FR3147862A1

FR3147862A1 - Spectromètre optique et microscope Raman comprenant un tel spectromètre

Info

Publication number: FR3147862A1
Application number: FR2303766A
Authority: FR
Inventors: Brice Villier
Original assignee: Horiba France SAS
Current assignee: Horiba France SAS
Priority date: 2023-04-14
Filing date: 2023-04-14
Publication date: 2024-10-18
Anticipated expiration: 2043-04-14
Also published as: KR20250174609A; JP2026512090A; FR3147862B1; WO2024213410A1; CN121219556A; EP4695587A1

Abstract

L’invention concerne un spectromètre optique (10) comprenant : une ouverture (13) configurée pour recevoir un faisceau lumineux source, un premier système optique étant configuré pour recevoir le faisceau lumineux source et former un faisceau lumineux collimaté dirigé vers un réseau de diffraction, le réseau de diffraction étant configuré pour recevoir le faisceau lumineux collimaté et pour former un faisceau lumineux diffracté, un second système optique étant configuré pour former une image du faisceau lumineux diffracté sur un capteur d’image. Selon l’invention, le capteur d’image est un capteur CMOS comportant des pixels (34) agencés en N lignes orientées dans une direction inclinée à un angle alpha de la direction de diffraction spectrale de l’image du faisceau lumineux diffracté, où alpha est inférieur à 10 degrés, N est supérieur ou égal à 3, chaque pixel a une hauteur et une largeur définissant un rapport d’aspect du pixel supérieur à deux. Figure pour l’abrégé : Fig.1

Description

Spectromètre optique et microscope Raman comprenant un tel spectromètre

Domaine technique de l'invention

La présente invention concerne de manière générale les spectromètres optiques.

Elle concerne plus particulièrement un spectromètre optique comprenant une ouverture configurée pour recevoir un faisceau lumineux source, un premier système optique, un réseau de diffraction, un second système optique et un capteur d’image, le premier système optique étant disposé et configuré pour recevoir le faisceau lumineux source et former un faisceau lumineux collimaté dirigé vers le réseau de diffraction, le réseau de diffraction étant positionné de manière à recevoir le faisceau lumineux collimaté et configuré pour former un faisceau lumineux diffracté, et le second système optique étant disposé et configuré pour former une image du faisceau lumineux diffracté sur le capteur d’image.

L’invention trouve une application particulièrement avantageuse dans la microscopie Raman.

Elle concerne également un microscope Raman.

Etat de la technique

En spectrométrie, et plus précisément en spectrométrie Raman, la résolution spectrale et la résolution en imagerie sont des paramètres clés à optimiser. Souvent, la résolution spectrale est privilégiée au détriment de la résolution en imagerie, donnant lieu à des spectres étalés en hauteur (c’est-à-dire selon une direction perpendiculaire à la direction de dispersion spectrale) à cause d’une aberration optique appelée l’astigmatisme.

Le spectre est alors composé de lignes spectrales enregistrées généralement par un capteur matriciel de type CCD ou CMOS composés de pixels carrés. Les lignes spectrales s’étalent donc sur plusieurs pixels, et les différentes valeurs des pixels sont additionnées pour obtenir la valeur du signal spectral.

Cette technique est couteuse en temps (le temps de lecture de plusieurs pixels est plus élevé que pour un pixel pour un capteur CCD) et en bruit (par exemple, pour un capteur CMOS, chaque pixel acquiert un bruit de lecture B, le bruit total associé à la lecture de N pixels est ainsi ).

D’autres types de capteurs existent, tel que des capteurs CCD comportant une seule ligne de pixels rectangulaires. Ces capteurs sont composés de pixels ayant une surface importante (permettant de capturer toute la hauteur du spectre en un pixel pour toutes les longueurs d’onde), générant un bruit de mesure important car le courant d’obscurité est proportionnel à la surface du pixel. De plus, ces capteurs ne permettent pas de faire de la spectrométrie Raman à haute performance. En effet, pour faire de la spectrométrie Raman, et plus précisément de la microscopie Raman, il peut s’avérer nécessaire d’imager plusieurs spectres simultanément sur la hauteur du détecteur.

Il existe un besoin pour un spectromètre optique imageur fournissant à la fois une bonne résolution spectrale et capable d’imager un ou plusieurs spectres simultanément, avec un bruit de mesure réduit et un temps de lecture limité.

Présentation de l'invention

Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente divulgation concerne un spectromètre optique comprenant une ouverture configurée pour recevoir un faisceau lumineux source, un premier système optique, un réseau de diffraction plan, un second système optique et un capteur d’image, le premier système optique étant disposé et configuré pour recevoir le faisceau lumineux source et former un faisceau lumineux collimaté dirigé vers le réseau de diffraction, le réseau de diffraction étant positionné de manière à recevoir le faisceau lumineux collimaté et configuré pour former un faisceau lumineux diffracté, et le second système optique étant disposé et configuré pour former une image du faisceau lumineux diffracté sur le capteur d’image.

Selon l’invention, le capteur d’image est un capteur CMOS comportant des pixels agencés en N lignes orientées dans une direction inclinée au plus d’un angle alpha par rapport à la direction de diffraction spectrale de l’image du faisceau lumineux diffracté, où l’angle alpha est inférieur à 10 degrés, N étant un nombre entier supérieur ou égal à 3, chaque pixel a une hauteur h et une largeur w définissant un rapport d’aspect du pixel R=h/w, dans lequel les pixels ont tous la même hauteur h et la même largeur w et le rapport d’aspect du pixel R est supérieur à 2.

La présente divulgation propose l’utilisation d’un capteur CMOS comportant plusieurs lignes de pixels rectangulaires.

Ainsi, grâce à l’utilisation d’un capteur CMOS, le temps de lecture est diminué. Le rapport d’aspect est adapté pour diminuer le bruit de mesure. De plus, l’utilisation d’au moins trois lignes de pixels permet d’utiliser le spectromètre pour des applications d’imagerie (par exemple, de la microscopie Raman) ou pour des applications de spectro-polarimétrie.

De préférence, le rapport d’aspect du pixel R est inférieur ou égal à 20.

Dans un exemple de réalisation, chaque ligne du capteur comprend M pixels, M étant compris entre 512 et 4096.

Avantageusement, les pixels sont agencés en M colonnes.

Selon un aspect particulier, le capteur d’image comprend un système électronique configuré pour collecter et sommer les valeurs de pixels d’une même colonne.

Selon un mode de réalisation, le nombre de lignes N est inférieur ou égal à 256, ou même128.

Selon un autre aspect particulier, la hauteur d’un pixel h est comprise 6 micromètres et 300 micromètres et la largeur w d’un pixel est comprise entre 2 micromètres et 50 micromètres.

Dans un exemple de réalisation, l’ouverture est une fente d’entrée rectangulaire ayant une hauteur de fente Hf. Dans un autre mode de réalisation, l’ouverture comprend au moins une ouverture circulaire ou carrée.

De façon optionnelle, le spectromètre optique comprend un séparateur optique de polarisation disposé et configuré pour séparer le faisceau lumineux diffracté en deux faisceaux polarisés, le spectromètre optique étant configuré pour former simultanément une image de chacun des deux faisceaux polarisés sur le capteur d’image et dans lequel l’image d’un des deux faisceaux polarisés est séparée de l’image d’un autre des deux faisceaux polarisés par au moins une ligne de pixels.

L’invention concerne aussi un microscope Raman comportant un spectromètre optique selon la présente divulgation.

De façon avantageuse, l’ouverture comprend au moins deux diaphragmes confocaux, le spectromètre optique étant configuré pour former simultanément une image de chacun des au moins deux diaphragmes confocaux sur le capteur d’image et chaque image d’un diaphragme confocal est séparée d’une autre image d’un autre diaphragme confocal par au moins une ligne de pixels.

Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

Description détaillée de l'invention

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 :

est une vue schématique d’un spectromètre optique selon un premier mode de réalisation ;

est une vue schématique d’un spectromètre optique selon un deuxième mode de réalisation ;

est une vue schématique d’un spectromètre optique selon un troisième mode de réalisation ;

est une vue schématique du détecteur du spectromètre selon l’un quelconque des modes de réalisation ;

est une vue d’un exemple d’image de spectrométrie obtenue sur un spectromètre équipée d’un capteur CMOS selon la présente divulgation ;

est une vue illustrant, à gauche, une ouverture comprenant trois diaphragmes confocaux et, à droite, l’image spectrale correspondante obtenue sur un spectromètre équipée d’un capteur CMOS selon la présente divulgation ; et

est une vue schématique d’un microscope Raman tel que décrit par l’invention.

Sur la , un spectromètre optique 10 selon un premier mode de réalisation est représenté. Le spectromètre optique 10 permet d’analyser un faisceau lumineux provenant d'une source lumineuse 12, qui est généralement une lumière externe.

La source lumineuse 12 peut par exemple provenir d'une extrémité d'un câble comportant plusieurs fibres optiques superposées fournissant de la lumière au spectromètre optique 10.

Le spectromètre optique 10 comprend un boîtier 11 avec une ouverture 13 (ou un hublot) configurée pour recevoir le faisceau lumineux. L'ouverture 13 peut prendre la forme d'un trou rectangulaire ou circulaire, ou d'une fente. L’ouverture 13 a une hauteur Hf dans le sens perpendiculaire au plan de la figue 1.

La source lumineuse 12 peut être générée à partir de n'importe quelle source comprenant des parties du spectre ou le spectre entier. Selon l’application, la source lumineuse 12 émet ici de la lumière dans un spectre optique discret ou continu, s’étendant par exemple de l’ultra-violet à l’infrarouge (260 nm – 2 µm).

La lumière provenant de la source 12 pénètre dans le boîtier sous la forme d'un faisceau d'entrée 16 qui diverge du point d'entrée 14 vers un premier système optique 18. Ici, le premier système optique 18 est un miroir de collimation concave à courbure sphérique. Le premier système optique 18 redirige la lumière sous la forme d'un faisceau 20 collimaté, comme illustré sur la , sur un réseau de diffraction 22.

Le réseau de diffraction 22 est plan et formé de traits 24 droits, parallèles et régulièrement espacés. Les traits du réseau de diffraction 22 sont ici perpendiculaires au plan de la figue 1. Le réseau de diffraction 22 est ici réfléchissant, il est positionné pour recevoir et réfléchir le faisceau lumineux collimaté, et former un faisceau lumineux diffracté 20 dans différentes directions en fonction des différentes longueurs d’onde présentes dans me spectre de la source lumineuse 12.

Sur la , de façon schématique, chaque rayon incident sur le réseau de diffraction 22 est dispersé en trois rayons formant le faisceau diffracté spectralement. Naturellement, la diffraction dépend de la source lumineuse 12 et n’est pas restreinte à trois longueurs d’onde. Après réflexion sur le réseau de diffraction 22, les faisceaux diffractés 26 sont collimatés. Les faisceaux diffractés 26 sont dirigés sur un second système optique 28.

Le second système optique 28 est ici un miroir de focalisation concave. Le second système optique 28 focalise les faisceaux lumineux 26 en un faisceau de sortie 30 qui est dirigé vers un capteur d’image 32. Autrement dit, le second système optique 28 forme une image du faisceau diffracté sur le capteur d’image 32.

Dans un deuxième mode de réalisation du spectromètre optique 10, illustré sur la , le réseau de diffraction 22 est un réseau fonctionnant en transmission. De plus, le premier système optique 18 est un système optique réfractif comprenant par exemple une lentille de collimation et le second système optique 28 est un système optique réfractif comprenant par exemple une lentille de focalisation du faisceau de sortie 30 sur le capteur d’image 32.

Dans un troisième mode de réalisation, illustré sur la , le spectromètre optique 10 est de type Czerny-Turner. Le réseau de diffraction 22 est un réseau fonctionnant en réflexion. Le premier système optique 18 est un système optique réflectif et le second système optique 28 est aussi un système optique réflectif. Cette configuration permet de replier les chemins optiques et d’obtenir un spectromètre plus compact.

Bien sûr, il existe d’autres configurations connues de spectromètres optiques qui entrent aussi dans le cadre de la présente divulgation. En particulier, le spectromètre optique peut être dans une configuration non planaire. Le spectromètre optique 10 peut aussi comporter plusieurs réseaux de diffraction 22 disposés en série sur le trajet du faisceau lumineux de façon à augmenter la dispersion spectrales du faisceau lumineux.

Comme le montrent les figures 1-3, chaque longueur d’onde est focalisée en une tache image 31 différente le long du capteur d’image 32 dans la direction de diffraction spectrale. La direction de diffraction spectrale est située dans un plan perpendiculaire aux traits du réseau de diffraction 22 pour un spectromètre optique 10 en configuration planaire. Chaque tache image 31 est appelée raie spectrale. La taille de la tache image 31 sur le capteur d’image 32 pour une longueur d'onde particulière de la lumière, c’est-à-dire perpendiculairement à la direction de diffraction spectrale, est dépendante de la taille de la tâche d'entrée 14 et des rapports de diverses géométries des composants optiques et de leur placement dans le système optique. La largeur de la tâche imagée dans la direction de la diffraction spectrale (qui est la même direction que la longueur du capteur d’image 32) détermine la résolution spectrale du spectromètre optique 10. Le design optique du spectromètre optique 10 est généralement défini pour maximiser la résolution spectrale.

De plus, les faisceaux lumineux 16, 20 et 26, 30 étant réfléchis ou transmis par des systèmes optiques 18, 28 présentant des courbures et hors axe, la distance focale effective des systèmes optiques 18, 28 dans le plan "tangentiel" ou "méridional" de la , 2 ou 3 est plus courte que la distance focale effective des systèmes optiques dans le plan "sagittal" perpendiculaire au plan du dessin. Par conséquent, lorsque le point image est focalisé dans le plan tangentiel, il n'est pas parfaitement focalisé dans le plan sagittal par le second système optique 28. Les faisceaux lumineux 30 forment alors une ligne de lumière de chaque longueur d’onde sur le détecteur perpendiculairement au plan de la , plutôt qu'un point. C'est ce qu'on appelle l’astigmatisme. Un spectre imagé sur un capteur d’image 32 et comportant de l’astigmatisme est présenté en .

On a représenté sur la trois points sources 15, 17, 19 disposés sur la fente d’entrée 13 du spectromètre optique. Les points sources 15, 17, 19 correspondent par exemple aux extrémités de trois fibres optiques ou encore à l’image d’une source spatialement étendue. Chaque point source15, respectivement 17, 19 produit sur le capteur d’image 32 d’un spectromètre optique 10 un spectre 55, respectivement 57, 59. A titre d’exemple, les spectres 55, 57, 59 sont ici des spectres continus dans le domaine spectral considéré. Pour chaque spectre 55, 57, 59, on a indiqué par deux traits pointillés l’élargissement de la tache image dû à l’astigmatisme dans une direction transverse à la direction de diffraction spectrale, autrement dit dans le sens de la hauteur des pixels.

L’astigmatisme dépend de plusieurs paramètres dont la longueur d’onde. Autrement dit, la hauteur de l’aberration et donc de l’image sur le capteur dépend de la longueur d’onde. On observe par exemple sur la que l’astigmatisme est plus important aux deux extrémités de chaque spectre. On appelle Hmax la hauteur maximale de l’aberration, c’est-à-dire d’une ligne spectrale, dans les conditions d’utilisation du spectromètre optique 10 (notamment la plage de longueur d’onde, ou encore l’orientation du réseau).

Si la ligne de lumière est plus grande que la hauteur du capteur d’image 32, l’excès de lumière est perdu et la sensibilité du spectromètre optique 10 est réduite. Le capteur d’image 32 est ici choisi pour avoir une hauteur totale H supérieure à une valeur seuil, définie par la hauteur maximale Hmax.

Sur la , le capteur d’image 32 est représenté schématiquement. Le capteur d’image 32 comporte ici des pixels 34 agencés en N lignes, où N est un nombre entier. N est supérieur ou égal à 3. De préférence N est inférieur ou égal à 128. Le capteur d’image 32 a une hauteur H et une largeur L. Par exemple, la hauteur H et une largeur L sont de H=6mm et L=25mm. Typiquement, la hauteur H est comprise entre 1 mm et 10 mm, et la longueur L comprise entre 6mm et 30mm.

Le capteur d’image 32 est disposé de façon à ce que les lignes de pixels soient orientées dans une direction inclinée au plus d’un angle alpha par rapport à la direction de diffraction spectrale de l’image du faisceau lumineux diffracté, où l’angle alpha est inférieur à 10 degrés et de préférence inférieur à 5 degrés. De façon avantageuse, les lignes de pixels 34 sont orientées parallèlement à la direction de diffraction spectrale de l’image du faisceau lumineux diffracté, autrement dit l’angle alpha est nul.

De préférence, chaque ligne comprend M pixels 34, M étant compris entre 512 et 4096. De plus, les pixels 34 sont généralement agencés en colonne de sorte que les pixels 34 forment une matrice sur le capteur d’image 32. De préférence, tous les pixels 34 du capteur d’image 32 ont la même largeur w et la même hauteur h. Par exemple, la hauteur h d’un pixel 34 est comprise entre 6 micromètres (µm) et 300 µm, et la largeur w d’un pixel 34 est comprise entre 2 µm et 50 µm.

Chaque pixel 34 a une hauteur h et une largeur w définissant un rapport d’aspect du pixel 34 R=h/w. Le rapport d’aspect du pixel 34 R est supérieur à 2.

L’avantage de l’utilisation d’un tel capteur d’image 32 est que contrairement à un détecteur classique à pixels carrés, le rapport d’aspect des pixels 34 permet de recevoir une raie spectrale 31 sur un seul pixel 34. Le bruit de lecture associé à la mesure spectrale correspond alors au bruit de lecture d’un seul pixel 34.

Autrement dit, la grande hauteur h de pixel 34 permet de diminuer le bruit de lecture en faisant en sorte que la lumière d’une raie spectrale soit mesurée sur un pixel 34 en hauteur malgré une aberration verticale significative.

En variante, une raie spectrale peut être mesurée sur deux ou trois pixels d’une même colonne, par sommation des intensités détectées sur ces deux ou trois pixels de la même colonne. Le bruit de lecture associé à cette somme sur deux ou trois pixels reste toujours faible par rapport à un détecteur classique où il est nécessaire de sommer sur au moins deux fois plus de pixels.

Une raie spectrale ayant une largeur spectrale plus ou moins fine selon la raie mesurée et selon les caractéristiques du spectromètre optique 10, il est également prévu qu’une raie spectrale puisse être mesurée sur un ou plusieurs pixels d’une même ligne.

Le capteur d’image 32 est ici un capteur CMOS. La hauteur de pixel 34 ne doit pas être trop grande pour permettre une bonne efficacité de fonctionnement du circuit CMOS. Le rapport d’aspect R est ici inférieur à 20. La hauteur h du pixel 34 et le rapport d’aspect R permettent de conserver les performances en termes de rapport signal à bruit du capteur d’image 32.

De plus, la technologie des capteurs CMOS permet d’enchaîner l’acquisition de spectres en 2D à une vitesse beaucoup plus élevée qu’une caméra CCD classique ayant le même nombre de pixels 34. En pratique, l’acquisition d’une image sur un détecteur CCD de 2048x2048 pixels 34 prend environ 4 secondes, tandis que l’acquisition d’une image sur un détecteur CMOS de même nombre de pixels 34 est quasiment instantanée, de l’ordre de 20 ms.

De façon particulièrement avantageuse, le capteur d’image 32 comprend un système de mesure comportant un dispositif de convertisseur analogique-numérique à colonne parallèle (ou « Parallel column ADC» en anglais), c’est-à-dire que le capteur d’image 32 comporte un convertisseur analogique-numérique (dit « ADC » de l’anglosaxon « Analog to Digital Converter ») par colonne. Un tel dispositif permet de lire simultanément tous les M pixels 34 d’une même ligne et de gagner environ un facteur M en temps de lecture.

En outre, afin de gagner du temps de traitement de données, le système de mesure peut aussi sommer les valeurs des pixels 34 sur une portion déterminée de plusieurs pixels 34 adjacents d’une même colonne.

Un tel capteur d’image 32 à pixel 34 rectangulaire de rapport d’aspect compris entre 2 et 20 présente donc des performances de vitesse et/ou de rapport signal sur bruit améliorées par rapport aux spectromètre optique 10 utilisant des capteurs matriciels à pixels 34 carrés ou de faible rapport d’aspect.

Les détecteurs CMOS présentent une sensibilité bien comparable aux détecteurs CCD, qui présentent eux-mêmes un bruit électronique plus élevé que les détecteurs photomultiplicateurs (PM), mais un rendement quantique bien supérieur. De plus, les détecteurs CMOS présentent une gamme dynamique beaucoup plus réduite que les détecteurs PM. Enfin, les détecteurs CMOS ont un coût plus faible comparés aux détecteurs CCD.

De plus, l’agencement des pixels 34 en plusieurs lignes permet de corriger des dérives thermiques ou mécaniques qui peuvent être une des limites en performance des spectromètres optiques 10. Par exemple, dans le cas de spectromètre optique 10 utilisant plusieurs réseaux de diffraction, l’orientation des traits (qui détermine la direction de diffraction spectrale), peut être différente entre plusieurs réseaux, ou bien évoluer dans le temps. Il est alors avantageux d’avoir plusieurs lignes de pixels afin de pouvoir obtenir le spectre en sommant des pixels 34 selon un profil qui n’est pas exactement vertical.Par exemple, une raie spectrale peut être inclinée d’un angle beta par rapport à la verticale définie par les colonnes du capteur d’image 32, beta étant inférieur à 10 degrés (voir ). Cet aspect de l’invention permet d’obtenir une excellente résolution spectrale par rapport à l’utilisation d’un capteur à une seule ligne de pixels 34 rectangulaires.

En outre, il est avantageux de paramétrer le nombrepde lignes de pixels 34 rectangulaires lues et sommées pour obtenir chaque spectre, où p est un nombre entier supérieur ou égal à 1. En effet, selon les longueurs d’onde et la configuration du spectromètre optique 10, la hauteur du spectre sur le capteur d’image 32 peut varier (voir ). Il est alors bien entendu utile de prendre en compte toute la hauteur desplignes de pixels L5, respectivement L7, L9, du capteur d’image 32 sur lesquelles se trouve le spectre 55, respectivement 57, 59. Il est aussi avantageux de pouvoir exclure de cette somme les groupes de lignes L6, L8, L10 de pixels 34 non éclairés, susceptibles d’ajouter uniquement du bruit de lecture. Ce fonctionnement, bien que similaire à celui d’un capteur classique à pixels 34 carrés, offre l’avantage d’utiliser un nombrepde lignes plus faible qu’un capteur classique et donc de présenter un meilleur signal à bruit. La lecture étant très rapide, une première mesure permet éventuellement de sélectionner les groupes de lignes de pixels L5, respectivement L7, L9, comportant le signal spectral.

L’agencement des pixels 34 en lignes présente en outre l’avantage de permettre de mesurer plusieurs spectres simultanément sur différentes lignes du capteur d’image 32, comme illustré en . Cette application est particulièrement avantageuse en spectro-polarimétrie pour permettre d’imager les différentes composantes de polarisation d’un faisceau sur différentes lignes de pixels. Cette application trouve aussi des applications en microscopie Raman par exemple, pour former l’image spectrale de différents points de l’échantillon à analyser sur différentes lignes du spectromètre optique 10.

La représente schématiquement un microscope Raman 100 comprenant un spectromètre optique 10, par exemple selon le deuxième mode de réalisation.

Le microscope Raman 100 comprend une source laser 44 qui envoie un faisceau laser. Le faisceau laser est réfléchi par un premier miroir 47 puis focalisé sur un échantillon 42 à étudier par une lentille de collimation 43. L’échantillon 42 est excité par le laser et émet de la lumière qui repasse par la lentille de collimation 43, créant un faisceau collimaté.

Le faisceau collimaté est réfléchi par un second miroir 46 et focalisé sur l’ouverture 13 du spectromètre optique 10. L’ouverture 13 du spectromètre optique 10 comprend ici par exemple un diaphragme confocal.

Le faisceau collimaté traverse un premier système optique 18. Le premier système optique 18 est ici par exemple une lentille de collimation, et permet de collimater le faisceau lumineux après son passage dans l’ouverture 13 du spectromètre optique 10.

Le faisceau sortant du premier système optique 18 traverse un séparateur de polarisation 41 configuré pour séparer le faisceau en deux faisceaux de polarisations orthogonales. Le séparateur de faisceau 41 peut par exemple être un prisme de Wollaston. En variante, le séparateur de faisceau 41 peut être une lame semi-réfléchissante ou un prisme de Rochon.

Les deux faisceaux polarisés et séparés spatialement traversent ensuite le réseau de diffraction 22. Ici, le réseau de diffraction 22 est un réseau par transmission. Le réseau de diffraction 22 permet de diffracter les faisceaux polarisés.

Les faisceaux diffractés sont focalisés sur le capteur d’image 32 grâce au second système optique 28 (non représenté la par simplification). Le second système optique 28 est ici un miroir sphérique ou faiblement torique. Le capteur d’image 32 reçoit deux images polarisées de l’ouverture 13 du spectromètre optique 10. Les deux images polarisées sont formées sur des lignes de pixels distinctes du capteur d’image 32.

Afin de pouvoir séparer les deux spectres facilement, le spectromètre optique 10 est configuré de façon à ce que les deux images polarisées soient séparées d’au moins une ligne de pixels 34 sur le capteur d’image 32. De préférence, les deux images polarisées peuvent être séparées de trois lignes de pixels 34 (chaque spectre est encadré d’une ligne de pixels 34 noirs, c’est-à-dire une ligne de pixels ne recevant aucun flux lumineux, pour s’assurer d’avoir le spectre entier, plus une autre ligne de pixels noirs pour être certain de la séparation des spectres). Une mesure préalable permet de déterminer les positions des lignes de pixels éclairés et des lignes de pixels noirs, qui dépendent essentiellement du design optique et pas de l’échantillon considéré.

En option, le microscope Raman 100 comporte avantageusement une lame d’onde 48 située avant l’ouverture 13 du spectromètre optique 10 (dans le sens de la lumière) afin de pouvoir faire tourner la polarisation à l’entrée du spectromètre optique 10.

La présente un exemple de mesure spectrale de l’échantillon 42 avec le microscope Raman 100 de la . On observe deux spectres polarisés 51,53 séparés par un espace vide 52 correspondant à une ou plusieurs lignes de pixels, par exemple trois lignes de pixels. Les spectres polarisés 51, 53 ont les mêmes composantes spectrales mais chaque composante spectrale n’a pas la même intensité. Chaque spectre 51, 53 est encadré par deux espaces de pixels noirs. Le premier spectre 51 (le plus en haut) est encadré par deux zones de pixels noirs 50, 52. Le second spectre 53 (le plus en bas) est encadré par deux zones de pixels noirs 52, 54.

En variante, l’ouverture 13 peut comprendre au moins deux diaphragmes confocaux. Dans ce cas, au moins deux faisceaux issus de l’échantillon 42 sont observés simultanément.

Le spectromètre optique 10 est alors configuré pour imager les deux diaphragmes confocaux sur le capteur d’image 32. Les deux images sont séparées d’au moins une ligne de pixel 34, et de préférence de trois lignes de pixels 34.

De la même manière, l’ouverture 13 peut comprendre plus de deux diaphragmes confocaux, par exemple trois, comme par exemple illustré sur la . Le raisonnement s’applique de la même manière au nombre de diaphragmes confocaux présents.

Dans le cas où le spectromètre optique 10 est utilisé pour analyser P taches lumineuses séparées en entrée, le capteur d’image 32 comprend de préférence au moins 2P+1 lignes de pixels 34 rectangulaires permettant que les images spectrales des P taches soient suffisamment séparées pour ne pas être confondues et que chaque image spectrale soit encadrée par deux lignes noires (une ligne de pixels noirs en-dessous et une ligne de pixels noirs au-dessus) pour acquérir toute la hauteur du spectre sans ambiguïté.

La présente invention n’est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais l’homme du métier saura y apporter toute variante conforme à la présente divulgation.

Claims

Spectromètre optique (10) comprenant :
au moins une ouverture (13) configurée pour recevoir un faisceau lumineux source, un premier système optique (18), un réseau de diffraction (22) plan, un second système optique (28) et un capteur d’image (32),
le premier système optique (18) étant disposé et configuré pour recevoir le faisceau lumineux source et former un faisceau lumineux collimaté dirigé vers le réseau de diffraction (22), le réseau de diffraction (22) étant positionné de manière à recevoir le faisceau lumineux collimaté et configuré pour former un faisceau lumineux diffracté, et
le second système optique (28) étant disposé et configuré pour former une image du faisceau lumineux diffracté sur le capteur d’image (32),
caractérisé en ce que :
le capteur d’image (32) est un capteur CMOS comportant des pixels (34) agencés en N lignes orientées dans une direction inclinée au plus d’un angle alpha par rapport à la direction de diffraction spectrale de l’image du faisceau lumineux diffracté, où l’angle alpha est inférieur à 10 degrés,
N étant un nombre entier supérieur ou égal à 3, chaque pixel (34) a une hauteur h et une largeur w définissant un rapport d’aspect du pixel R=h/w, dans lequel les pixels (34) ont tous la même hauteur h et la même largeur w et dans lequel le rapport d’aspect du pixel R est supérieur à 2.
Spectromètre optique (10) selon la revendication 1, dans lequel le rapport d’aspect du pixel R est inférieur ou égal à 20.
Spectromètre optique (10) selon l’une des revendications 1 à 2, dans lequel chaque ligne du capteur d’image (32) comprend M pixels, M étant compris entre 512 et 4096.
Spectromètre optique (10) selon la revendication 3, dans lequel les pixels (34) sont agencés en M colonnes.
Spectromètre optique (10) selon la revendication 4, dans lequel le capteur d’image (32) comprend un système électronique configuré pour collecter et sommer les valeurs de pixels (34) d’une même colonne.
Spectromètre optique (10) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le nombre de lignes N est inférieur ou égal à 256.
Spectromètre optique (10) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la hauteur h d’un pixel (34) est comprise entre 6 micromètres et 300 micromètres, et dans lequel la largeur w d’un pixel (34) est comprise entre 2 micromètres et 50 micromètres.
Spectromètre optique (10) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel ladite au moins une ouverture (13) est une fente d’entrée rectangulaire ayant une hauteur de fente (Hf) ou dans lequel ladite au moins une ouverture (13) comprend au moins une ouverture circulaire ou carrée.
Spectromètre optique (10) selon l’une des revendications 1 à 8, comprenant un séparateur optique de polarisation (41) disposé et configuré pour séparer le faisceau lumineux diffracté en deux faisceaux polarisés, le spectromètre optique (10) étant configuré pour former simultanément une image de chacun des deux faisceaux polarisés sur le capteur d’image (32) et dans lequel l’image d’un des deux faisceaux polarisés est séparée de l’image d’un autre des deux faisceaux polarisés par au moins une ligne de pixels.
Microscope Raman (100) comportant un spectromètre optique (10) selon l’une des revendications 1 à 9.
Microscope Raman (100) selon la revendication 10, dans lequel ladite au moins une ouverture (13) comprend au moins deux diaphragmes confocaux (15, 17, 19), dans lequel le spectromètre optique (10) est configuré pour former simultanément une image (55, 57, 59) de chacun des au moins deux diaphragmes confocaux (15, 17, 19) sur le capteur d’image (32) et dans lequel chaque image d’un diaphragme confocal est séparée d’une autre image d’un autre diaphragme confocal par au moins une ligne de pixels.