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Dispositif d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif d'émission d'un faisceau
lumineux de spectre contrôlé, mettant en oeuvre des moyens de multiplexage
spectral innovants. On parle de multiplexage spectral pour désigner la
combinaison spatiale de plusieurs faisceaux lumineux contribuant chacun à la
composition spectrale finale d'un faisceau lumineux combiné.
Le domaine de l'invention est plus particulièrement mais de manière non
limitative celui du multiplexage spectral d'au moins deux longueurs d'onde
émises chacune par une source lumineuse distincte. Les sources lumineuses
distinctes sont notamment des sources quasi-monochromatiques.
Etat de la technique antérieure
On connaît dans l'art antérieur différents dispositifs d'émission d'un
faisceau lumineux de spectre contrôlé.
On connaît par exemple du document Multispectral absorbance
photometry with a single light detector using frequency division mutiplexing
de G. K. Kurup et A. S. Basu (14th International Con ference on Miniaturized
Systems for Chemistry and Life Sciences, 3-7 October 2010, Groningen, The
Netherlands) un spectrophotomètre comportant une pluralité de diodes
électroluminescentes (ci-après désignées LEDs pour l'anglais light-emitting
diodes ) émettant à des longueurs d'onde différentes : dans le bleu à 470
nanomètres (nm), dans le vert à 574 nm, et dans le rouge à 636 nm.
Selon ce document, les différents faisceaux lumineux émis par les trois
LEDs sont chacun couplés avec une fibre optique respective, puis un
multiplexeur fibré ( fiber splitter , en anglais) combine et mélange ces
différents faisceaux lumineux.
Un inconvénient d'un tel dispositif est qu'il est difficile de coupler
efficacement le faisceau lumineux émis par une LED avec une fibre optique,
dont l'ouverture numérique est généralement limitée relativement à la
divergence du faisceau lumineux émis par la LED. Les pertes d'intensité
lumineuse sont donc conséquentes. En outre, l'alignement de la LED avec la
fibre optique correspondante doit être très précis ce que limite les
possibilités
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de production industrielle et de répétabilité des alignements. De plus, les
multiplexeurs fibrés ont un coût important.
On connaît également la source pour microscope Colibri commercialisé
par la société Zeiss, dans lequel quatre faisceaux respectivement à 400 nm,
470 nm, 530 nm et 625 nm, sont combinés grâce à un bloc comprenant des
miroirs et réflecteurs dichroïques. Grâce à des jeux de réflexions internes,
les
quatre faisceaux forment en sortie un unique faisceau de lumière blanche.
Un inconvénient d'un tel dispositif est que le nombre de faisceaux que
l'on peut combiner est limité et peut difficilement dépasser le nombre de
quatre. En outre, plus le nombre de faisceaux que l'on souhaite combiner est
élevé, plus l'agencement de miroirs dichroïques est complexe, coûteux, et de
faible rendement énergétique.
Un objectif de la présente invention est de proposer un
dispositif d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé qui ne
présente pas les inconvénients de l'art antérieur. En particulier, dont les
moyens de multiplexage spectral ne présentent pas les inconvénients de l'art
antérieur.
En particulier, un objectif de la présente invention est de proposer un
dispositif d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé, simple dans
son principe et sa réalisation, permettant notamment d'être réalisé en
plusieurs exemplaires avec une bonne reproductibilité.
Un autre objectif de la présente invention est de proposer un
dispositif d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé, permettant
de mélanger plus de trois voire quatre faisceaux de lumière, par exemple
douze.
Un autre but de la présente invention est de proposer un dispositif
d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé à faible coût.
Un autre but de la présente invention est de proposer un
dispositif d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé de bon
rendement énergétique, dans lequel les pertes énergétiques sont minimisées.
Exposé de l'invention
Cet objectif est atteint avec un dispositif d'émission d'un faisceau
lumineux de spectre contrôlé comportant au moins deux sources lumineuses
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distinctes émettant chacune un faisceau lumineux à au moins une longueur
d'onde A1 respectivement A2, ainsi que des moyens de multiplexage spectral.
Selon l'invention, les moyens de multiplexage spectral comportent un
ensemble optique formé d'au moins une lentille et/ou un prisme optique, ledit
ensemble optique présentant des propriétés de dispersion chromatique et
étant agencé pour être traversé par les faisceaux lumineux des sources
lumineuses distinctes, sans réflexion spectralement sélective, et pour
rapprocher spatialement lesdits faisceaux lumineux, de façon que les moyens
de multiplexage spectral superposent spatialement
lesdits faisceaux
lumineux.
Selon l'invention, le dispositif d'émission est en outre agencé de façon
que chaque faisceau lumineux à au moins une longueur d'onde A1
respectivement A2 se propage en espace libre depuis la source lumineuse
correspondante jusqu'à l'ensemble optique.
A chaque source lumineuse est associée une longueur d'onde respective.
Dans toute la suite, lorsqu'on parlera de longueur d'onde d'une source, ou
longueur d'onde d'émission d'une source, ou longueur d'onde A1
respectivement A2 d'une source, on désignera cette longueur d'onde associée.
Chaque source peut émettre à d'autres longueurs d'onde outre cette longueur
d'onde associée. Chaque faisceau lumineux à au moins une longueur d'onde
A1 respectivement A2 présente en tout état de cause une certaine largeur
spectrale.
Les faisceaux lumineux superposés forment un faisceau dit superposé ou
multiplexé. Les faisceaux lumineux peuvent être superposés en un point, ou
préférentiellement à l'infini, formant alors un unique faisceau multiplexé
collimaté.
L'ensemble optique, grâce à ses propriétés de dispersion chromatique,
peut transformer un faisceau lumineux multicolore (c'est-à-dire comprenant
au moins deux longueurs d'onde) en au moins deux faisceaux lumineux
chacun à une longueur d'onde respective.
Ainsi, par le principe du retour inverse de la lumière, des faisceaux
lumineux chacun à au moins une longueur d'onde, peuvent être rapprochés
spatialement en sortie de l'ensemble optique. C'est dans ce sens d'utilisation
que l'on choisit d'utiliser l'ensemble optique, dans le dispositif selon
l'invention. On peut considérer que le dispositif selon l'invention est un
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spectromètre optique inversé , n'utilisant ni réseau de diffraction ni roue à
filtre.
Le terme de dispersion chromatique selon l'invention inclut les
aberrations chromatiques.
L'ensemble optique est formé par au moins une lentille et/ou un prisme
optique, et il n'y a pas de réflexion spectralement sélective (c'est-à-dire de
réflexion d'une portion de faisceau lumineux à certaines longueurs d'onde
seulement, la portion du faisceau lumineux aux autres longueurs d'onde étant
soit transmise, soit déviée dans une autre direction privilégiée). Notamment,
il n'y a pas de réflecteur dichroïque ni de réseau de diffraction. Le
dispositif d'émission selon l'invention est donc de conception simple. Les
réflexions spectralement sélectives selon l'invention n'incluent pas les
réflexions parasites qui peuvent exister dans tout système optique,
notamment aux interfaces, et qui peuvent alors être atténuées par des
traitements antireflets.
Ce sont les propriétés de dispersion chromatique de l'ensemble optique,
ainsi que le principe de retour inverse de la lumière, qui permettent de
rapprocher spatialement les faisceaux lumineux. Le coût de fabrication d'un
tel dispositif est donc réduit. En outre, il est ainsi possible de multiplexer
spectralement et de façon simple plus de quatre faisceaux lumineux dont les
spectres respectifs sont chacun centrés sur une longueur d'onde respective.
La propagation d'un faisceau lumineux émis par une source lumineuse
associée se fait en espace libre depuis ladite source jusqu'à l'ensemble
optique. "Espace libre" désigne tout médium spatial d'acheminement du
signal: air, espace inter-sidéral, vide, etc, ceci par opposition à un médium
de
transport matériel, tel la fibre optique ou les lignes de transmission
filaires ou
coaxiales. Il n'y a donc pas de couplage entre le faisceau lumineux émis par
une source lumineuse, et un guide d'onde. Il n'y a pas de couplage dit fibre-
à-fibre tel qu'il peut exister dans des dispositifs de l'art antérieur. Le
dispositif selon l'invention présente ainsi peu de pertes énergétiques. Les
faisceaux lumineux sont efficacement mélangés, et l'intensité du faisceau
superposé est élevée. En outre, cette caractéristique offre une plus grande
liberté de positionnement des sources lumineuses ce qui réduit le coût de
production du dispositif selon l'invention et rend possible une production à
la
chaîne.
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De préférence, les sources lumineuses émettent à des longueurs d'onde
situées dans le visible (entre 400 nm et 800 nm).
Les sources lumineuses peuvent émettent des faisceaux lumineux
présentant des largeurs spectrales supérieures 6 nm.
Selon une variante avantageuse de l'invention, les moyens de
multiplexage spectral sont formés par l'ensemble optique uniquement. Dans
cette variante, l'ensemble optique seul rapproche et superpose spatialement
les faisceaux lumineux.
Avantageusement, chaque source lumineuse est placée sur un foyer
objet de l'ensemble optique, où ledit foyer objet correspond à la longueur
d'onde du faisceau lumineux émis par cette source lumineuse, de sorte qu'à la
sortie de l'ensemble optique les faisceaux lumineux soient superposés
spatialement et collimatés.
Un avantage de cette variante est qu'elle nécessite un minimum
d'éléments optiques. Le coût de fabrication du dispositif selon l'invention
est
ainsi réduit. On peut appeler cette variante la variante point infini .
Par exemple, l'ensemble optique, dans cette configuration classique,
transforme un faisceau lumineux de rayons parallèles (on parle de faisceau
collimaté ) et multicolore (c'est-à-dire comprenant au moins deux
longueurs d'onde), en au moins deux faisceaux lumineux convergeant
respectivement vers deux foyers distincts et séparés de l'ensemble optique et
correspondant aux deux longueurs d'onde du faisceau lumineux multicolore.
Par le principe du retour inverse de la lumière, si l'on place deux
sources lumineuses émettant chacune un faisceau lumineux, aux foyers
objets correspondant à leurs longueurs d'onde d'émission respectives, alors le
faisceau lumineux sortant de l'ensemble optique sera un faisceau lumineux
collimaté dans lequel se superposent et se mélangent les faisceaux lumineux
émis par chacune des sources lumineuses. C'est cette deuxième configuration
qui est alors mise en oeuvre dans le dispositif selon l'invention.
Alternativement, chaque source lumineuse est placée en un point objet
de l'ensemble optique, où ledit point objet correspond à la longueur d'onde du
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faisceau lumineux émis par cette source lumineuse, et de sorte qu'à la sortie
de l'ensemble optique les faisceaux lumineux soient superposés spatialement
en un point image unique.
Cette alternative correspond à l'équivalent en conjugaison dite point-
point de la variante point infini .
Selon une autre variante de l'invention, les moyens de multiplexage
spectral comprennent l'ensemble optique, un guide d'onde d'homogénéisation
et des moyens optiques de collimation, l'ensemble optique étant agencé pour
envoyer les faisceaux lumineux en entrée du guide d'onde d'homogénéisation,
guide d'onde d'homogénéisation à la sortie duquel se trouvent les moyens
optiques de collimation.
Le guide d'onde d'homogénéisation permet de réaliser une fonction
d'homogénéisation des différents faisceaux lumineux rapprochés spatialement
par l'ensemble optique. On obtient en sortie du guide d'onde
d'homogénéisation un faisceau homogène qui est collimaté par les moyens
optiques de collimation.
Un guide d'onde d'homogénéisation présente typiquement un diamètre
de coeur supérieur ou égal à 1 mm, ce qui permet de réaliser cette fonction
d'homogénéisation qui ne pourrait pas être réalisée par une fibre optique
classique .
Les moyens optiques de collimation sont de préférence achromatiques.
Le guide d'onde d'homogénéisation peut être formé par une fibre optique
à coeur liquide. Un avantage d'une telle fibre optique est son diamètre élevé
(par exemple 5 mm et jusqu'à 10 mm de diamètre), permettant que des
faisceaux lumineux même répartis sur un grand volume (par exemple un
cylindre de 5 mm de diamètre et 3 mm d'épaisseur) se trouvent en entrée de
la fibre optique. Un moindre rapprochement spatial des faisceaux lumineux,
mis en oeuvre par l'ensemble optique, peut être compensé par l'utilisation
d'un tel guide d'onde d'homogénéisation.
Selon une variante, le guide d'onde d'homogénéisation peut être formé
par un barreau hexagonal d'homogénéisation. On utilise parfois le terme
anglais de light pipe . On pourra par exemple utiliser une barre
d'homogénéisation TECHSPECC) en N-BK7.
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Selon une autre variante, on pourra utiliser un système de filtrage
spatial pour réaliser la fonction d'homogénéisation. Par exemple, l'ensemble
optique focalise les faisceaux lumineux en un point focal ou une zone focale,
au niveau duquel se trouve un simple trou de filtrage.
De préférence, les sources lumineuses distinctes sont agencées
coplanaires.
Les sources lumineuses distinctes peuvent être alignées selon une
droite et rangées par ordre croissant de longueur d'onde A1 respectivement A2
(i.e. par ordre croissant de longueur d'onde associée à la source lumineuse).
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'ensemble
optique comprend au moins un système optique utilisé hors d'axe et
présentant une aberration chromatique latérale. Cette aberration chromatique
latérale forme la propriété de dispersion chromatique selon l'invention.
L'utilisation hors d'axe accentue, voire fait apparaître, la dispersion
spatiale latérale des longueurs d'onde. On peut également parler de
chromatisme de grandeur apparente.
Le coût d'un tel système optique est généralement faible car, de
manière intrinsèque, tout système optique exploité hors d'axe présente de
l'aberration chromatique latérale, s'il n'est pas spécifiquement corrigé de
cette
aberration au moyen de solutions connues dans la conception optique.
Les sources lumineuses peuvent être placées respectivement aux foyers
du système optique correspondant aux longueurs d'onde A1 et A2, de sorte que
leurs faisceaux lumineux soient multiplexés à la sortie du système optique.
Le système optique est dit utilisé hors d'axe , c'est-à-dire hors de
son axe optique. En d'autres termes, un faisceau lumineux incident,
convergent au foyer objet du système optique, ne ressort pas de ce système
optique parallèle à l'axe optique dudit système. Ainsi, les foyers du système
optique correspondant à différentes longueurs d'onde sont suffisamment
séparés pour pouvoir placer les sources lumineuses correspondantes à
l'endroit de ces foyers. Ce faisant, le multiplexage spectral est précisément
et
automatiquement réalisé par le système optique aberrant utilisé hors d'axe.
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Selon une variante, l'ensemble optique comprend au moins un système
optique utilisé dans l'axe et présentant une aberration chromatique latérale.
Les sources lumineuses peuvent être quasi monochromatiques,
émettant chacune un faisceau lumineux aux longueurs d'onde d'onde Al
respectivement A2.
Le dispositif d'émission peut former une partie source d'un
spectromètre d'absorption, les moyens de multiplexage spectral selon
l'invention étant adaptés à mélanger les faisceaux lumineux pour former un
faisceau lumineux multiplexé (ou superposé) destiné à illuminer un
échantillon à analyser.
Selon une variante de ce mode de réalisation, l'ensemble optique
comprend un doublet ou un triplet de lentilles, usuellement utilisé pour la
correction des aberrations chromatiques. Le doublet ou triplet de lentilles
est
ainsi détourné de son utilisation dédiée. On utilise par exemple un doublet
flint/crown (du nom des deux types de verre utilisés pour chacune des deux
lentilles du doublet).
Selon une autre variante de ce mode de réalisation, l'ensemble optique
comprend un prisme optique et des moyens optiques de focalisation et/ou des
moyens optiques de collimation. Typiquement, l'ensemble optique comprend :
- des moyens optiques de collimation, agencés pour former et diriger
des
faisceaux lumineux collimatés depuis les sources lumineuses vers le
prisme optique ; et
- des moyens optiques de focalisation, agencés pour diriger des faisceaux
lumineux émergeant du prisme vers un point de focalisation commun.
On peut considérer que tout système optique de décomposition
spectrale comprenant au moins une lentille et/ou un prisme optique, pris en
sens inverse, peut être utilisé en tant qu'ensemble optique selon l'invention.
De préférence, chaque source lumineuse est une diode
électroluminescente (LED). Une LED est une source lumineuse quasi
ponctuelle émettant un faisceau lumineux divergeant.
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Le dispositif d'émission selon l'invention peut comporter plus de trois
sources lumineuses, par exemple au moins cinq, huit, ou douze, voire au
moins douze sources lumineuses. On pourrait même prévoir plusieurs dizaines
de sources lumineuses.
Les longueurs d'onde des sources lumineuses peuvent être comprises
entre 340 nm et 800 nm.
Le dispositif d'émission selon l'invention peut comprendre en outre des
moyens de modulation agencés pour moduler l'intensité lumineuse d'au moins
deux des sources lumineuses à des fréquences différentes les unes des
autres.
En particulier, le dispositif selon l'invention comprend des moyens de
modulation agencés pour moduler l'intensité lumineuse de chaque source
lumineuse, indépendamment les unes des autres.
On peut ainsi retrouver aisément la contribution de chaque source
lumineuse dans le faisceau multiplexé, par mise en oeuvre d'une détection à
filtrage fréquentiel, par exemple une détection synchrone. On peut ainsi
améliorer un rapport signal à bruit d'un détecteur recevant le faisceau
multiplexé, notamment puisque les signaux ne sont perturbés que par le bruit
à la fréquence observée.
De préférence, le dispositif selon l'invention comprend en outre des
moyens de contrôle de l'intensité lumineuse d'au moins deux des sources
lumineuses, indépendamment l'une de l'autre.
En particulier, le dispositif selon l'invention comprend des moyens de
contrôle de l'intensité lumineuse de chaque source lumineuse,
indépendamment les unes des autres.
On peut ainsi contrôler aisément la contribution énergétique de chaque
source lumineuse dans le faisceau multiplexé.
On obtient une source multispectrale contrôlée en spectre, chaque
contribution spectrale étant contrôlée en intensité de manière indépendante.
On peut par exemple allumer tour à tour une seule des sources
lumineuses selon l'invention. A chaque instant, la contribution énergétique de
toutes les sources lumineuses sauf une est nulle. Un tel mode de réalisation
permet par exemple de réaliser un dispositif d'émission d'un faisceau
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lumineux pour un spectromètre d'absorption. Dans un tel spectromètre, au
lieu d'envoyer vers un échantillon une lumière blanche que l'on doit ensuite
décomposer en longueur d'onde après traversée de l'échantillon, on n'envoie
à chaque instant qu'une seule longueur d'onde (sous réserve de la largeur
spectrale de chaque source lumineuse bien sûr). On s'affranchit ainsi d'une
étape finale de décomposition spectrale. On choisit de contrôler le dispositif
d'émission au lieu de séparer les longueurs d'onde dans le faisceau transmis
par l'échantillon. Alternativement, on peut allumer toutes les sources
lumineuses à la fois, mais grâce aux moyens de modulation tels que défini ci-
avant continuer à s'affranchir d'une étape finale de décomposition spectrale
par séparation spatiale dans un spectromètre d'absorption.
Les moyens de contrôle de l'intensité lumineuse peuvent en outre
permettre d'adapter l'intensité lumineuse de chaque source lumineuse à une
absorption par un échantillon et/ou une réponse d'un détecteur.
L'invention concerne également une installation M2 d'émission d'un
faisceau lumineux de spectre contrôlé, comprenant au moins deux dispositifs
M d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé selon l'invention,
chaque dispositif M fournissant un faisceau lumineux dit superposé,
l'installation M2 d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé
comprenant en outre des moyens de multiplexage spectral annexes agencés
pour superposer spatialement les faisceaux lumineux superposés respectifs de
chaque dispositif M d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé.
On peut ainsi superposer encore plus de faisceaux, notamment quasi-
monochromatiques. On peut en particulier superposer au moins deux fois plus
de faisceaux lumineux qu'avec un dispositif d'émission selon l'invention.
Les moyens de multiplexage spectral annexes comprennent
avantageusement tout moyen de multiplexage classique. Quelques exemples
sont donnés ci-dessous.
Les moyens de multiplexage spectral annexes peuvent comprendre un
ensemble d'au moins un miroir dichroïque. Par des jeux de réflexion ou
transmission, on peut superposer spatialement des faisceaux lumineux
associés chacun à un dispositif d'émission respectif.
Les moyens de multiplexage spectral annexes peuvent comprendre un
mutiplexeur fibré agencé pour multiplexer ensemble des faisceaux lumineux
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provenant de ses plusieurs fibres optiques d'entrée. On peut parler de fiber
splitter pour désigner un tel mutiplexeur fibré.
Chaque dispositif d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé
peut comprendre un guide d'onde respectif, et des moyens optiques de
collimation communs avec les autres dispositifs d'émission d'un faisceau
lumineux de spectre contrôlé, et les moyens de multiplexage spectral annexes
sont agencés pour multiplexer les faisceaux lumineux issus de chacun des
guides d'onde. En particulier, chaque dispositif d'émission d'un faisceau
lumineux de spectre contrôlé peut comprendre un guide d'onde respectif
d'homogénéisation. Dans ces variantes, à chaque dispositif d'émission
correspond un guide d'onde (éventuellement d'homogénéisation) dans lequel
se propagent des faisceaux lumineux superposés ou rapprochés par
l'ensemble optique correspondant. Les sorties des différents guides d'onde
sont multiplexées (ou mélangées) par le multiplexeur fibré, puis collimatées
par les moyens optiques de collimation communs.
L'invention concerne également un spectromètre pour analyser au
moins un échantillon, comprenant des moyens pour illuminer l'échantillon. Les
moyens pour illuminer l'échantillon comprennent un dispositif M d'émission
d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé selon l'invention ou une
installation M2 d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé selon
l'invention.
Le spectromètre selon l'invention peut former un spectromètre
d'absorption et comprendre :
- au moins un détecteur adapté à collecter un faisceau lumineux
transmis par l'échantillon à analyser et délivrant un signal relatif
aux flux lumineux reçus par le détecteur aux longueurs d'onde A1
respectivement A2, et
- des moyens de traitement du signal adaptés à déterminer
l'absorption de chacune des longueurs d'onde A1 respectivement A2,
par l'échantillon à analyser.
Comme le spectromètre d'absorption selon l'invention n'utilise pas,
contrairement aux spectromètres d'absorption classiques, de composants
optiques coûteux et volumineux comme un réseau de diffraction ou un
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détecteur linéaire multicanaux (par exemple capteur CCD ou matrice de
photodiodes), son coût reste maîtrisé.
En outre, le spectromètre selon l'invention intègre directement la
source lumineuse. Le spectromètre d'absorption selon l'invention peut
comprendre des moyens de modulation agencés pour moduler l'intensité
lumineuse de chacune des sources lumineuses à des fréquences différentes
les unes des autres, et des moyens de traitement du signal agencés pour
démoduler le signal délivré par le détecteur de manière synchrone avec les
sources lumineuses.
Avantageusement, le spectromètre d'absorption selon l'invention
comprend la variante du dispositif d'émission ou installation d'émission selon
l'invention, comprenant des moyens de contrôle de l'intensité lumineuse d'au
moins deux des sources lumineuses, indépendamment l'une de l'autre.
Ainsi, comme développé précédemment, le principe mis en oeuvre est
fondamentalement différent, puisqu'il consiste à contrôler l'émission (par
modulation, ou activation d'une seule source à la fois) au lieu de décomposer
spectralement le long d'une ligne de détection, le faisceau lumineux transmis
par l'échantillon à analyser. Le spectromètre d'absorption selon l'invention
possède alors de nombreux autres avantages :
- sa sensibilité à la lumière parasite est limitée si bien que sa
dynamique de mesure est étendue et son seuil de détection
abaissé par rapport à un spectromètre d'absorption utilisant un
réseau de diffraction de la lumière, et
- sa rapidité de mesure est améliorée par rapport à un
spectromètre monochromateur qui implique un mouvement
mécanique pour balayer le spectre de mesure (roue à filtre ou
monochromateur à réseaux de diffraction). Cette rapidité est
encore meilleure dans la variante mettant en oeuvre une
modulation d'intensité lumineuse.
En effet, dans l'art antérieur, la décomposition spectrale du faisceau
transmis par l'échantillon n'est pas parfaite. A un emplacement donné sur la
ligne de détection on trouve : la majeure partie (mais pas l'intégralité) de
la
composante à une longueur d'onde A1, et de la lumière parasite à toutes les
autres longueurs d'onde du faisceau transmis. Cette lumière parasite est
essentiellement due à la diffusion introduite par l'utilisation d'un réseau de
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diffraction. Le changement de principe, consistant à jouer plutôt sur le
contrôle de l'émission, résout cette limitation.
Le spectromètre d'absorption selon l'invention peut comporter au moins
une fibre optique dans laquelle est couplé le faisceau lumineux multiplexé et
illuminant l'échantillon à analyser.
Le spectromètre d'absorption selon l'invention peut comporter des
moyens optiques de collimation, agencés en sortie du dispositif ou de
l'installation selon l'invention, de façon à diriger vers l'échantillon un
faisceau
lumineux collimaté.
Le spectromètre d'absorption selon l'invention peut comprendre des
moyens d'asservissements adaptés à modifier l'intensité lumineuse de chaque
source lumineuse en fonction de l'absorption de chacune des longueurs d'onde
A1 A2 (et le cas échéant A, à N, 1>2)
par l'échantillon à analyser. On s'assure
ainsi de travailler toujours dans la meilleure zone de sensibilité et de
linéarité
du détecteur. On améliore ainsi le rapport signal sur bruit.
Le spectromètre selon l'invention peut former un spectromètre à
fluorescence et comprendre :
- au moins un détecteur adapté à collecter un faisceau lumineux
de fluorescence émis par l'échantillon à analyser et
- des moyens de traitement du signal agencés pour délivrer un
signal relatif au flux lumineux (du faisceau lumineux de
fluorescence) reçu par le détecteur en fonction de la longueur
d'onde A1 respectivement A2 reçue par l'échantillon.
La longueur d'onde A1 respectivement A2 reçue par l'échantillon est
généralement appelée longueur d'onde d'excitation.
Le détecteur peut être agencé pour ne détecter qu'une bande spectrale
prédéterminée.
Le spectromètre à fluorescence est particulièrement avantageux, dans
la variante dans laquelle le dispositif d'émission (ou l'installation
d'émission)
selon l'invention comprend des moyens de contrôle de l'intensité lumineuse
d'au moins deux des sources lumineuses, indépendamment l'une de l'autre.
Dans ce cas, les moyens de traitement du signal délivrent un signal relatif au
flux lumineux reçu par le détecteur en fonction d'une intensité (d'excitation)
donnée de chaque longueur d'onde A1 respectivement A2 et d'une durée
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d'excitation. La durée d'excitation est contrôlée grâce aux moyens de contrôle
de l'intensité lumineuse. On peut ainsi réaliser de la fluorescence résolue en
temps. En fonction de la durée d'excitation, différentes molécules ne
subissent
pas la même excitation. Il est moins onéreux de jouer sur un temps
d'excitation rapide, que sur une détection rapide. L'invention rend possible
de
jouer plutôt sur un temps d'excitation rapide, grâce par exemple à
l'utilisation
de LED.
Par exemple, le détecteur comprend un simple détecteur d'intensité, et
les moyens de traitement du signal délivrent un signal relatif à l'intensité
totale du faisceau lumineux de fluorescence reçu par le détecteur en fonction
de la longueur d'onde d'excitation (longueur d'onde A1 respectivement A2 reçue
par l'échantillon).
Alternativement, ou en supplément, le détecteur peut comprendre un
spectromètre, et les moyens de traitement du signal délivrent un signal
relatif
au spectre de fluorescence du faisceau lumineux de fluorescence reçu par le
détecteur en fonction de la longueur d'onde d'excitation.
Le spectromètre à fluorescence peut comprendre des moyens
d'asservissements adaptés à modifier l'intensité lumineuse de chaque source
lumineuse en fonction de l'intensité du faisceau lumineux de fluorescence
émis par l'échantillon en réponse à l'absorption de la longueur d'onde A1
respectivement A2 correspondante.
Le spectromètre à fluorescence selon l'invention peut comprendre des
moyens de modulation agencés pour moduler l'intensité lumineuse de
chacune des sources lumineuses à des fréquences différentes les unes des
autres, et des moyens de traitement du signal agencés pour démoduler le
signal délivré par le détecteur de manière synchrone avec les sources
lumineuses.
Le spectromètre d'absorption selon l'invention ou le spectromètre à
fluorescence selon l'invention peut comprendre une chaine de référence : une
partie du faisceau lumineux émis par les moyens pour illuminer l'échantillon
n'est pas dirigée vers l'échantillon à analyser mais vers un échantillon de
référence. On peut ainsi disposer d'une référence de façon à calculer une
absorption respectivement un signal relatif au flux lumineux reçu par le
détecteur en fonction de la longueur d'onde A1 respectivement A2 reçue par
l'échantillon. Plutôt qu'un échantillon de référence, on peut prévoir un
simple
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emplacement vide (air ambiant), ce qui permet d'intégrer facilement la chaîne
de référence dans le spectromètre.
Alternativement, on peut réaliser un étalonnage en analysant
initialement un échantillon de référence, puis un échantillon à analyser.
L'invention concerne également un appareil d'imagerie de fluorescence
ou d'absorption, comprenant des moyens pour illuminer un échantillon. Les
moyens pour illuminer l'échantillon comprennent un dispositif M d'émission
d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé selon l'invention ou une
installation M2 d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé selon
l'invention.
L'appareil d'imagerie selon l'invention peut former un appareil de
microscopie à fluorescence et comprendre :
- des moyens de collecte agencés pour collecter un signal retour
comprenant un faisceau lumineux de fluorescence émis par
l'échantillon à analyser, et
- des moyens de grossissement optique du signal retour.
De façon similaire, l'appareil d'imagerie selon l'invention peut former un
appareil de microscopie d'absorption et comprendre :
- des moyens de collecte agencés pour collecter un signal retour
comprenant un faisceau lumineux réfléchi ou rétrodiffusé par
l'échantillon à analyser, et
- des moyens de grossissement optique du signal retour.
L'appareil de microscopie à fluorescence selon l'invention peut
comprendre des moyens d'asservissements adaptés à modifier l'intensité
lumineuse de chaque source lumineuse en fonction de l'intensité du faisceau
lumineux de fluorescence émis par l'échantillon en réponse à l'absorption de
la longueur d'onde A1 respectivement A2 correspondante.
De façon similaire, l'appareil de microscopie d'absorption selon
l'invention peut comprendre des moyens d'asservissements adaptés à
modifier l'intensité lumineuse de chaque source lumineuse en fonction de
l'intensité du faisceau lumineux réfléchi ou rétrodiffusé par l'échantillon en
réponse à l'absorption de la longueur d'onde A1 respectivement A2
correspondante.
L'appareil de microscopie à fluorescence ou d'absorption selon l'invention
peut comprendre des moyens de modulation agencés pour moduler l'intensité
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lumineuse de chacune des sources lumineuses à des fréquences différentes
les unes des autres. Des moyens de traitement du signal peuvent être
agencés pour démoduler le signal délivré par un détecteur (par exemple des
moyens d'affichage) de manière synchrone avec les sources lumineuses.
L'invention concerne également un appareil d'imagerie multispectrale
pour observer au moins un échantillon éclairé successivement par des
faisceaux lumineux à différentes longueurs d'onde, comprenant :
- des moyens pour illuminer l'échantillon comprenant un dispositif M
d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé selon l'invention
ou une installation M2 d'émission d'un faisceau lumineux de spectre
contrôlé selon l'invention,
- les moyens de contrôle des sources lumineuses distinctes, agencés
pour activer à chaque instant une source lumineuse à la fois, et
- des moyens d'imagerie.
De façon générale, l'invention concerne une utilisation d'un dispositif M
d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé selon l'invention ou une
installation M2 d'émission d'un faisceau lumineux de spectre contrôlé selon
l'invention, pour former des moyens d'illumination dans tout appareil tel
qu'un
appareil de spectrométrie ou un appareil d'imagerie. L'ensemble des
avantages énoncés à propos du dispositif d'émission selon l'invention se
retrouvent dans ces différentes utilisations (en particulier, l'adaptabilité
de
l'émission, et le contrôle spectral de l'émission).
L'invention peut également concerner une utilisation d'un dispositif M
d'émission selon l'invention ou une installation M2 d'émission selon
l'invention, pour former des moyens d'éclairage optimisant le rendu
colorimétrique d'un objet (dans un musée, une joaillerie, un appareil
d'observation de dentition à l'usage d'un dentiste, etc).
L'invention concerne enfin un bloc d'émission lumineuse comprenant au
moins trois puces semiconductrices émettant chacune un faisceau lumineux
quasi-monochromatique à une longueur d'onde d'émission A1 respectivement
A2 respectivement A3. Les puces semiconductrices sont rangées par ordre
chromatique en fonction de leur longueur d'onde d'émission.
La longueur d'onde d'émission d'une puce est la longueur d'onde
correspondant à son maximum d'intensité sur son spectre d'émission. Cette
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longueur d'onde est généralement centrale sur son spectre d'émission si ce
dernier est en forme de cloche.
On peut parler en anglais de chip , pour parler d'une puce
semiconductrice. On peut parler plus précisément de microchip . On peut
également parler de LED chip et de puce LED pour parler d'une puce
semiconductrice émettant un faisceau lumineux.
Le bloc d'émission lumineuse selon l'invention reprend le principe
général des LED multicoeur (on parle en anglais de multichip LED ), mais
en le modifiant. Dans l'art antérieur, on réalise des LED multicoeur afin
d'optimiser l'intensité d'émission de la LED. Chaque puce semiconductrice
présente alors un même spectre d'émission. Selon l'invention, au contraire,
on souhaite que chaque puce semiconductrice possède une longueur d'onde
d'émission bien distincte. En outre, selon l'invention, les puces
semiconductrices sont placées en fonction de leur longueur d'onde d'émission.
En outre, selon l'invention, les puces semiconductrices peuvent être
nombreuses, par exemple on peut en prévoir douze dans une même source
lumineuse.
Les puces semiconductrices peuvent être coplanaires.
Plus particulièrement, les puces semiconductrices peuvent être alignées.
On pourrait également prévoir qu'elles soient réparties le long d'un arc de
cercle, ou d'ellipse, ou de tout autre arc de conique.
De préférence, la largeur d'une puce semiconductrice est inférieure à 1
mm, par exemple comprise entre 90pm et 500pm voire entre 90pm et
200pm. On parle de largeur d'une puce semiconductrice, pour désigner sa
dimension mesurée selon sa plus faible dimension.
La distance entre deux diodes voisines est avantageusement comprise
entre 90pm et 500pm. Cette distance peut varier notamment en fonction de
la largueur spectrale de chaque puce semiconductrice, et de la différence
entre les longueurs d'onde d'émission de deux puces semiconductrices
voisines. Cette distance dépend du nombre de puce semiconductrives que l'on
souhaite utiliser dans la source lumineuse selon l'invention.
La distance entre deux diodes voisines peut être fixe.
Alternativement, la distance entre une première diode et la diode
voisine varie avec la longueur d'onde d'émission de la première diode et la
longueur d'onde d'émission de la diode voisine.
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En particulier, le bloc d'émission lumineuse selon l'invention peut être
adapté à être utilisée dans un dispositif d'émission d'un faisceau lumineux de
spectre contrôlé selon l'invention, pour former les sources lumineuses. Ainsi,
l'invention peut concerner un dispositif d'émission d'un faisceau lumineux de
spectre contrôlé tel que décrit précédemment, dans lequel les sources
lumineuses sont formées par un tel bloc d'émission lumineuse.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la
lecture de la description détaillée de mises en oeuvre et de modes de
réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
- la figure 1 illustre les spectres d'émission de deux sources lumineuses
utilisées dans un dispositif d'émission d'un faisceau lumineux de spectre
contrôlé selon l'invention ;
- la figure 2 illustre un premier mode de réalisation d'un dispositif
d'émission selon l'invention ;
- la figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation d'un dispositif
d'émission selon l'invention ;
- la figure 4 illustre un troisième mode de réalisation d'un dispositif
d'émission selon l'invention ;
- la figure 5 illustre un quatrième mode de réalisation d'un dispositif
d'émission selon l'invention ;
- la figure 6 illustre un mode de réalisation d'une installation d'émission
selon l'invention ;
- la figure 7 illustre un mode de réalisation d'un spectromètre d'absorption
selon l'invention ;
- la figure 8 illustre un mode de réalisation d'un spectromètre de
fluorescence selon l'invention ;
- la figure 9 illustre un mode de réalisation d'un appareil de microscopie
à
fluorescence selon l'invention ;
- la figure 10 illustre un mode de réalisation d'un appareil d'imagerie
multispectrale selon l'invention ; et
- la figure 11 illustre un mode de réalisation d'un bloc d'émission
lumineuse selon l'invention.
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On va tout d'abord décrire, en référence à la figure 1, les spectres
d'émission de deux sources lumineuses utilisées dans un dispositif d'émission
selon l'invention.
On repère l'intensité lumineuse I1(A), respectivement I2(A), de deux
sources lumineuses quasiment monochromatiques aux longueurs d'onde A1,
respectivement A2. Chaque spectre I1(A), respectivement I2(A), a la forme
d'une courbe en cloche (par exemple une gaussienne) présentant un pic à
la longueur d'onde dite de travail A1, respectivement A2. Ce pic présente une
largeur à mi-hauteur relativement faible par rapport à la longueur d'onde de
travail.
Ainsi, une première source lumineuse Si présente un spectre d'émission
en cloche avec :
- un pic de hauteur Ii,max (valeur maximale de l'intensité lumineuse I1(A),
c'est-à-dire Ii,max (A1)) pour la longueur d'onde de travail A1 = 340 nm, et
- une largeur à mi-hauteur AA1 autour du pic à A1, égale ici à 10 nm.
De la même manière, une deuxième source lumineuse S2 présente un
spectre d'émission en cloche avec :
- un pic de hauteur I2,ma, (valeur maximale de l'intensité lumineuse I2(A),
c'est-à-dire I2,ma, (A2)) pour la longueur d'onde de travail A2 = 405 nm, et
- une largeur à mi-hauteur AA2 autour du pic à A2, égale ici à 10 nm.
On peut alors considérer donc les sources lumineuses Si et S2 sont quasi
monochromatiques, car :
- la largeur à mi-hauteur AA1 de la source lumineuse Si est faible par
rapport à la longueur d'onde A1 car AA1/A1 1
- la largeur à mi-hauteur AA2 de la source lumineuse S2 est faible par
rapport à la longueur d'onde A2 car AA2/A2 1.
On peut également prévoir d'utiliser des sources polychromatiques
présentant d'autres formes de spectre. Selon l'invention, en fonction de la
position de la source lumineuse, seule une partie de son spectre centrée sur
une longueur d'onde dite de travail ou d'émission sera exploitée. On peut
donc utiliser une source polycromatique, pourvu que son spectre présente une
intensité élevée à cette longueur d'onde de travail.
Les sources lumineuses comprennent ici des
diodes
électroluminescentes (DELs ou LEDs en anglais pour Light-Emitting
Diodes ). L'utilisation de diodes électroluminescentes permet de réduire les
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risques de défaillances, les LEDs étant des sources lumineuses ayant une
durée de vie supérieure aux sources lumineuses utilisées habituellement dans
des dispositifs tels qu'un spectromètre, comme les sources à incandescence
ou à décharge. En outre, les LED présentent l'avantage d'être de taille
réduite.
On va maintenant décrire, en référence à la figure 2, un premier mode
de réalisation dispositif d'émission d'un faisceau lumineux de spectre
contrôlé
1 selon l'invention.
Dans ce mode de réalisation, les sources lumineuses sont au nombre de
douze. Pour des raisons de lisibilité de la figure, on a représenté seulement
cinq sources lumineuses : Si, S2, Si, SN, où N=12. On pourra prévoir
cependant autant de sources lumineuses que souhaité.
Ces sources lumineuses 51 à S12 sont considérées comme des sources
quasi monochromatiques, émettant chacune un faisceau lumineux aux
longueurs d'onde A1 - A12r respectivement.
On entendra par source quasi monochromatique, une source de lumière
dont le spectre d'émission est étroit en longueur d'onde. Ceci peut être
compris à la lumière de la figure 1 sur laquelle on a représenté les spectres
d'émission des diodes électroluminescentes 51 et S2.
En plus des sources lumineuses 51 et S2 décrites en référence à la
figure 1, les dix autres sources lumineuses S3 à S12 émettent des faisceaux
lumineux aux longueurs d'onde suivantes :
- Source S3 : A3 = 450 nm ;
- Source S4 : A4 = 480 nm ;
- Source S5 : A5 = 505 nm ;
- Source S6 : A6 = 546 nm ;
- Source S7 : A7 = 570 nm ;
- Source S8 : A8 = 605 nm ;
- Source S9 : A9 = 660 nm ;
- Source S10 : A10= 700 nm ;
- Source S11 : A11= 750 nm ;
- Source S12 : A12 = 800 nm.
Les sources Si à S12 sont donc rangées par ordre croissant de
chromaticité.
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En variante, toute autre longueur d'onde adaptée à l'application mise
en oeuvre peut être utilisée.
De manière préférée, les longueurs d'onde des sources lumineuses sont
comprises entre 340 nanomètres et 800 nanomètres.
Dans ce premier mode de réalisation, les sources lumineuses Si à S12
sont avantageusement sélectionnées de telle sorte que leurs spectres
d'émission respectifs ne se recouvrent pas. Ceci signifie, en prenant encore
l'exemple des sources lumineuses Si et S2 dont les spectres respectifs sont
représentés sur la figure 1, que :
- l'intensité lumineuse I1(A2) de la source lumineuse Si pour la longueur
d'onde A2 est très faible par rapport à la valeur du pic I2,max, par exemple
inférieure à 5%, de préférence inférieure à 1% de la valeur de ce pic, et que
- l'intensité lumineuse I2(A1) de la source lumineuse S2 pour la longueur
d'onde A1 est très faible par rapport à la valeur du pic Ii,mõ, par exemple
inférieure à 5%, de préférence inférieure à 1% de la valeur de ce pic.
De manière avantageuse, les sources lumineuses peuvent comprendre
chacune un filtre optique placé devant elles permettant de limiter encore
davantage leur largeur à mi-hauteur respective. Ce filtre optique est un
filtre
spectral classique connu de l'homme du métier permettant de ne transmettre
un faisceau lumineux que sur une gamme de longueurs d'onde spécifique,
appelée sa bande passante . Ce filtre peut être par exemple un filtre par
absorption, ou un filtre interférentiel.
Les douze sources lumineuses Si à S12 sont, dans le mode de
réalisation de l'invention représenté sur la figure 2, des diodes
électroluminescentes de type encapsulées. On entend par là que les diodes
électroluminescentes Si à S12 comportent ici chacune une puce ( LED chip
en anglais) qui émet de la lumière et placée dans un boîtier permettant, d'une
part, de dissiper la chaleur dégagée par la puce lorsque celle-ci émet, et,
d'autre part, d'amener la puissance électrique jusqu'à la puce pour son
fonctionnement.
Le boîtier est donc généralement constitué d'un matériau résistant
thermiquement et isolant électriquement comme par exemple un polymère
époxyde tel que la résine époxy, ou bien une céramique.
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Il comprend généralement deux pattes métalliques qui sont soudées
sur la carte de circuit imprimé 21 au moyen de deux points de soudure, ces
soudures permettant, d'une part, de fixer la diode électroluminescente sur la
carte de circuit imprimé, et, d'autre part, d'alimenter les LEDs en courant.
En variante, un même boîtier pourrait comporter plusieurs puces (
mutichip LED en anglais), le boîtier comprenant alors généralement autant
de paires de pattes métalliques que de puces intégrées dans le boîtier. On
parle alors de LED multicoeur. Les différentes puces du boîtier son
identiques.
Dans chaque variante, on pourrait prévoir de remplacer les pattes
métalliques par de simples surfaces conductrices et de mettre en oeuvre une
technique dite CMS pour composant monté en surface (ou an anglais SMD
pour surface mounted device ).
Une autre possibilité de réalisation des sources lumineuses selon
l'invention sera décrite plus loin, en référence à la figure 11.
La carte de circuit imprimé 21 ou PCB (pour Printed Circuit
Board en anglais) est ici réalisée dans un matériau composite de résine
époxy renforcé par des fibres de verre, de type FR4 bien connu de la
technique.
Pour apporter la puissance nécessaire, la carte de circuit imprimé 21
comprend un connecteur 22. Le connecteur 22 n'est pas représenté sur toutes
les figures, pour des raisons de lisibilités des figures. On verra, en
référence à
la figure 7, que sur ce connecteur 22 vient se brancher un câble 23 relié à un
boîtier d'alimentation et de pilotage 24 fournissant un courant ajusté pour
chacune des diodes électroluminescentes.
Les diodes électroluminescentes Si à S12 émettent chacune un
faisceau lumineux à leur longueur d'onde d'émission A1 - A12. Chaque faisceau
lumineux est généralement un faisceau divergent, les LEDs étant des sources
lumineuses émettant de manière quasi-lambertienne.
Le dispositif d'émission 1 comprend des moyens de multiplexage
spectral mélangeant les faisceaux lumineux des sources lumineuses Si à S12
pour former un faisceau lumineux multiplexé 26.
Dans le mode de réalisation de l'invention représenté sur la figure 2, ces
moyens de multiplexage spectral sont formés par un ensemble optique formé
lui-même par une lentille biconcave épaisse 25 d'axe optique Al. Il est connu
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qu'une telle lentille 25 présente une aberration chromatique latérale
lorsqu'elle est exploitée hors de son axe optique Al.
En effet, la lentille 25 possède des foyers Fi à F12 correspondant aux
longueurs d'onde A1 - A12. A cause de l'aberration chromatique latérale, ces
foyers sont distincts et séparés, alignés selon une droite sécante avec l'axe
optique Al de la lentille 25.
La particularité optique de ces points singuliers de la lentille 25 est
qu'un faisceau lumineux issu de ces points est transmis et transformé par la
lentille 25 sous la forme d'un faisceau lumineux de rayons parallèles, dit
faisceau lumineux collimaté .
Ainsi, un faisceau lumineux émis à la longueur d'onde A1 depuis le foyer
Fi en direction de la lentille 25 émerge de la lentille 25 en un faisceau
lumineux parallèle à la même longueur d'onde A1. De la même manière, un
faisceau lumineux émis à la longueur d'onde A2 depuis le foyer F2 en direction
de la lentille 25 émerge de la lentille 25 en un faisceau lumineux parallèle à
la même longueur d'onde A2, se superposant avec le faisceau lumineux
parallèle à la longueur d'onde A1. Les deux faisceaux lumineux émis depuis les
foyers Fi et F2 sont donc mélangés, ou multiplexés à la sortie de la
lentille 25.
On comprend ainsi qu'en plaçant respectivement les sources
lumineuses Si à S12 aux positions des foyers Fi à F12 correspondant aux
longueurs d'onde A1 - A12 de la lentille 25 présentant de l'aberration
chromatique latérale, les faisceaux lumineux émis par les LEDs Si à S12 sont
multiplexés à la sortie de la lentille 25, pour former un faisceau lumineux
multiplexé 26, ici sous la forme d'un faisceau lumineux collimaté.
Le faisceau lumineux multiplexé 26 est donc un faisceau lumineux
polychromatique, puisqu'il comprend plusieurs longueurs d'onde mélangées.
La figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation d'un dispositif
d'émission 1 selon l'invention.
La figure 3 ne sera décrite que pour ses différences d'avec la figure 2.
Alors que dans le mode de réalisation représenté à la figure 2, les
sources lumineuses Si à S12 sont situées aux positions des foyers Fi à F12
correspondant aux longueurs d'onde A1 - A12 de la lentille 25, dans ce mode
de réalisation il n'en n'est rien. On met donc en oeuvre une conjugaison
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optique point-point , et non foyer-infini . Les sources lumineuses Si à
S12 sont situées aux positions telles que la lentille 25 réalise la
conjugaison
optique entre les sources lumineuses et un point image commun 37. Un trou
de filtrage spatial 39 placé au niveau de ce point image 37 permet d'effectuer
un filtrage spatial sur le faisceau lumineux émergeant de la lentille 25.
Une lentille de collimation 38 achromatique est placée de façon que le
point image commun 37 soit placé à son foyer objet, ce qui permet d'obtenir
un faisceau multiplexé 26 collimaté.
La figure 4 illustre un troisième mode de réalisation d'un dispositif
d'émission 1 selon l'invention.
La figure 4 ne sera décrite que pour ses différences d'avec la figure 3.
Dans l'exemple représenté à la figure 4, les aberrations géométriques de
la lentille 25 sont telles qu'on n'obtient pas un point image commun pour les
sources lumineuses Si à S12.
Chaque source lumineuse est imagée par la lentille 25 en un point image
401 à 4012 respectif. La lentille 25, bien qu'elle n'image pas les sources Si
à
S12 en un unique point, rapproche spatialement les faisceaux lumineux issus
de chacune des sources. Les points 401 à 4012 se trouvent donc réunis dans
un volume de focalisation de faible dimension, par exemple un disque épais
de quelques millimètres de diamètre et quelques millimètres de hauteur. On
place donc un guide d'onde d'homogénéisation 41, de façon que les faisceaux
lumineux, formant les points images 401 à 4012, rentrent à l'intérieur du
guide
d'onde 41. Le guide d'onde est par exemple une fibre optique à coeur liquide,
d'un diamètre de 3 mm et d'une longueur de 75 mm. Les faisceaux lumineux
provenant de chacune des sources Si à S12 sont mélangés à l'intérieur du
guide d'onde, de façon qu'on obtient en sortie du guide d'onde un faisceau
lumineux homogénéisé. Le faisceau est dit homogénéisé, car les contributions
de chacun des faisceaux à des longueurs d'onde respectives sont mélangées
spatialement. En sortie du guide d'onde, un collimateur achromatique 38
permet d'obtenir un faisceau multiplexé 26 collimaté. Le diamètre de la fibre
optique à coeur liquide est bien supérieur au diamètre d'une fibre optique
classique (quelques centaines de micromètres). On choisit une fibre optique à
coeur liquide, d'un diamètre de 3 mm environ, typiquement entre 2 mm et 6
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mm, afin de garantir un couplage efficace dans la fibre en même temps
qu'une bonne qualité de collimation en sortie de fibre.
La figure 5 illustre un quatrième mode de réalisation d'un dispositif
d'émission 1 selon l'invention.
La figure 5 ne sera décrite que pour ses différences d'avec la figure 2.
Dans ce mode de réalisation, les moyens de multiplexage spectral
comprennent un ensemble optique formé par un prisme optique 51 entouré
d'une lentille de collimation 55 et d'une lentille de focalisation 52. La
lentille
de collimation permet de collimater les faisceaux lumineux émergeant de
chacune des sources lumineuses Si à S12. Ainsi, plusieurs faisceaux
collimatés sont dirigés vers le prisme 51. A ce stade, les plusieurs faisceaux
collimatés peuvent être spatialement distincts, ou partiellement superposés.
Le prisme 51 rapproche spatialement ces faisceaux qui émergent sur la face
opposée du prisme pour se diriger vers la lentille de focalisation 52 qui
réunit
spatialement en un point image 53 les faisceaux lumineux émis par les
différentes sources lumineuses.
L'ensemble prisme et lentilles est généralement utilisé dans le cadre des
spectromètres, pour séparer spatialement les différentes longueurs d'onde.
Ici, on l'utilise au contraire pour rapprocher spatialement des faisceaux à
différentes longueurs d'onde, en exploitant le principe de retour inverse de
la
lumière.
Le point image 53 se trouve au foyer objet d'une lentille de collimation
achromatique 38, de sorte qu'on obtienne en sortie de cette lentille 38 un
faisceau multiplexé 26 collimaté.
On pourra envisager de combiner le mode de réalisation décrit en
référence à la figure 5 avec le mode de réalisation décrit en référence à la
figure 4. En particulier, si on n'obtient pas un point image unique 53 mais un
ensemble de points images 401 à N situés dans un volume de faibles
dimensions.
On va maintenant décrire, en référence à la figure 6, un mode de
réalisation d'une installation d'émission 60 selon l'invention.
L'installation d'émission 60 selon l'invention comprend trois dispositifs
d'émission 1 selon l'invention.
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Plus précisément, dans le mode de réalisation tel que représenté à la
figure 6, l'installation d'émission 60 comprend :
- trois blocs source comprenant chacun des sources lumineuses Si à SN,
où N est supérieur à cinq ;
- pour chaque bloc source, un ensemble optique 61 tel que décrit
précédemment, notamment en référence à la figure 3, 4 5 ;
- en sortie de chaque ensemble optique 61, les faisceaux lumineux
correspondant à chaque bloc source sont focalisés en un point unique ou une
pluralité de points réunis dans une zone de focalisation de volume restreint
(par exemple un disque épais de cinq millimètres de diamètre et 2 millimètre
de hauteur). Les faisceaux lumineux correspondant à chaque bloc source
pénètrent chacun à l'intérieur d'un guide d'onde 41 respectif qui peut être un
guide d'onde d'homogénéisation.
- un multiplexeur fibré 63, qui réunit spatialement les faisceaux se
propageant dans chaque guide d'onde 41, dans un guide d'onde unique 64 en
sortie du multiplexeur fibré 63.
- une optique de collimation 38 commune aux trois dispositifs d'émission
1.
On obtient donc en sortie un faisceau 65 multiplexé collimaté
polychromatique, réunissant les longueurs d'onde d'émission de chacune des
sources lumineuses de chaque dispositif d'émission 1.
On peut également prévoir une variante de ce mode de réalisation,
dans laquelle à chaque dispositif d'émission 1 correspond une optique de
collimation 38 dédiée, placée alors en amont du multiplexeur fibré 63. On
peut avantageusement, dans cette variante, remplacer le multiplexeur fibré
par un agencement de miroirs dichroïques.
On pourra envisager toutes les variantes possibles, mettant en oeuvre
plusieurs dispositifs d'émission 1 tels que décrits en référence aux figures 2
à
5.
On va maintenant décrire, en référence à la figure 7, un mode de
réalisation d'un spectromètre d'absorption 70 selon l'invention. Un tel
spectromètre permet de réaliser une analyse chimique précise d'un
échantillon.
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Le spectromètre d'absorption 70 selon l'invention présente des moyens
d'éclairage formés par un dispositif d'émission 1 selon l'invention.
Le faisceau lumineux multiplexé 26 permet d'illuminer un échantillon 11
à analyser, constitué ici par un échantillon de sang humain placé dans une
cuve 12, dont on détaillera par la suite les caractéristiques.
On peut prévoir un unique échantillon, un opérateur remplaçant un
échantillon par un autre entre deux mesures, ou une suite d'échantillons
placés en parallèle de façon à simplement translater un unique support entre
deux mesures.
On peut prévoir un filtre polarisant pour les sources lumineuses, placé
devant l'échantillon sur le chemin du faisceau lumineux multiplexé 26.
Alternativement, les sources lumineuses peuvent comprendre chacune un
filtre polarisant placé devant elles. Ce filtre polarisant permet d'augmenter
le
rapport signal à bruit en dissociant, après transmission au travers de
l'échantillon 11 à analyser, la lumière absorbée par celui-ci de la lumière
éventuellement réémise par fluorescence. En outre, un tel filtre polarisant
permettrait de mesurer également le pouvoir rotatoire de l'échantillon 11 à
analyser, si celui-ci en présentait.
Le faisceau lumineux multiplexé 26 se propage pour venir illuminer
l'échantillon 11 à analyser.
L'échantillon 11 est par exemple placé dans une cuve 12 dont les parois
sont transparentes et absorbent peu pour les longueurs d'onde utilisées dans
le dispositif d'émission 1. La cuve 12 est ici formée d'un tube
parallélépipédique fabriqué en quartz.
Le faisceau lumineux multiplexé 26 traverse ensuite l'échantillon 11,
dans lequel il est absorbé le long de son parcours. Plus précisément, chacun
des faisceaux lumineux aux longueurs d'onde A1 - A12 du faisceau lumineux
multiplexé 26 est absorbé par l'échantillon 11, l'absorption étant a priori
différente pour chacune des longueurs d'onde A1 - A12.
Avantageusement, il peut être ajouté à l'échantillon 11 à analyser un
ou plusieurs réactifs chimiques permettant d'effectuer un titrage de
l'échantillon 11 à analyser.
En sortie de la cuve 12, on obtient un faisceau lumineux transmis 34
par l'échantillon 11 à analyser, le spectre de ce faisceau lumineux transmis
34
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étant caractéristique de l'échantillon 11, telle une signature partielle de sa
composition chimique.
Le faisceau lumineux transmis 34 est ensuite détecté et analysé par un
bloc-détecteur .
En particulier, le bloc-détecteur comprend un détecteur 31, par
exemple single-channel , collectant le faisceau lumineux transmis 34 par
l'échantillon 11 à analyser. Le détecteur 31 est ici une photodiode à semi-
conducteur de type silicium.
En variante, le détecteur pourrait être une photodiode à avalanche, un
photomultiplicateur ou bien un capteur CCD ou CMOS.
Le détecteur 31 délivre alors un signal relatif au flux lumineux reçu
pour chacune des longueurs d'onde A1 - A12. Le flux lumineux reçu à une
longueur d'onde donnée est relié au niveau d'absorption de cette longueur
d'onde par l'échantillon 11.
Le signal relatif au flux lumineux reçu par le détecteur 31 est transmis à
des moyens de traitement du signal 32 qui déterminent l'absorption de
chacune des longueurs d'onde A1 - A12 par l'échantillon 11 à analyser. Les
résultats de l'analyse de l'échantillon 11 sont alors transmis à des moyens
d'affichage 33 représentant les résultats sous la forme d'un spectre
d'absorption où l'on représente en abscisses la longueur d'onde et en
ordonnées le niveau d'absorption de l'échantillon 11, par exemple en
pourcentage, pour la longueur d'onde considérée.
Des moyens d'alimentation et de pilotage 24 sont agencés pour
contrôler l'intensité lumineuse de chacune des sources lumineuses, par
exemple la moduler en fréquence.
On peut ainsi prévoir de moduler l'intensité lumineuse de chacune des
sources lumineuses 51 à S12 à une fréquence différente les unes des autres.
Comme expliqué ci-avant, on peut ainsi distinguer les signaux provenant de
chaque source, lors de la détection. Généralement, les fréquences de
modulation sont comprises entre 1 kilohertz et 1 Gigahertz. Les moyens de
traitement du signal 32 démodulent alors le signal délivré par le détecteur 31
de manière synchrone avec les sources lumineuses 51 à S12. Ceci permet
notamment de n'utiliser qu'un seul détecteur pour effectuer la mesure.
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Alternativement, on peut simplement prévoir d'allumer ou éteindre
chaque source lumineuse, de façon qu'à chaque instant une seule des sources
lumineuse émette de la lumière.
On peut prévoir de combiner ces deux modes de réalisation.
On peut parler de contrôle spectral et temporel du spectre du faisceau
multiplexé 26.
En séparant ainsi les différentes sources lumineuses Si à S12 (par
modulation de fréquence ou allumages successifs), la mesure de l'absorption
sur l'échantillon 11 à analyser est réalisée avec une plus grande précision.
En
particulier, comme vu ci-avant, on diminue considérablement le bruit de
détection.
Le temps de réponse des LED est très rapide, de l'ordre de 100 ns,
typiquement entre 10 ns et 1000 ns. Un contrôle spectral aussi rapide peut
être qualifié de spectroscopie résolue en temps. De tels moyens
d'alimentation et de pilotage 24 permettent ainsi d'observer des phénomènes
très rapides. Le temps de réponse des LED est du même ordre de grandeur
que le temps de réponse d'une photodiode choisie de façon adéquate. Grâce à
de tels temps de réponse à la fois côté émission et côté réception, on peut
observer des phénomènes très rapides, ces temps de réponse (par exemple
de l'ordre de quelques centaines de nanosecondes) étant du même ordre que
le temps de vie des états vibrationnels et rotationnels des molécules. On peut
par exemple observer un phénomène d'absorption, au cours du temps. On
peut par exemple observer à quelle vitesse les niveaux d'énergie d'une
molécule sont excitée et désexcitées.
Le spectromètre d'absorption 70 comporte également des moyens
d'asservissement qui modifient l'intensité lumineuse de chacune des sources
lumineuses Si à S12 en fonction de l'absorption de chacune des longueurs
d'onde A1, A2 par l'échantillon 11 à analyser.
Les moyens d'asservissement comprennent notamment
- les moyens d'alimentation et de pilotage 24 ;
- le câble de liaison 35 entre les moyens de traitement du signal 32 et les
moyens d'alimentation et de pilotage 24 ;
- des moyens de calcul adaptés à mettre en oeuvre l'asservissement.
Les moyens de traitement du signal 32 transmettent en effet via le
câble de liaison 35 aux moyens d'alimentation et de pilotage 24 un signal
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relatif à la mesure de l'absorption de chacune des longueurs d'onde A1 - A12
par l'échantillon 11 à analyser.
Le câble de liaison 35 établit ainsi une boucle d'asservissement entre le
dispositif d'émission et le bloc détecteur. Cette boucle d'asservissement
permet d'adapter l'intensité de chaque longueur d'onde afin de travailler dans
la meilleure zone de sensibilité et de linéarité du détecteur 31.
On décrira ci-après la procédure qu'un opérateur met en place pour
réaliser une mesure d'absorption au moyen spectromètre d'absorption
représenté sur la figure 7.
Étape de calibration :
Dans cette étape, l'opérateur met en route les moyens d'alimentation et
de pilotage 24 permettant d'alimenter la carte de circuit imprimé 21
comprenant les 12 LEDs Si à S12 qui émettent alors chacune un faisceau
lumineux divergent à leurs longueurs d'onde respectives A1 - A12. Un faisceau
lumineux multiplexé 26 est alors formé, ce faisceau lumineux multiplexé se
propageant jusqu'à la cuve 12 pour l'illuminer.
L'opérateur effectue alors une mesure à vide , c'est-à-dire que, dans
cette étape, la cuve 12 du spectromètre d'absorption est vide et ne contient
pas encore l'échantillon 11 à analyser. Le faisceau lumineux multiplexé 26 est
donc quasiment intégralement transmis par la cuve 12 en un faisceau
lumineux transmis 34.
En variante, l'opérateur peut effectuer cette étape de calibration avec
une cuve remplie d'eau à pH = 7 (potentiel Hydrogène) dont le spectre
d'absorption est connu.
Le détecteur 31 collecte alors le faisceau lumineux transmis 34 et
délivre un signal relié à l'intensité lumineuse de chacun des faisceaux
lumineux émis par les différentes LEDs Si à S12, aux moyens de traitement
du signal 32 qui enregistrent ce signal.
A l'issue de cette étape de calibration, les moyens de traitement du
signal ont stocké en mémoire une valeur calibrée de l'intensité lumineuse de
chacun des faisceaux lumineux émis par chacune des sources lumineuses Si
à S12 et transmis à travers la cuve 12 vide du spectromètre d'absorption.
Étape de mesure
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Dans cette étape, l'opérateur effectue une nouvelle mesure en prenant
soin de placer l'échantillon 11 à analyser dans la cuve 12 du spectromètre
d'absorption.
Ainsi, à l'issue de cette étape de mesure, les moyens de traitement du
signal ont donc stocké en mémoire une valeur mesurée de l'intensité
lumineuse de chacun des faisceaux lumineux émis par chacune des sources
lumineuses Si à S12 et transmis à travers la cuve 12 du spectromètre
d'absorption 10 remplie par l'échantillon 11 à mesurer.
Les moyens de traitement du signal 32 déterminent alors, pour chacune des
longueurs d'onde A1 à A12, le rapport entre la valeur calibrée à l'étape de
calibration et la valeur mesurée de l'étape de mesure, ce rapport étant relié
à
l'absorption de chacun des faisceaux lumineux monochromatiques formant le
faisceau lumineux multiplexé 26.
Les résultats sont alors affichés sur les moyens d'affichage 33 sous la forme
d'un graphique que l'opérateur peut visualiser. 30
En fonction des niveaux relatifs d'absorption d'une longueur d'onde à une
autre, l'opérateur peut en déduire la nature de l'échantillon 11. Chaque
composé chimique présente un spectre d'absorption connu. Le spectre de
l'échantillon 11 est donc une superposition de spectres connus pondérés par
une concentration. Par déconvolution, on peut retrouver la part de chaque
composé chimique dans le spectre de l'échantillon. La grande sensibilité de
mesure offerte par l'invention (comme expliqué ci-avant), améliore la
précision de cette analyse de composition chimique.
On va ensuite décrire, en référence à la figure 8, un spectromètre de
fluorescence 80 selon l'invention.
La figure 8 ne sera décrite que pour ses différences d'avec la figure 7.
Dans ce mode de réalisation, le faisceau lumineux multiplexé 26 est dirigé
vers l'échantillon 11. L'échantillon émet, en réponse à l'absorption du
faisceau
lumineux multiplexé 26, un faisceau de fluorescence 81.
Un détecteur 82 reçoit ce faisceau de fluorescence 81. Le détecteur 82
peut par exemple consister en une photodiode, ou un spectromètre. La
mesure du spectre de fluorescence permet d'identifier les composants de
l'échantillon 11.
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Le détecteur 82 est relié à des moyens de traitement du signal 83. Si le
détecteur 82 est un spectromètre, les moyens de traitement du signal
peuvent faire partie intégrante du spectromètre.
On peut prévoir (non représentés), des moyens d'asservissement
comprennent notamment
- les moyens d'alimentation et de pilotage 24 ;
- un câble de liaison non représenté entre les moyens de traitement du
signal 83 et les moyens d'alimentation et de pilotage 24 ;
- des moyens de calcul adaptés à mettre en oeuvre l'asservissement.
Les moyens de traitement du signal 83 transmettent en effet via le
câble de liaison 35 aux moyens d'alimentation et de pilotage 24 un signal
relatif à la mesure du signal de fluorescence associé à chacune des longueurs
d'onde A1 - A12.
Une telle boucle d'asservissement permet de travailler dans la
meilleure zone de sensibilité et de linéarité du détecteur 82.
On va ensuite décrire, en référence à la figure 9, un appareil de
microscopie à fluorescence 90 selon l'invention.
La figure 9 ne sera décrite que pour ses différences d'avec la figure 8.
L'échantillon 11 peut consister en un tissu biologique.
Le faisceau de fluorescence 81 est dirigé vers des moyens de collecte
91 tels qu'un agencement d'au moins une lentille permettant de recueillir
l'ensemble du faisceau de fluorescence 81
Le faisceau de fluorescence 81 est ensuite amené jusqu'à des moyens
de grossissement optiques 92 qui focalisent une image grossie d'une zone
d'observation de l'échantillon 11, par exemple sur la rétine de l'oeil d'un
observateur. On peut ainsi obtenir une image du signal de fluorescence émis
par l'échantillon 11, par exemple pour localiser dans l'échantillon certains
composants particuliers ayant au préalable été marquées par des molécules
fluorescentes.
On va ensuite décrire, en référence à la figure 10, un appareil
d'imagerie multispectrale 100 selon l'invention.
L'appareil d'imagerie multispectrale 100 selon l'invention présente des
moyens d'éclairage formés par un dispositif d'émission 1 selon l'invention.
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Le faisceau lumineux multiplexé 26 permet d'illuminer un échantillon 11
à analyser, constitué ici par un échantillon de tissu humain, dans le cadre
d'une observation in vivo.
Une lentille de focalisation 105 focalise le faisceau lumineux multiplexé
26 sur un emplacement particulier de l'échantillon 11 à analyser.
En imagerie multispectrale on acquiert plusieurs images, chaque image
correspondant à une bande très étroite du spectre. On a ainsi une définition
beaucoup plus précise de la lumière réfléchie par une surface et on peut ainsi
accéder à des caractéristiques non visibles à l'oeil nu. Les bandes spectrales
peuvent être choisies en fonction de longueurs d'ondes caractéristiques des
matières ou des produits à analyser. Cela peut se faire en sélectionnant les
différentes sources lumineuses Si à S12.
L'appareil d'imagerie multispectrale 100 comprend donc des moyens de
contrôle 101, comprenant des moyens d'alimentation et de pilotage des
sources lumineuses ainsi que des moyens de calculs agencés pour activer
successivement l'une parmi les plusieurs sources lumineuses. Ces activations
successives peuvent être commandées manuellement, ou être automatisées.
Le faisceau lumineux 26 focalisé se réfléchit sur l'échantillon 11 en un
faisceau réfléchi 102, et se propage jusqu'à des moyens d'imagerie 103
comprenant par exemple des jeux de lentilles et les cas échéant un écran
d'affichage.
On peut ainsi suivre des évènements très rapides, notamment dans le
cadre d'une observation in vivo.
Les figures 7 à 10 illustrent différentes application du dispositif
d'émission selon l'invention. On pourra envisager toutes les combinaisons
possibles entre ces applications, et les différents modes de réalisation de
dispositif d'émission décrit en référence aux figures 2 à 5. On pourra
également envisager de remplacer, dans chaque exemple décrit en référence
aux figures 7 à 10, le dispositif d'émission selon l'invention par une
installation de d'émission selon l'invention (figure 6).
Enfin, on va décrire en référence à la 11 un mode de réalisation d'un
bloc d'émission lumineuse 110 selon l'invention.
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Le bloc d'émission lumineuse 110 comprend trois puces
semiconductrices 114, représentées hachurées.
Le dopage de chaque puce
semiconductrice permet de déterminer la longueur d'onde centrale d'émission
de la puce, ainsi que la largeur d'émission. Les puces sont intégrées au sein
d'un composant unique. Ce composant peut être en plastique ou en
céramique. Chaque puce est collée avec de la colle électriquement isolante
sur un substrat (par exemple de l'aluminium), et même parfois directement
sur une électrode. Chaque puce est micro-soudée à deux électrodes dédiées
1151 respectivement 1152 par soudure au fil d'or. La réalisation du bloc
d'émission lumineuse ne sera pas décrite plus avant, l'invention résidant dans
le choix et l'agencement des puces du bloc d'émission.
Le bloc d'émission lumineuse 110 selon l'invention est un composant
CMS. A la figure 11, le bloc d'émission lumineuse 110 est représenté relié à
un support 112 comprenant des pattes métalliques 1161 respectivement 1162,
Chaque patte métallique 1161 respectivement 1162 est reliée électriquement à
une électrode 1151 respectivement 1152. Ces pattes métalliques permettent
un câblage simplifié sur une carte de circuit imprimé.
Chaque puce semiconductrice 114 présente par exemple une forme
d'un carré de 500pm de côté. La distance entre deux puces semiconductrices
114 est de l'ordre de 1,5 mm. Cette distance est mesurée le long d'une droite
117 le long de laquelle son alignées les puces semiconductrices.
Bien sûr, chaque invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent
d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces
exemples sans sortir du cadre de l'invention correspondante.
En particulier toutes les caractéristiques, formes, variantes et modes
de réalisation décrits précédemment sont combinables entre eux selon
diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou
exclusifs les uns des autres.
On pourra également envisager des variantes dites multivoie , c'est-
à-dire comprenant en outre des moyens de séparation spatiale du faisceau
multiplexé en plusieurs faisceaux de même spectre.
