spectrofluorimètre réside dans son utilisation pour l'étude des composés chimiques, tels que les pigments par exemple.
Son couplage à un registre de base de données permet d'identifier rapidement sur le spectre lumineux obtenu la nature du ou des pigments qui sont présents dans la zone d'étude de l'objet illuminé par le flux lumineux d'excitation.
Le spectrofluorimètre selon l'invention peut également permettre dans certains modes de réalisation l'acquisition de spectres de réflexion en plus des spectres de fluorescence.
L'invention concerne enfin un procédé d'identification d'un composé chimique présent dans la zone d'étude d'un objet à analyser au moyen d'un spectrofluorimètre conforme à l'invention, comportant des étapes consistant à :
a) illuminer ladite zone d'étude de l'objet au moyen dudit flux lumineux d'excitation ;
b) collecter et acheminer grâce auxdits moyens optiques d'acheminement ledit flux lumineux de fluorescence émis par ladite zone d'étude excitée vers ledit spectromètre optique pour l'analyse du spectre lumineux dudit flux ;
c) traiter grâce auxdits moyens informatiques ledit signal de fluorescence représentatif du spectre lumineux dudit flux lumineux de fluorescence; et
d) identifier à partir du traitement de l'étape c) au moins un composé chimique présent dans ladite zone d'étude de l'objet analysé.
Avantageusement, lorsque le spectrofluorimètre comporte des moyens informatiques comprenant un registre de base de données, l'identification dudit composé chimique de l'étape d) est réalisée en comparant ledit spectre lumineux dudit flux lumineux de fluorescence avec au moins un autre spectre lumineux de référence dudit registre de base de données des moyens informatiques du spectrofluorimètre.
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
la figure 1 est une vue schématique d'un spectrofluorimètre selon l'invention avec deux diodes électroluminescentes ;
la figure 2 est un schéma de principe expliquant le fonctionnement des lentilles de focalisation pour l'excitation et la collection ;
la figure 3 est une vue de côté de la figure 2 lorsque l'une des diodes électroluminescentes intègre une lentille interne de focalisation ;
- les figures 4 à 6 sont des courbes représentant le signal de fluorescence en fonction de la longueur d'onde obtenue grâce au spectrofluorimètre de la figure 1 respectivement pour trois pigments bleus, jaunes et rouges, et
la figure 7 est un schéma de principe d'une variante de réalisation d'un spectrofluorimètre selon l'invention.
Sur la figure 1 , on a représenté un spectrofluorimètre 100 selon un mode de réalisation particulier de l'invention.
Ce spectrofluorimètre 100 est destiné à l'analyse d'un objet 101 , ici sensiblement plan, sur une surface 101 A supérieure duquel une couche de matériaux est présente.
Le spectrofluorimètre 100 fonctionne de la façon suivante. Un faisceau lumineux d'excitation 1 est dirigé vers la surface 101 A de l'objet 101 , sur une zone d'étude 101 B de l'objet 101 que l'on souhaite analyser.
Ce faisceau lumineux d'excitation 1 va être absorbé par les différents constituants de la couche de matériaux, qui à leur tour vont émettre un flux lumineux de fluorescence 2.
Le flux lumineux de fluorescence 2 est collecté et envoyé vers un spectromètre optique 131 relié à un moyen de traitement 133, par exemple un ordinateur, qui délivre un signal représentatif du spectre lumineux 134 du flux lumineux de fluorescence 2.
L'analyse de ce spectre lumineux 134 permet d'identifier le ou les constituants de la couche de matériaux présents à la surface 101 A de l'objet 101 .
En déplaçant la zone d'étude 101 B sur cette surface 101 A, on remonte ainsi à une information sur la distribution des constituants dans l'objet 101 .
On va maintenant décrire plus en détail les différents éléments du spectrofluorimètre 100 de la figure 1 .
Afin de produire le faisceau lumineux d'excitation 1 , le spectrofluorimètre 100 comporte tout d'abord des moyens d'excitation lumineuse adaptés à illuminer la zone d'étude 101 B de l'objet 101 avec le faisceau lumineux d'excitation 1 .
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, ces moyens d'excitation lumineuse comprennent deux diodes électroluminescentes : une première diode électroluminescente 1 1 1 et une deuxième diode électroluminescente 1 12.
La première diode électroluminescente 1 1 1 est une diode ultraviolette (ou « diode UV ») qui émet à une première longueur d'onde, notée λ1 , comprise entre 250 et 300 nanomètres (nm). Ici, cette première longueur d'onde λ1 est égale à 285 nm. Cette première diode électroluminescente 1 1 1 est particulièrement adaptée à l'étude de la fluorescence des liants organiques comme la gomme arabique ou les colles protéiniques, ou par exemple celle de pigments bleus comme le lapis-lazuli, l'azurite ou le « bleu égyptien ».
La deuxième diode électroluminescente 1 12 est de préférence une diode émettant dans une gamme de longueur d'onde comprise entre 300 et 500 nm. Ici, cette deuxième diode électroluminescente 1 12 émet à une deuxième longueur d'onde, notée λ2, qui est égale à 375 nm.
Cette deuxième diode électroluminescente 1 12 est adaptée à l'étude de la fluorescence des liants lipidiques comme le jaune d'œuf ou l'huile de lin, ou encore des pigments jaunes (orpiment, jaune de plomb et d'étain, ...) ou rouges (minium, cinabre, cochenille, ...).
La première diode électroluminescente 1 1 1 présente de préférence une puissance lumineuse moyenne inférieure à 100milliwatts (mW), encore plus préférentiellement inférieure à 10 mW. Cette puissance lumineuse est ici de 0,5 mW.
De la même manière, la deuxième diode électroluminescente 1 12 présente de préférence une puissance lumineuse moyenne inférieure à 100milliwatts (mW), encore plus préférentiellement inférieure à 10 mW. Cette puissance lumineuse est ici égale à environ 5 mW et est répartie dans un cône d'émission d'angle au sommet égal à 10° .
La faible puissance des diodes électroluminescentes permet de ne pas endommager la surface de l'objet avec un faisceau lumineux d'excitation de trop forte puissance, ce qui est critique lors de l'étude d'œuvres fragiles.
Avantageusement, les puissances des diodes électroluminescentes sont adaptées pour, d'une part, que le flux lumineux de fluorescence 2 soit d'un niveau suffisant pour être détectée correctement par le spectromètre optique 131 , par exemple avec un bon rapport signal à bruit ; et, d'autre part, que la charge thermique, Le. la chaleur, déposée sur la zone d'étude 101 B ne dépasse pas un seuil prédéterminé d'endommagement, par exemple un seuil de fusion dans le cas d'une peinture.
De manière préférée, la première diode électroluminescente 1 1 1 et la deuxième diode électroluminescente 1 12 fonctionnent sur pile ou bien sur batterie. Ceci permet de s'affranchir de l'utilisation d'un dispositif d'alimentation additionnel ce qui alourdirait et complexifierait le spectrofluorimètre.
En variante, les diodes électroluminescentes peuvent être alimentées via le port USB d'un appareil électronique portable fonctionnant sur batterie, par exemple un ordinateur du type portable, une tablette, ou bien un téléphone mobile.
Dans un autre mode de réalisation, le spectrofluorimètre pourrait comporter plus de deux diodes électroluminescentes en fonction du type d'objet à analyser. Par exemple, on pourrait prévoir l'utilisation d'une troisième diode électroluminescente émettant dans une gamme de longueurs d'onde comprise entre 440 nm et 500 nm, pour l'étude de la fluorescence des pigments jaunes organiques.
De préférence, le spectrofluorimètre peut prévoir l'utilisation de 2 à 30 diodes électroluminescentes, pouvant inclure notamment des diodes électroluminescentes émettant dans l'infrarouge et/ou dans l'ultraviolet.
Pour gagner en compacité lors de la mise en œuvre du spectrofluorimètre avec plusieurs diodes électroluminescentes, on peut prévoir de remplacer une diode électroluminescente par une autre en la positionnant à la même place, par exemple au moyen d'un système mécanique et/ou électrique de positionnement du type roue, barillet, ou platine de translation, actionné manuellement ou avec un servomoteur commandé par logiciel.
Comme le montre la figure 1 , la première diode électroluminescente 1 1 1 est montée sur un premier bras 108 du spectrofluori mètre 100, auquel est également relié un deuxième bras 106 grâce à un pont 105 rendant les deux bras 106, 108 solidaires entre eux.
Le deuxième bras 106, qui porte la deuxième diode électroluminescente 1 12, est orienté de sorte que le faisceau lumineux généré par celle-ci est incliné par rapport à la surface 101 A de l'objet 101 .
Le spectrofluorimètre 100 comporte par ailleurs un système de déplacement des moyens d'excitation lumineuse.
Plus particulièrement ici, il est prévu deux poteaux 102 verticaux d'axe Z (voir figure 1 ) reliés entre eux au moyen d'une barre transversale 104 horizontale d'axe Y et deux bases 103 dans lesquelles les deux poteaux 102 sont montés mobiles en translation selon l'axe Z de sorte que la distance de la barre transversale 104 à la surface 101 A de l'objet 101 varie.
Il est également prévu une potence, horizontale selon l'axe X, et un élément de raccordement (non visibles sur la figure 1 ) de cette potence sur la barre transversale 104 qui est adapté à coulisser le long de celle-ci pour une translation de la potence dans une direction parallèle à l'axe Y.
Sur cette potence est par ailleurs fixé le premier bras 108 du spectrofluorimètre 100 de sorte que grâce au système de déplacement comprenant ici les poteaux 102, les bases 103, la barre transversale 104, la potence et l'élément de raccordement, le premier bras 108 et le deuxième bras 106 du spectrofluorimètre 100 sont mobiles par rapport à l'objet 101 .
De cette façon, il est alors possible d'ajuster la position de la zone d'étude 101 B sur l'objet 101 .
En variante, on pourrait également prévoir d'autres moyens de déplacement pour ajuster l'orientation du faisceau lumineux d'excitation par rapport à l'objet et d'autres supports (pied photo, perche...).
Dans un mode de réalisation particulier représenté sur la figure 7, on peut prévoir d'équiper le spectrofluorimètre 100 d'un témoin de positionnement comportant deux lasers 201 , 202 émettant respectivement deux faisceaux lasers 203, 204 visibles se croisant à la surface 1 01 A de l'échantillon 101 , au niveau de la zone d'étude 101 B, quand le spectrofluorimètre 100 est à une distance optimale de sa surface 101 A.
En variante encore, il est également possible d'inclure un système optique de positionnement comprenant par exemple une caméra ou un microscope, ce système optique de positionnement permettant un positionnement latéral, c'est-à-dire dans le plan de la surface de l'échantillon, du spot d'analyse sur l'échantillon.
Ce système optique de positionnement est destiné à viser à distance la surface de l'échantillon, avec un grossissement ou sans grossissement, sans ou avec des moyens auxiliaires d'éclairage distincts des diodes électroluminescentes.
Dans un autre mode de réalisation, le spectrofluorimètre comporte un pied, du type pied-photo ou trépied, et une barre de translation sur laquelle est positionnée une platine d'approche millimétrique en X, Y et Z.
Bien que non représenté sur la figure 1 , il est ici prévu un interrupteur permettant d'allumer alternativement la première diode électroluminescente 1 1 1 et la deuxième diode électroluminescente 1 12.
Dans cette configuration, le faisceau lumineux d'excitation 1 est alors formé soit par le faisceau lumineux généré par la première diode électroluminescente 1 1 1 , soit par le faisceau lumineux généré par la deuxième diode électroluminescente 1 12.
En variante, le spectrofluorimètre peut inclure un programme permettant de lancer l'allumage successif des diodes par un seul clic.
Dans un autre mode de réalisation non représenté, l'interrupteur peut être remplacé par des moyens de multiplexage temporel des faisceaux lumineux générés par chacune des deux diodes électroluminescentes. Ces moyens de multiplexage temporel peuvent par exemple comprendre des moyens optiques adaptés pour puiser au moins une diode et moduler le flux lumineux émis par celle-ci. Dans ce cas, le flux lumineux de fluorescence 2 est lui-même multiplexé de sorte qu'il est nécessaire d'utiliser un spectromètre optique 131 adapté pour traiter un flux lumineux multiplexé.
Dans un autre mode de réalisation, l'interrupteur est remplacé par des moyens de commande impulsionnels permettant d'allumer, ensemble ou successivement, les diodes électroluminescentes de manière impulsionnelle, c'est-à-dire avec des durées d'émission courtes. De tels moyens de commande impulsionnels peuvent comprendre par exemple des alimentations en courant puisées. Ce schéma de commande des diodes électroluminescentes offre un intérêt soit pour éliminer le bruit de mesure, soit pour mesurer les durées de vie de fluorescence.
Ces dispositifs optiques, électriques ou électroniques utilisés pour multiplexer ou puiser les flux lumineux émis peuvent être programmables. Ceci permet en particulier de réaliser des analyses sur différents objets dans des conditions expérimentales souhaitées et suivant un protocole adapté à l'étude de ces objets.
En particulier, l'irradiation puisée permet de prévenir les dommages thermiques qui pourraient être causés à la zone d'étude 101 B de l'objet 101 sondé par le faisceau lumineux d'excitation 1 .
Comme représenté sur la figure 1 , les moyens d'excitation lumineuse comprennent une première lentille de focalisation 1 13 disposé dans le deuxième bras 106 du spectrofluorimètre 100 en aval de la deuxième diode électroluminescente 1 12.
Cette première lentille de focalisation 1 13 est destinée à focaliser le faisceau lumineux d'excitation 1 sur la surface 101 A de l'objet 101 . Son ouverture et sa focale sont déterminées pour, d'une part, collecter la majeure partie du flux lumineux rayonné par la deuxième diode électroluminescente 1 12, et, d'autre part, focaliser le faisceau lumineux d'excitation 1 sur une zone d'étude 101 B dont la taille est de l'ordre de 1 mm de diamètre (voir figure 2).
La première diode électroluminescente 1 1 1 est, quant à elle, du type à lentille intégrée de sorte qu'une lentille de focalisation additionnelle n'est pas nécessaire pour obtenir une bonne focalisation sur l'objet 101 .
On va maintenant décrire en référence aux figures 1 et 2, les moyens optiques d'acheminement qui collectent le flux lumineux de fluorescence 2 émis par la zone d'étude 101 B excitée par le faisceau lumineux d'excitation 1 pour acheminer ce flux lumineux de fluorescence 2 vers le spectromètre optique 131 en vue de l'analyse de son spectre lumineux.
Ces moyens optiques d'acheminement comprennent ici une fibre optique 124 dans laquelle est transporté le flux lumineux de fluorescence 2 jusque vers une entrée 132 du spectromètre optique 131 .
Cette fibre optique 124 est ici une fibre optique de 400 micromètres de diamètre. Elle présente une entrée de fibre 124 au travers de laquelle le flux lumineux de fluorescence 2 est injecté.
Néanmoins, étant donné que l'ouverture numérique à l'entrée d'une telle fibre optique 124 est généralement faible, le flux lumineux de fluorescence 2 doit être focalisé sur l'entrée de fibre 124A.
Ainsi, comme cela est représenté de manière schématique sur la figure 2, les moyens optiques d'acheminement comprennent une deuxième lentille de focalisation 123, en amont de la fibre optique 124 pour focaliser le flux lumineux de fluorescence 2 collecté sur l'entrée de fibre 124.
Comme pour la première lentille de focalisation 1 13, l'ouverture {Le. le diamètre) et la focale de cette deuxième lentille de focalisation 123 sont déterminées pour, d'une part, collecter la plus grande partie du flux lumineux de fluorescence 2 émis par la zone d'étude 101 B excitée par le faisceau lumineux d'excitation 1 , et, d'autre part, focaliser le faisceau lumineux de fluorescence 2 sur l'entrée de fibre 124A de la fibre optique 124.
Le positionnement des différents éléments optiques du spectrofluorimètre 100 est relativement critique pour la sensibilité de la mesure, si bien que le positionnement de la fibre optique 124 et de la deuxième lentille de focalisation 123 à la fois l'une par rapport à l'autre et à la fois par rapport à la zone d'étude 101 B de l'objet 101 doit être réalisé avec précision.
Aussi, comme représenté sur la figure 1 , le spectrofluorimètre 100 comporte de préférence un système de positionnement mécanique en translation et/ou en rotation des moyens optiques d'acheminement pour maximiser le flux lumineux de fluorescence 2 collecté par les moyens optiques d'acheminement et transmis au spectromètre optique 131 , ici via la fibre optique 124.
Ce système de positionnement mécanique comprend ici, outre les poteaux 102, les bases 103 et la barre transversale 104 du système de déplacement des moyens d'excitation lumineuse, un support 107 monté sur la barre transversale 104 et une platine de translation 3 axes (109, voir figure 2) avec un réglage fin disposé entre la barre transversale 104 et le support 107 de manière à pouvoir régler la position de l'entrée de fibre 124A par rapport à la deuxième lentille de focalisation 123 et obtenir ainsi un signal de fluorescence maximal.
Ce système de positionnement est relié à un support de table, qui peut être un portique coulissant, un bras articulé, robotisé ou à déplacement manuel.
Les deux rails 106, 108 et le pont 105 définissent enter eux un triangle plan tel que son sommet inférieur se trouve sur la surface 101 A supérieure de l'objet 101 grâce au réglage en Z de la platine 109.
Ce réglage nécessaire pour obtenir une bonne mesure peut être effectué à la main, par une molette de la platine 109, ou automatiquement dans le cas d'un système motorisé.
Dans le cas où la première diode électroluminescente 1 1 1 intègre une lentille interne de focalisation (cas de la figure 3, vue de côté), le dispositif est similaire mais avec des distances diode-lentille et lentille-objet plus courtes.
Dans une variante possible, le système de déplacement et le système de positionnement mécanique sont intégrés dans une tête de mesure, qui est pilotée, par exemple de manière automatisée, par des moyens de commande.
De manière avantageuse, et comme représenté sur les figures 1 et 2 (où seul un filtre est représenté), les moyens optiques d'acheminement comprennent également deux filtres optiques : un premier filtre optique 121 associé à la première diode électroluminescente 1 1 1 et un deuxième filtre optique 122 associé à la deuxième diode électroluminescente 1 12.
De façon plus générale, les moyens optiques d'acheminement peuvent comprendre un nombre de filtres optiques inférieur ou égal au nombre de diodes électroluminescentes.
Ces filtres optiques 121 , 122 ont pour fonction d'éliminer une partie du flux lumineux de fluorescence 2 qui est émise respectivement à la première longueur d'onde λ1 et à la deuxième longueur d'onde λ2.
En effet, le faisceau lumineux d'excitation 1 est partiellement absorbé dans la zone d'étude 101 B de l'objet 101 et une partie non négligeable de ce faisceau est réfléchie par la surface 101 A supérieure de cet objet 101 de sorte qu'un faisceau lumineux réfléchi, à la première ou à la deuxième longueur d'onde en fonction de la diode électroluminescente 1 1 1 , 1 12 qui est allumée, se superpose au faisceau lumineux de fluorescence 2.
Sans précaution particulière, ce faisceau lumineux réfléchi est transporté jusqu'au spectromètre optique 131 si bien que le signal de fluorescence est faussé.
Les filtres optiques 121 , 122 utilisés sont donc destinés à rejeter le flux lumineux aux première et deuxième longueurs d'onde λ1 , λ2 parvenant à l'entrée de fibre 124A de manière à ce que le spectre lumineux mesuré par le spectromètre optique 131 ne soit pas pollué par ce flux parasite.
De manière générale, tout filtre optique permettant de filtrer une longueur d'onde ou une bande de longueur d'onde sensiblement centrée sur l'une des deux longueurs d'onde en question peut convenir.
Dans le mode de réalisation décrit ici, le premier filtre optique 121 et le deuxième filtre optique 122 sont des filtres passe-haut présentant respectivement une première fréquence de coupure, notée fd , égale à 320 nm et une deuxième fréquence de coupure, notée fc2, égale à 455 nm.
Ces deux filtres optiques 121 , 122 permettent à la fois d'éliminer la réflexion parasite à la longueur d'onde de la diode électroluminescente et à la fois de ne pas couper spectralement de manière trop importante le flux lumineux de fluorescence 2 dans les longueurs d'onde d'intérêt.
En variante, les deux filtres optiques pourraient être des filtres passe-bande par exemple centrés autour des longueurs d'onde de 285 nm et 375 nm et présentant une largeur spectrale de 10 à 20 nm.
En variante encore, le premier filtre optique est un filtre passe-haut présentant une première fréquence de coupure, égale à 320 nm à 320 nm et le deuxième filtre optique est un filtre passe-haut présentant une deuxième fréquence de coupure qui est fonction de la deuxième longueur d'onde λ2.
Le spectrofluorimètre décrit ci-dessus répond aux exigences de l'application visant à détecter et mesurer la spectrofluorescence sur des œuvres d'art qui requièrent une mesure sans contact et un temps d'exposition le plus court possible. La durée de mesure pour le spectrofluorimètre de l'invention est généralement comprise entre 1 et 50 secondes.
Grâce aux systèmes de déplacement et de positionnement, le positionnement se fait en quelques secondes, typiquement en moins de 10 s, et la mesure est acquise en quelques secondes après l'allumage des diodes électroluminescentes.
Comme les diodes électroluminescentes 1 1 1 , 1 12 sont pré-positionnées dans les bras 106, 108, le passage d'une longueur d'onde à l'autre est instantané par une simple action de l'interrupteur.
Grâce à la deuxième lentille de focalisation 123, le maximum de lumière de fluorescence, qui peut être filtrée ou non, se présente à l'entrée de fibre 124A pour être redirigée vers l'entrée 132 du spectromètre optique 131 .
Le spectrofluorimètre 100 selon l'invention est bien adapté à une mesure sensible nécessaire pour préserver au maximum les œuvres d'art fragiles et précieuses, comme par exemple les enluminures médiévales.
Dans un mode de réalisation particulier, on peut par ailleurs prévoir d'utiliser des filtres de densité destinés à atténuer la quantité de lumière ultra-violette reçue par un échantillon particulièrement fragile. On peut par exemple utiliser :
un densité de 0,1 qui permet une baisse des UV reçus de 25%, une densité de 0,3 pour une baisse de 50%, et
une densité de 0,6 pour une baisse de 75%.
Ces filtres de densité optique peuvent également être au moins en partie aimantés, par exemple à leur périphérie s'il s'agit de filtre présentant une forme de disque, de sorte qu'ils peuvent se superposer afin d'atténuer davantage la lumière ultra-violette reçue par la surface de l'échantillon.
Ce spectrofluorimètre est portable, léger et présente un coût réduit.
De manière avantageuse, le spectrofluorimètre 100 comporte des moyens informatiques 140 qui traitent un signal représentatif du spectre lumineux du flux lumineux de fluorescence 2 délivré par le spectromètre optique 131 (voir figure 1 ).
Le traitement de ce signal représentatif par les moyens informatiques 140 permet d'identifier au moins un composé chimique Ç_ susceptible d'être présent dans la zone d'étude 101 B de l'objet 101 qui est en cours d'analyse.
Préférentiellement, les moyens informatiques 140 comportent un registre de base de données (non représenté) comprenant une pluralité de spectres lumineux de référence, chaque spectre lumineux de référence étant associé à un composé chimique particulier dont le spectre de fluorescence dans la gamme de longueurs d'onde intéressante est connu avec précision.
Grâce à ce registre de base de données, l'identification d'un composé chimique Ç_ par les moyens informatiques 140 est alors réalisée en comparant le spectre lumineux du flux lumineux de fluorescence 2 avec au moins un autre spectre lumineux de référence, préférentiellement avec une pluralité de spectres lumineux de référence, voire avec la totalité des spectres enregistrés dans le registre de base de données.
EXEMPLES
On va maintenant décrire en référence aux figures 4 à 6 un procédé d'identification d'un composé chimique au moyen du spectrofluorimètre 100 précédemment décrit.
Dans une première étape du procédé d'identification selon l'invention, la zone d'étude 101 B de l'objet 101 est illuminée au moyen du flux lumineux d'excitation 1 . C'est dans cette zone d'étude 101 B de l'objet 101 à analyser que l'on recherche la présence du composé chimique.
Ainsi illuminée par les moyens d'excitation lumineuse 1 1 1 , 1 12, 1 13, la zone d'étude 101 B émet le flux lumineux de fluorescence 2, ce flux lumineux de fluorescence 2 étant fonction notamment de la nature des composés chimiques qui sont excités par le flux lumineux d'excitation et qui fluorescent en réponse à cette excitation.
Dans une seconde étape, ce flux lumineux de fluorescence 2 est alors collecté et acheminé grâce aux moyens optiques d'acheminement 121 , 122, 123, 124 vers le spectromètre optique 131 pour son analyse.
Comme représenté sur la figure 1 , le spectromètre optique 131 délivre alors un signal de fluorescence 134 qui est représentatif du spectre lumineux du flux lumineux de fluorescence 2.
On a représenté sur les figures 3 à 5 différentes courbes représentant le signal de fluorescence 134 délivré par les moyens de traitement 133 du spectromètre optique 131 .
Sur chaque courbe, on trouve en abscisses la longueur d'onde du spectre de fluorescence, et en ordonnées la valeur, en unités arbitraires, du flux lumineux de fluorescence à la longueur d'onde considérée.
Une façon de lire ces courbes est de repérer les différentes longueurs d'onde caractéristiques pour lesquelles la valeur du flux lumineux de fluorescence présente un maximum, local ou global. On parle alors de « pics » dans le signal de fluorescence émis par l'objet.
En fonction de la position des longueurs d'onde caractéristiques dans le spectre lumineux mesuré, il est possible, si des spectres de références sont connus, d'identifier quels constituants sont analysés dans la zone d'étude de l'objet.
La courbe de la figure 3 correspond ainsi au signal de fluorescence obtenu grâce au spectrofluorimètre 100 décrit précédemment en analysant trois objets différents à la surface desquels un pigment bleu avait été déposé mélangé à de la gomme arabique et en utilisant la première diode électroluminescente 1 1 1 émettant à 285 nm et le premier filtre optique 121 coupant à 320 nm.
La courbe de la figure 4 correspond au signal de fluorescence obtenu en analysant trois objets différents à la surface desquels un pigment jaune avait été déposé et en utilisant la deuxième diode électroluminescente 1 12 émettant à 375 nm et le deuxième filtre optique 122 coupant à 455 nm.
La courbe de la figure 5 correspond ainsi au signal de fluorescence obtenu en analysant trois objets différents à la surface desquels un pigment rouge avait été déposé mélangé à de la gomme arabique et en utilisant la deuxième diode électroluminescente 1 12 émettant à 375 nm et le deuxième filtre optique 122 coupant à 455 nm.
Sur la figure 4, on peut faire les observations suivantes :
la courbe référencée B1 présente un premier pic à une longueur d'onde d'environ 460 nm caractéristique de la gomme arabique et un deuxième pic à une longueur d'onde d'environ 890 nm correspondant à un pigment bleu dit « bleu égyptien » ;
la courbe référencée B2, qui correspond à de l'azurite, présente le même premier pic à 460 nm caractéristique de la gomme arabique mais aucun deuxième pic n'est observé ;
la courbe référencée B3 présente également le pic dû à la gomme arabique et un autre pic très faible autour de 790 nm correspondant à un pigment bleu qui est de l'indigo.
Sur la figure 5 sont représentés les signaux de fluorescence de l'orpiment (courbe J1 ), du jaune de plomb et d'étain et de l'ocre jaune (courbe J3). Ici, seule la courbe J3 correspondant à l'ocre jaune se détache, avec un pic de fluorescence caractéristique situé autour de 590 nm. L'orpiment (courbe J1 ) et le jaune de plomb et d'étain présentent quant à eux un pic autour de 560 nm environ.
Sur la figure 6, on retrouve pour chacune des trois courbes R1 , R2, R3 le pic caractéristique de la gomme arabique autour de 460 nm.
On trouve également :
pour la courbe référencée R1 : un deuxième pic très important à une longueur d'onde d'environ 630 nm correspondant à un pigment rouge dit « bois de Brésil » ;
pour la courbe référencée R2 : un deuxième pic à une longueur d'onde d'environ 590 nm correspondant à un pigment rouge qui est le minium ;
pour la courbe référencée R3 : un deuxième pic à une longueur d'onde d'environ 640 nm correspondant à un pigment rouge du type cochenille.
On notera par ailleurs que sur chacune de ces courbes, le signal de fluorescence n'est pas parasité par le spectre lumineux d'émission des diodes électroluminescentes.
Ces différentes courbes ont été comparées à celles obtenues avec un spectrofluorimètre du commerce (FluoroLog 2 de la société Horiba Jobin Yvon) et des résultats comparables ont été obtenus.
Dans une troisième étape du procédé d'identification, le signal de fluorescence est traité donc par les moyens informatiques 140 qui identifient, dans une dernière étape, à partir de ce traitement, au moins un composé chimique Ç_ présent dans la zone d'étude 101 B de l'objet 101 analysé.
Cette identification est ici réalisée pour les trois exemples précédemment décrits en comparant les spectres lumineux J1 , J2, J3 ; B1 , B2, B3 ; R1 , R2, R3 du flux lumineux de fluorescence 2 avec au moins un autre spectre lumineux de référence du registre de base de données des moyens informatiques 140.
Ces spectres lumineux de référence sont notamment caractérisés par la présence de pics de fluorescence à différentes longueurs d'onde spécifiques à certains composés chimiques.
Comme décrit précédemment, la reconnaissance d'un pic dans le spectre lumineux pour une longueur d'onde donnée permet alors d'identifier dans la zone d'étude 101 B la présence d'un composé chimique Ç dont le spectre lumineux de référence enregistré dans le registre de base de données comprend un tel pic autour de cette longueur d'onde.
De manière avantageuse, la base de données peut également être enrichie avec les spectres lumineux de fluorescence mesurés grâce au moyen du spectrofluorimètre de l'invention. Il est également possible grâce au registre de base de données d'identifier des mélanges de différents composés chimiques présents dans la zone d'étude de l'objet analysé. Ceci est particulièrement adapté pour l'analyse d'un objet combinant différents supports, pigments, ou liants.
Le spectrofluorimètre de l'invention est portable, léger et présente un coût réduit. Il est de plus évolutif. Son architecture permet de s'approcher au plus près de l'objet à analyser. La tête de mesure de ce spectrofluorimètre peut être portée par un bras robotisé par exemple ou un support de table du genre portique, afin de survoler l'objet à distance constante et ajustée.
Le spectrofluorimètre de l'invention présente ainsi l'avantage d'éviter tout contact avec l'objet à mesurer.
La présente invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté, mais l'homme du métier saura y apporter toute variante conforme à son esprit.

Claims

Revendications
1 . Spectrofluori mètre (100) pour l'analyse d'un objet (101 ) comportant : des moyens d'excitation lumineuse (1 1 1 , 1 12, 1 13) adaptés à illuminer une zone d'étude (101 B) dudit objet (101 ) avec un faisceau lumineux d'excitation (1 ),
des moyens optiques d'acheminement (121 , 122, 123, 124) adaptés à collecter un flux lumineux de fluorescence (2) émis par ladite zone d'étude (101 B) excitée par le faisceau lumineux d'excitation (1 ) et à acheminer ledit flux lumineux de fluorescence (2) vers un spectromètre optique (131 ) pour l'analyse du spectre lumineux (J1 , J2, J3 ; B1 , B2, B3 ; R1 , R2, R3) dudit flux lumineux de fluorescence (2),
caractérisé en ce que les moyens d'excitation lumineuse (1 1 1 , 1 12, 1 13) comprennent une première diode électroluminescente (1 1 1 ) et une deuxième diode électroluminescente (1 12), la première diode électroluminescente (1 1 1 ) émettant à une première longueur d'onde (λ1 ) comprise entre 250 et 300 nm et ledit faisceau lumineux d'excitation (1 ) étant formé de l'un et/ou de l'autre faisceau lumineux généré par chaque diode électroluminescente (1 1 1 , 1 12).
2. Spectrofluorimètre (100) selon la revendication 1 , dans lequel ladite deuxième diode électroluminescente (1 12) émet à une deuxième longueur d'onde (λ2) comprise entre 300 et 500 nm.
3. Spectrofluorimètre (100) selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel lesdits moyens d'excitation lumineuse (1 1 1 , 1 12, 1 13) comprennent une première lentille de focalisation (1 13) pour focaliser ledit faisceau lumineux d'excitation (1 ) sur une surface (101 A) dudit objet (101 ).
4. Spectrofluorimètre (100) selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel lesdits moyens optiques d'acheminement (121 , 122, 123, 124) comprennent une deuxième lentille de focalisation (123) pour acheminer le flux lumineux de fluorescence (2) collecté vers une entrée (132) dudit spectromètre optique (131 ).
5. Spectrofluorimètre (100) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel lesdits moyens optiques d'acheminement (121 , 122, 123, 124) comprennent un premier filtre optique (121 ) et un deuxième filtre optique (122) destinés à éliminer respectivement des parties dudit flux lumineux de fluorescence (2) qui sont émises respectivement à la première longueur d'onde (λ1 ) et à la deuxième longueur d'onde (λ2).
6. Spectrofluorimètre (100) selon la revendication s, dans lequel le premier (121 ) et le deuxième filtre optique (122) sont des filtres passe-haut présentant respectivement une première fréquence de coupure (fd ) égale à 320 nm et une deuxième fréquence de coupure (fc2) égale à 455 nm.
7. Spectrofluorimètre (100) selon l'une des revendications 1 à 6, comportant un système de déplacement (102, 103, 104) des moyens d'excitation lumineuse (1 1 1 , 1 12, 1 13) adaptés à ajuster la position de ladite zone d'étude (101 B) sur l'objet (101 ) et/ou l'orientation dudit faisceau lumineux d'excitation (1 ) par rapport à l'objet (101 ).
8. Spectrofluorimètre (100) selon l'une des revendications 1 à 7, comportant un système de positionnement mécanique (102, 103, 104, 107) en translation et/ou en rotation des moyens optiques d'acheminement (121 , 122, 123, 124) pour maximiser le flux lumineux de fluorescence (2) collecté.
9. Spectrofluorimètre (100) selon les revendications 7 et 8, dans lequel le système de déplacement et le système de positionnement mécanique sont intégrés dans une tête de mesure, et dans lequel il est prévu des moyens commande de ladite tête de mesure.
10. Spectrofluorimètre (100) selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel les moyens optiques d'acheminement (121 , 122, 123, 124) comportent une fibre optique (124) pour acheminer ledit flux lumineux de fluorescence (2) collecté vers ledit spectromètre optique (131 ).
1 1 . Spectrofluorimètre (100) selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel il est prévu des moyens de multiplexage temporel des faisceaux lumineux générés par chacune des deux diodes électroluminescentes et dans lequel ledit spectromètre optique (131 ) est adapté à traiter un flux lumineux de fluorescence (2) multiplexé.
12. Spectrofluorimètre (100) selon l'une des revendications 1 à 1 1 , dans lequel ledit spectromètre optique (131 ) délivre un signal de fluorescence (134) représentatif du spectre lumineux (J1 , J2, J3 ; B1 , B2, B3 ; R1 , R2, R3) dudit flux lumineux de fluorescence (2) et comportant des moyens informatiques (140) adaptés à traiter ledit signal de fluorescence (134) pour identifier au moins un composé chimique (Ç) présent dans ladite zone d'étude (101 B) de l'objet (101 ) analysé.
13. Spectrofluorimetre (100) selon la revendication 12, dans lequel lesdits moyens informatiques (140) comportent un registre de base de données comprenant une pluralité de spectres lumineux de référence associés chacun à un composé chimique particulier, ladite identification d'au moins un composé chimique (Ç_) par lesdits moyens informatiques (140) étant réalisée par comparaison du spectre lumineux (J1 , J2, J3 ; B1 , B2, B3 ; R1 , R2, R3) dudit flux lumineux de fluorescence (2) avec au moins un autre spectre lumineux de référence.
14. Procédé d'identification d'un composé chimique (Ç_) présent dans une zone d'étude (101 B) d'un objet (101 ) à analyser au moyen d'un spectrofluorimètre (100) selon l'une des revendications 12 et 13, comportant des étapes consistant à :
a) illuminer ladite zone d'étude (101 B) de l'objet (101 ) au moyen dudit flux lumineux d'excitation (1 ) ;
b) collecter et acheminer grâce auxdits moyens optiques d'acheminement (121 , 122, 123, 124) ledit flux lumineux de fluorescence (2) émis par ladite zone d'étude (101 B) excitée vers ledit spectromètre optique (131 ) pour l'analyse du spectre lumineux (J1 , J2, J3 ; B1 , B2, B3 ; R1 , R2, R3) dudit flux lumineux de fluorescence (2) ;
c) traiter grâce auxdits moyens informatiques (140) ledit signal de fluorescence (134) représentatif du spectre lumineux (J1 , J2, J3 ; B1 , B2, B3 ; R1 , R2, R3) dudit flux lumineux de fluorescence (2) ; et
d) identifier à partir du traitement de l'étape c) au moins un composé chimique (Ç_) présent dans ladite zone d'étude (101 B) de l'objet (101 ) analysé.
15. Procédé d'identification selon la revendication 14, en dépendance de la revendication 13, selon lequel, à l'étape d), l'identification dudit composé chimique (Ç_) est réalisée en comparant ledit spectre lumineux (J1 , J2, J3 ; B1 , B2, B3 ; R1 , R2, R3) dudit flux lumineux de fluorescence (2) avec au moins un autre spectre lumineux de référence dudit registre de base de données des moyens informatiques (140) du spectrofluorimètre (100).
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