HK1187400B - Device and method for observing and for measuring raman scattering - Google Patents
Device and method for observing and for measuring raman scatteringInfo
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Description
La présente invention concerne le domaine de la spectrométrie Raman. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif et un procédé de visualisation pour spectromètre Raman.The present invention relates to the field of Raman spectrometry. More specifically, the invention relates to a visualization device and method for a Raman spectrometer.
Depuis l'arrivée des sources laser, la spectroscopie Raman a connu un essor formidable et trouve aujourd'hui des applications dans des domaines très variés, allant de la recherche fondamentale à des applications industrielles de contrôle de procédé.Since the arrival of laser sources, Raman spectroscopy has experienced tremendous growth and now finds applications in a wide variety of fields, ranging from fundamental research to industrial process control applications.
La spectroscopie Raman est basée sur la mesure de transitions entre des états vibrationnels d'une structure polyatomique, moléculaire ou ionique (et sur les états de rotations dans le cas de gaz), quel que soit l'état physique de l'échantillon (gaz, liquide, solide amorphe ou cristallin). Un échantillon éclairé par une source de lumière monochromatique (un laser) diffuse de la lumière qui n'est plus monochromatique mais présente des bandes de diffusion à différentes fréquences. Ainsi, le spectre obtenu est composé de trois sources de diffusion : les bandes Rayleigh (diffusion élastique), Stokes et Anti-Stokes (diffusion inélastique). Les fréquences Raman sont spécifiques pour chaque échantillon et sont indépendantes de la fréquence du laser. La spectroscopie Raman permet ainsi une analyse chimique non destructive de solides, liquides, poudres ou de gaz.Raman spectroscopy is based on the measurement of transitions between vibrational states of a polyatomic, molecular or ionic structure (and on rotational states in the case of gases), regardless of the physical state of the sample (gas, liquid, amorphous or crystalline solid). A sample illuminated by a monochromatic light source (a laser) scatters light that is no longer monochromatic but exhibits scattering bands at different frequencies. Thus, the spectrum obtained is composed of three scattering sources: the Rayleigh (elastic scattering), Stokes and Anti-Stokes (inelastic scattering) bands. Raman frequencies are specific for each sample and are independent of the laser frequency. Raman spectroscopy thus allows non-destructive chemical analysis of solids, liquids, powders or gases.
Plus récemment, la miniaturisation des composants optiques a permis de coupler la spectrométrie Raman à la microscopie optique standard pour permettre l'analyse d'échantillons avec une résolution spatiale micrométrique. Le faisceau laser d'excitation est généralement focalisé par un objectif ou une lentille optique. Différents appareils de spectrométrie Raman disposent d'un système de visualisation qui permet d'éclairer l'échantillon et de former une image de l'échantillon sur un écran. Un système de visualisation est généralement basé sur l'utilisation d'une source de lumière blanche (lampe classique), d'une caméra de visualisation et d'un composant optique escamotable, tel qu'une lame semi-transparente, sur le chemin optique de l'instrument de mesure. La mise en place du dispositif de visualisation permet d'effectuer la mise au point sur l'échantillon avant la mesure, par exemple grâce à un système autofocus. Dans un tel dispositif, pour effectuer une mesure de l'échantillon par spectrométrie Raman, il faut retirer le dispositif d'éclairage et de visualisation du chemin optique, par exemple en rétractant la lame semi-transparente hors du chemin optique. Cependant, un tel dispositif peut présenter des difficultés de manipulation. En effet, l'utilisation d'un composant optique escamotable suppose un mouvement mécanique qui entraîne un risque de bougé. De plus, le manque de reproductibilité du mouvement opto-mécanique peut produire une mise au point différente de l'échantillon vu par le système de visualisation et par le système de mesure Raman. More recently, the miniaturization of optical components has made it possible to couple Raman spectrometry with standard optical microscopy to enable the analysis of samples with micrometer spatial resolution. The excitation laser beam is generally focused by an objective or optical lens. Different Raman spectrometry devices have a viewing system that illuminates the sample and forms an image of the sample on a screen. A viewing system is generally based on the use of a white light source (conventional lamp), a viewing camera and a retractable optical component, such as a semi-transparent slide, on the optical path of the measuring instrument. The positioning of the viewing device allows the sample to be focused before measurement, for example using an autofocus system. In such a device, to perform a Raman spectrometry measurement of the sample, the illumination and viewing device must be removed from the optical path, for example by retracting the semi-transparent slide out of the optical path. However, such a device can present handling difficulties. Indeed, the use of a retractable optical component requires a mechanical movement that leads to a risk of movement. In addition, the lack of reproducibility of the opto-mechanical movement can produce a different focus of the sample seen by the viewing system and by the Raman measurement system.
Dans certaines applications, il est souhaitable d'effectuer un suivi de l'échantillon en fonction du temps et il apparaît utile de pouvoir visualiser l'échantillon pendant une série de mesures Raman. Dans certaines applications particulières, il peut même être nécessaire d'effectuer ou d'ajuster la mise au point sur l'échantillon simultanément avec la mesure. Toutefois, l'utilisation d'un dispositif d'éclairage pendant la mesure Raman risque de perturber la mesure des signaux Raman. Premièrement, le laser d'excitation est susceptible de générer de la lumière parasite en direction de la caméra de visualisation, qui risque de saturer le capteur de la caméra et d'empêcher une visualisation correcte de l'échantillon. De plus, la présence permanente d'un composant optique supplémentaire, tel qu'une lame semi-transparente, sur le chemin optique entraîne nécessairement une baisse du signal Raman détecté. Enfin, la source d'éclairement est susceptible de générer de la lumière parasite par diffusion non seulement sur l'échantillon mais aussi sur les composants internes de l'appareil et ainsi de perturber la mesure des signaux Raman. Or la difficulté de mesure des signaux Raman provient essentiellement de la très faible intensité de la diffusion Raman comparée à l'intensité de la diffusion Rayleigh. Il n'est donc pas possible, avec les systèmes actuels, d'effectuer simultanément une mesure Raman et la visualisation d'un échantillon. Les documents de brevet
Un des buts de l'invention est de fournir un dispositif et un procédé de visualisation et de spectrométrie Raman.One of the aims of the invention is to provide a device and a method for Raman visualization and spectrometry.
Un but de l'invention est de fournir un dispositif et un procédé permettant simultanément la visualisation et la mesure par spectrométrie Raman d'un échantillon. La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne plus particulièrement un dispositif optique de spectrométrie Raman et de visualisation d'un échantillon selon la revendication 1. An aim of the invention is to provide a device and a method allowing simultaneous visualization and measurement by Raman spectrometry of a sample. The present invention aims to overcome these drawbacks and relates more particularly to an optical device for Raman spectrometry and visualization of a sample according to claim 1.
Selon différents aspects particuliers l'invention, lesdits moyens optiques de superposition comprennent :
- un filtre optique apte à réfléchir ledit faisceau laser d'excitation de bande spectrale B0 et à transmettre ledit faisceau de visualisation de bande spectrale BV ;
- un filtre optique apte à transmettre ledit faisceau laser d'excitation de bande spectrale B0 et à réfléchir ledit faisceau de visualisation de bande spectrale BV;
- ledit premier moyen de filtrage comprend un filtre optique apte à réfléchir ledit premier faisceau secondaire et à transmettre ledit deuxième faisceau secondaire ;
- ledit premier moyen de filtrage comprend un filtre optique apte à transmettre ledit premier faisceau secondaire et à réfléchir ledit deuxième faisceau secondaire ;
- ledit deuxième moyen de filtrage comprend un filtre optique apte à réfléchir ledit premier faisceau tertiaire et à transmettre ledit deuxième faisceau tertiaire ;
- ledit deuxième moyen de filtrage comprend un filtre optique apte à transmettre ledit premier faisceau tertiaire et à réfléchir ledit deuxième faisceau tertiaire
- ledit filtre optique est choisi parmi un filtre passe-haut, passe-bas, passe-bande ou coupe-bande ;
- an optical filter capable of reflecting said excitation laser beam of spectral band B0 and of transmitting said viewing beam of spectral band BV;
- an optical filter capable of transmitting said excitation laser beam of spectral band B0 and of reflecting said viewing beam of spectral band BV;
- said first filtering means comprises an optical filter capable of reflecting said first secondary beam and transmitting said second secondary beam;
- said first filtering means comprises an optical filter capable of transmitting said first secondary beam and of reflecting said second secondary beam;
- said second filtering means comprises an optical filter capable of reflecting said first tertiary beam and transmitting said second tertiary beam;
- said second filtering means comprises an optical filter capable of transmitting said first tertiary beam and of reflecting said second tertiary beam
- said optical filter is chosen from a high-pass, low-pass, band-pass or band-stop filter;
Selon des aspects particuliers le dispositif de l'invention comporte en outre :
- des moyens de réglage d'autofocus, et/ou
- des moyens de stabilisation d'image couplés à des moyens de déplacement relatif de l'objet par rapport au faisceau d'excitation laser.
- autofocus adjustment means, and/or
- image stabilization means coupled with means for relative movement of the object with respect to the laser excitation beam.
L'invention concerne aussi un procédé de spectrométrie Raman selon la revendication 11. The invention also relates to a Raman spectrometry method according to claim 11.
Cette description donnée à titre d'exemple non limitatif fera mieux comprendre comment l'invention peut être réalisée en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement une répartition spectrale de l'intensité du faisceau laser d'excitation, du faisceau d'éclairage et de visualisation et du faisceau de diffusion Raman ;
- la figure 2 représente schématiquement un exemple de réalisation d'un dispositif de l'invention illustrant le chemin optique des différents faisceaux incidents et diffusés ;
- La figure 3 représente un dispositif selon un mode de réalisation préféré de l'invention ;
- la figure 4 représente schématiquement les spectres en intensité des composants utilisés dans le dispositif de la figure 3 ;
- la figure 5 représente un premier cas de répartition des bandes spectrales; ce cas ne faisant pas partie de l'invention;
- les figures 6 à 9 représentent différents modes de réalisation, ne faisant pas partie de l'invention, utilisant la répartition des bandes spectrales de la figure 5 ;
- la figure 10 représente un deuxième cas de répartition des bandes spectrales, selon l'invention;
- les figures 11 à 18 représentent différents modes de réalisation de l'invention utilisant la répartition des bandes spectrales de la figure 10 ;
- la figure 19 représente un troisième cas de répartition des bandes spectrales; ce cas ne faisant pas partie de l'invention;
- les figures 20 à 23 représentent différents modes de réalisation, ne faisant pas partie de l'invention, utilisant la répartition des bandes spectrales de la figure 19 ;
- la figure 24 représente un quatrième cas de répartition des bandes spectrales; ce cas ne faisant pas partie de l'invention;
- les figures 25 à 28 représentent différents modes de réalisation, ne faisant pas partie de l'invention, utilisant la répartition des bandes spectrales de la figure 24.
- Figure 1 schematically represents a spectral distribution of the intensity of the excitation laser beam, the illumination and visualization beam and the Raman scattering beam;
- Figure 2 schematically represents an exemplary embodiment of a device of the invention illustrating the optical path of the different incident and scattered beams;
- Figure 3 represents a device according to a preferred embodiment of the invention;
- Figure 4 schematically represents the intensity spectra of the components used in the device of Figure 3;
- Figure 5 represents a first case of distribution of the spectral bands; this case is not part of the invention;
- Figures 6 to 9 represent different embodiments, not forming part of the invention, using the distribution of the spectral bands of Figure 5;
- Figure 10 represents a second case of distribution of the spectral bands, according to the invention;
- Figures 11 to 18 represent different embodiments of the invention using the distribution of spectral bands of Figure 10;
- Figure 19 represents a third case of distribution of the spectral bands; this case is not part of the invention;
- Figures 20 to 23 represent different embodiments, not forming part of the invention, using the distribution of the spectral bands of Figure 19;
- Figure 24 represents a fourth case of distribution of the spectral bands; this case not being part of the invention;
- Figures 25 to 28 represent different embodiments, not forming part of the invention, using the distribution of the spectral bands of Figure 24.
L'invention propose un arrangement de filtres permettant de faire du Raman et la visualisation de l'échantillon sans parties mobiles et en simultané.The invention proposes an arrangement of filters allowing Raman and visualization of the sample without moving parts and simultaneously.
L'idée est d'utiliser une gamme spectrale spécifique pour l'éclairement et la visualisation de l'échantillon, cette gamme spectrale étant disjointe de celle du laser et de la plage Raman induite.The idea is to use a specific spectral range for illumination and visualization of the sample, this spectral range being disjoint from that of the laser and the induced Raman range.
La
Un aspect de l'invention consiste à utiliser un faisceau de visualisation ayant une bande spectrale BV distincte de la bande spectrale B0 du laser et de la bande spectrale BR que l'on cherche à mesurer.One aspect of the invention consists in using a viewing beam having a spectral band B V distinct from the spectral band B 0 of the laser and from the spectral band B R which one seeks to measure.
La
La
Un prototype de sonde déportée fibrée, basée sur le schéma de la
La
Les
La
Sur les
La
La
La
La
La
Par exemple, la longueur d'onde λ0 du laser d'excitation est située à 473nm tandis que la bande spectrale de visualisation BV est située dans la partie jaune-rouge du spectre visible, par exemple dans une gamme de longueurs d'onde au dessus de 600 nm.For example, the wavelength λ 0 of the excitation laser is located at 473nm while the viewing spectral band B V is located in the yellow-red part of the visible spectrum, for example in a wavelength range above 600nm.
La bande Raman Stokes est située à des longueurs d'ondes supérieures à la longueur d'onde λ0 d'excitation laser et inférieures à une longueur d'onde λ1 elle-même inférieure à la bande de visualisation BV.The Stokes Raman band is located at wavelengths greater than the laser excitation wavelength λ 0 and less than a wavelength λ 1 itself less than the B V viewing band.
La bande de diffusion Raman Anti-Stokes est située à des longueurs d'ondes inférieures à la longueur d'onde λ0 d'excitation laser.The Anti-Stokes Raman scattering band is located at wavelengths below the laser excitation wavelength λ 0 .
Les configurations illustrées sur les
La
Nous allons d'abord décrire le mode de réalisation de la
Le faisceau laser d'excitation (1) est transmis par un filtre (13e) et réfléchi par un filtre (12e). Le faisceau d'éclairage et de visualisation (2) est transmis par le filtre (12e) qui retransmet le faisceau diffusé dans la bande de visualisation BV.The excitation laser beam (1) is transmitted by a filter (13e) and reflected by a filter (12e). The illumination and viewing beam (2) is transmitted by the filter (12e) which retransmits the beam scattered in the viewing band B V .
Le filtre (12e) réfléchit le faisceau de diffusion Raman (3). Le filtre (13e) réfléchit le faisceau de diffusion Raman (3).Filter (12e) reflects the Raman scattering beam (3). Filter (13e) reflects the Raman scattering beam (3).
Dans la configuration Stokes, le filtre (13e) est un filtre passe-bas qui transmet la bande B0 et réfléchit la bande BR qui a donc une longueur d'onde de coupure située entre la bande B0 et la bande BR.In the Stokes configuration, the filter (13e) is a low-pass filter which transmits the B 0 band and reflects the B R band which therefore has a cut-off wavelength located between the B 0 band and the B R band.
Le filtre (12e) est un filtre passe-haut qui transmet la bande de visualisation BV et réfléchit les bandes spectrales B0 et BR.Filter (12e) is a high-pass filter that transmits the B V viewing band and reflects the B 0 and B R spectral bands.
Le filtre (12e) est un filtre ayant une longueur d'onde de coupure comprise entre la bande Raman BR et la bande de visualisation BV.The filter (12e) is a filter having a cut-off wavelength between the Raman band B R and the viewing band B V .
Dans la configuration de la
La
Le filtre (13f) transmet la bande spectrale de diffusion Raman BR et réfléchit la bande B0 du laser. Dans le cas où on cherche uniquement à mesurer la bande de diffusion Raman Stokes le filtre (13f) est un filtre passe-haut ayant une longueur d'onde de coupure située entre les bandes spectrales B0 et BR. Dans le cas où on cherche à mesurer simultanément les raies de diffusion Raman Stokes et anti-Stokes, le filtre (13f) est un filtre coupe-bande qui réfléchit la bande spectrale B0 du faisceau d'excitation et transmet les bandes de diffusion Raman BR Stokes et Anti-Stokes BR aS.The filter (13f) transmits the Raman scattering spectral band B R and reflects the B 0 band of the laser. In the case where we only want to measure the Stokes Raman scattering band, the filter (13f) is a high-pass filter with a cut-off wavelength located between the B 0 and B R spectral bands. In the case where we want to simultaneously measure the Stokes and anti-Stokes Raman scattering lines, the filter (13f) is a band-stop filter which reflects the B 0 spectral band of the excitation beam and transmits the Stokes Raman scattering bands B R and Anti-Stokes B R aS .
La
Le filtre (12g) superpose le faisceau d'excitation laser (1) et le faisceau d'éclairage et de visualisation (2) en réfléchissant le faisceau laser (1) et en transmettant le faisceau d'éclairage et de visualisation (2) dans la bande spectrale BV. Le filtre (12g) transmet le faisceau de visualisation dans la bande spectrale BV et le faisceau de diffusion Raman (3) et réfléchit le faisceau de diffusion Rayleigh dans la bande spectrale B0.The filter (12g) superimposes the laser excitation beam (1) and the illumination and viewing beam (2) by reflecting the laser beam (1) and transmitting the illumination and viewing beam (2) in the B V spectral band. The filter (12g) transmits the viewing beam in the B V spectral band and the Raman scattering beam (3) and reflects the Rayleigh scattering beam in the B 0 spectral band.
Le filtre (13g) transmet le faisceau de visualisation (2) dans la bande spectrale BV et réfléchit le faisceau de diffusion Raman (3). Le filtre (13g) est un filtre passe-haut ayant une longueur d'onde de coupure située entre la bande spectrale Raman BR et la bande de visualisation BV de manière à transmettre la bande de visualisation BV et à réfléchir la bande spectrale BR.The filter (13g) transmits the viewing beam (2) in the B V spectral band and reflects the Raman scattering beam (3). The filter (13g) is a long-pass filter having a cutoff wavelength located between the Raman spectral band B R and the viewing band B V so as to transmit the viewing band B V and reflect the spectral band B R .
Dans le cas où on souhaite mesurer uniquement la bande spectrale Raman des raies Stokes, le filtre (12g) est un filtre passe-haut qui transmet la bande spectrale BR, la bande spectrale BV et réfléchit la bande spectrale B0. In the case where we wish to measure only the Raman spectral band of the Stokes lines, the filter (12g) is a high-pass filter which transmits the spectral band B R , the spectral band B V and reflects the spectral band B 0 .
Dans le cas où on souhaite mesurer à la fois les raies Stokes et Anti-Stokes, le filtre (12g) est un filtre coupe-bande qui réfléchit la bande spectrale B0, transmet la bande spectrale Raman anti-Stokes, la bande spectrale Raman Stokes et la bande spectrale de visualisation BV.In the case where we want to measure both the Stokes and Anti-Stokes lines, the filter (12g) is a band-stop filter which reflects the B 0 spectral band, transmits the anti-Stokes Raman spectral band, the Stokes Raman spectral band and the B V viewing spectral band.
La
Le filtre (12h) permet de superposer le faisceau laser d'excitation (1) et le faisceau d'éclairage et de visualisation (2) en direction de l'échantillon.The filter (12h) allows the excitation laser beam (1) and the illumination and visualization beam (2) to be superimposed towards the sample.
Sur le faisceau collecté diffusé le filtre (12h) réfléchit le signal diffusé par diffusion Rayleigh dans la bande spectrale B0, transmet le faisceau de visualisation dans la bande spectrale BV et le faisceau de diffusion Rayleigh dans la bande spectrale BR ou BR as.On the collected scattered beam the filter (12h) reflects the signal scattered by Rayleigh scattering in the spectral band B 0 , transmits the viewing beam in the spectral band B V and the Rayleigh scattering beam in the spectral band B R or B R as .
Le filtre (13h) est un filtre passe-bas qui transmet la bande de diffusion Raman BR et réfléchit la bande spectrale de visualisation BV.The filter (13h) is a low-pass filter which transmits the Raman scattering band B R and reflects the viewing spectral band B V .
Dans le cas d'une mesure de raies Stokes uniquement, le filtre (12h) est un filtre passe-haut ayant une longueur d'onde de coupure comprise entre la bande spectrale B0 et la bande spectrale BR de manière à réfléchir la bande spectrale B0 et à transmettre les bandes spectrales BR et BV.In the case of a measurement of Stokes lines only, the filter (12h) is a high-pass filter having a cut-off wavelength between the spectral band B 0 and the spectral band B R so as to reflect the spectral band B 0 and to transmit the spectral bands B R and B V .
Dans le cas où l'on souhaite mesurer les raies Stokes et les raies Anti-Stokes, le filtre (12h) est un filtre coupe-bande qui réfléchit la bande spectrale B0 et transmet les bandes spectrales BR Stokes BR aS anti-Stokes ainsi que les raies de la bande spectrale de visualisation BV.In the case where we wish to measure the Stokes lines and the Anti-Stokes lines, the filter (12h) is a band-stop filter which reflects the spectral band B 0 and transmits the spectral bands B R Stokes B R aS anti-Stokes as well as the lines of the visualization spectral band B V .
La
Le filtre (13i) permet de superposer le faisceau laser d'excitation (1) et le faisceau d'éclairage et de visualisation (2) en direction de l'objet 6 et de l'échantillon.The filter (13i) makes it possible to superimpose the excitation laser beam (1) and the illumination and visualization beam (2) in the direction of the object 6 and the sample.
Le filtre (12i) transmet à la fois le faisceau d'excitation laser (1) et le faisceau de visualisation (2).The filter (12i) transmits both the laser excitation beam (1) and the viewing beam (2).
Sur le faisceau de diffusion collecté, le filtre (12i) sépare le faisceau de diffusion Raman (3) du faisceau de visualisation (2). Le filtre (13i) réfléchit le faisceau de visualisation (2) et transmet le faisceau diffusé Rayleigh à la longueur d'onde du laser.On the collected scattering beam, the filter (12i) separates the Raman scattering beam (3) from the viewing beam (2). The filter (13i) reflects the viewing beam (2) and transmits the Rayleigh scattered beam at the laser wavelength.
Le filtre (13i) est un filtre passe-bas qui transmet la bande B0 et réfléchit la bande Bv.Filter (13i) is a low-pass filter that transmits the B 0 band and reflects the Bv band.
Le filtre (12i) est un filtre coupe-bande large qui transmet la bande B0, réfléchit la bande Raman BR et transmet la bande de visualisation BV. The filter (12i) is a wide band-stop filter that transmits the B 0 band, reflects the Raman B R band and transmits the B V viewing band.
La
Le dispositif de la
Le filtre 12j transmet simultanément le faisceau d'excitation et de d'éclairage et visualisation (2).The 12j filter simultaneously transmits the excitation beam and the illumination and visualization beam (2).
Le filtre (12j) réfléchit le faisceau de diffusion Raman (3) dans la bande spectrale BR et transmet le faisceau de diffusion Rayleigh à la longueur d'onde du laser dans la bande spectrale B0 ainsi que le faisceau de visualisation (2) diffusé par l'échantillon dans la bande spectrale BV.The filter (12j) reflects the Raman scattering beam (3) in the spectral band B R and transmits the Rayleigh scattering beam at the laser wavelength in the spectral band B 0 as well as the viewing beam (2) scattered by the sample in the spectral band B V .
Le filtre (13j) sépare le faisceau de visualisation (2) dans la bande spectrale BV du faisceau de diffusion Rayleigh dans la bande spectrale B0.The filter (13j) separates the viewing beam (2) in the spectral band B V from the Rayleigh scattering beam in the spectral band B 0 .
Le filtre (12j) est un filtre coupe-bande large qui transmet la bande spectrale B0 réfléchit la bande spectrale Raman BR et transmet la bande de visualisation BV.Filter (12j) is a wide band-stop filter that transmits the spectral band B 0 , reflects the Raman spectral band B R and transmits the viewing band B V .
Le filtre (13j) est un filtre passe-haut ayant une longueur d'onde de coupure comprise entre la bande spectrale B0 et la bande de visualisation BV.Filter (13j) is a high-pass filter having a cutoff wavelength between the spectral band B 0 and the viewing band B V .
La
Le faisceau de diffusion collecté comprend une composante spectrale dans la bande de visualisation BV qui est réfléchie par le filtre (12k). Le filtre (12k) est un filtre passe-bas qui transmet la bande spectrale B0 et la bande spectrale de diffusion Raman BR et qui réfléchit la bande spectrale BV.The collected scattering beam includes a spectral component in the B V viewing band which is reflected by the (12k) filter. The (12k) filter is a low-pass filter which transmits the B 0 spectral band and the B R Raman scattering spectral band and reflects the B V spectral band.
Le filtre (13k) transmet le faisceau de diffusion Raman (3) dans la bande spectrale Raman et réfléchit le faisceau de diffusion Rayleigh dans la bande spectrale B0. Pour la mesure des raies Stokes le filtre (13k) peut être un filtre passe-haut ayant une longueur d'onde de coupure située entre la bande spectrale B0 et la bande spectrale Raman Stokes BR. Pour la mesure simultanée des raies Stokes et Anti-Stokes le filtre (13k) est un filtre coupe-bande qui réfléchit la bande spectrale B0 et transmet les bandes spectrales de diffusion Raman Stokes BR et Anti-Stokes BR aS. The filter (13k) transmits the Raman scattering beam (3) in the Raman spectral band and reflects the Rayleigh scattering beam in the B 0 spectral band. For the measurement of the Stokes lines the filter (13k) can be a long-pass filter with a cut-off wavelength located between the B 0 spectral band and the Raman Stokes spectral band B R . For the simultaneous measurement of the Stokes and Anti-Stokes lines the filter (13k) is a band-stop filter which reflects the B 0 spectral band and transmits the Raman Stokes scattering spectral bands B R and Anti-Stokes B R aS .
La
Le dispositif comprend un filtre (12ℓ) qui permet de superposer le faisceau d'excitation laser et le faisceau de visualisation (2) en transmettant le faisceau d'excitation laser (1) et en réfléchissant le faisceau de visualisation (2).The device comprises a filter (12ℓ) which allows the laser excitation beam and the viewing beam (2) to be superimposed by transmitting the laser excitation beam (1) and reflecting the viewing beam (2).
Sur le faisceau de diffusion, le filtre (12ℓ) permet d'extraire le faisceau de visualisation dans la bande spectrale de visualisation BV et transmet le signal de diffusion Raman dans la bande BR ainsi que le signal de diffusion Rayleigh dans la bande spectrale B0. Le filtre (12ℓ) est un filtre passe-bas qui transmet la bande B0 et la bande BR et réfléchit la bande BV et a donc une longueur d'onde de coupure située au dessus de la longueur d'onde λ0 entre la bande Raman BR et la bande spectrale BV de visualisation.On the scattering beam, the filter (12ℓ) allows the viewing beam to be extracted in the B V viewing spectral band and transmits the Raman scattering signal in the B R band as well as the Rayleigh scattering signal in the B 0 spectral band. The filter (12ℓ) is a low-pass filter which transmits the B 0 band and the B R band and reflects the B V band and therefore has a cut-off wavelength located above the λ 0 wavelength between the Raman B R band and the B V viewing spectral band.
Le filtre (13ℓ) réfléchit le signal de diffusion Raman et transmet le signal de diffusion Rayleigh dans la bande spectrale B0. Pour la mesure des raies Raman Stokes uniquement, le filtre (13ℓ) est un filtre passe-bas qui transmet la bande spectrale B0 et réfléchit la bande spectrale Raman BR. Dans le cas où on souhaite mesurer simultanément les raies de diffusion Raman Stokes et Anti-Stokes, le filtre (13ℓ) est un filtre passe-bande qui transmet uniquement la bande spectrale B0 et qui réfléchit les bandes spectrales de diffusion Raman Stokes BR et Anti-Stokes BR aS The filter (13ℓ) reflects the Raman scattering signal and transmits the Rayleigh scattering signal in the B 0 spectral band. For the measurement of Stokes Raman lines only, the filter (13ℓ) is a low-pass filter that transmits the B 0 spectral band and reflects the B R Raman spectral band. In the case where one wishes to measure the Stokes and Anti-Stokes Raman scattering lines simultaneously, the filter (13ℓ) is a band-pass filter that transmits only the B 0 spectral band and reflects the B R and Anti- Stokes Raman scattering spectral bands .
La
La bande de visualisation BV est ici située à des longueurs d'onde inférieures à la bande de diffusion de raies Raman Anti-Stokes BR aS. Les configurations décrites en lien avec les
A la
La
La
La
La
Les
Sur la
La
La
Enfin la
Nous avons décrit un certain nombre de modes de réalisation. Toutefois, cette description n'est pas limitative et d'autres modes de réalisation sont envisageables (autres types de filtres notamment que ceux des exemples); l'invention étant définie par les revendications.We have described a number of embodiments. However, this description is not limiting and other embodiments are conceivable (other types of filters in particular than those of the examples); the invention being defined by the claims.
En particulier, les différentes variantes de modes de réalisation décrits en lien avec les
Selon encore un mode de réalisation particulièrement avantageux, on utilise le même principe avec plusieurs longueurs d'ondes laser d'excitation en même temps et des filtres multi coupures pour séparer les différentes bandes spectrales d'excitation, la bande spectrale de visualisation et les bandes spectrales Raman associées respectivement à chacune des longueurs d'onde laser d'excitation.According to another particularly advantageous embodiment, the same principle is used with several excitation laser wavelengths at the same time and multi-cutoff filters to separate the different excitation spectral bands, the visualization spectral band and the Raman spectral bands associated respectively with each of the excitation laser wavelengths.
Dans les différents cas de filtres utilisés dans des modes de réalisation en lien avec les
Les filtres peuvent être réalisés par des empilements diélectriques ou par la technique des VBG (Volume Bragg Grating).Filters can be made using dielectric stacks or using the VBG (Volume Bragg Grating) technique.
L'invention divulgue un arrangement de filtres sans parties mobiles qui permet d'effectuer une mesure du Raman et de visualiser l'échantillon, la visualisation et la mesure pouvant être simultanées.The invention discloses a filter arrangement without moving parts which allows Raman measurement to be performed and the sample to be viewed, wherein viewing and measurement can be simultaneous.
Le dispositif de visualisation de l'invention est compact et présente un encombrement réduit de moitié comparé à un système de visualisation de l'art antérieur basé sur un composant optique escamotable sur le chemin optique.The display device of the invention is compact and has a footprint reduced by half compared to a display system of the prior art based on a retractable optical component on the optical path.
Le dispositif et le procédé sont simples d'utilisation, car ils ne requièrent pas de moteur ni de parties mobiles. L'absence de pièce mobile rend aussi le dispositif robuste.The device and process are simple to use, as they do not require a motor or moving parts. The absence of moving parts also makes the device robust.
Enfin, le dispositif n'induit quasiment pas de pertes sur le signal Raman (pertes extrêmement minimes de quelques pourcent).Finally, the device induces almost no losses on the Raman signal (extremely minimal losses of a few percent).
Le taux d'extinction des filtres peut être choisi de manière à ce qu'une très faible partie du faisceau provenant de la diffusion Rayleigh du faisceau laser d'excitation soit transmise en direction du système de visualisation de l'échantillon. De cette manière, le système de visualisation permet avantageusement de visualiser simultanément l'échantillon et la position du faisceau laser d'excitation sur l'échantillon. Le faisceau de diffusion Rayleigh étant très atténué, il ne présente pas de risque de saturation du capteur de visualisation, par exemple d'une caméra CCD.The extinction ratio of the filters can be chosen so that a very small part of the beam originating from the Rayleigh scattering of the excitation laser beam is transmitted towards the sample viewing system. In this way, the viewing system advantageously allows the sample and the position of the excitation laser beam on the sample to be viewed simultaneously. Since the Rayleigh scattering beam is very attenuated, it does not present any risk of saturating the viewing sensor, for example a CCD camera.
La possibilité de visualiser l'échantillon en même temps que l'on fait la mesure Raman, rend possible des opérations basées sur le traitement de l'image de l'échantillon. Ainsi il devient possible d'effectuer un réglage d'autofocus en temps réel sur l'image de l'échantillon pendant la mesure Raman. Une autre application rendue possible par l'invention, est le suivi d'objet au cours de la mesure Raman ou une stabilisation d'image (en couplant le dispositif de l'invention à un système de déplacement de l'objet ou du porte-échantillon). D'autres applications automatiques basées par exemple sur des traitements d'image sont également possibles en combinaison avec les mesures Raman.The possibility of viewing the sample at the same time as the Raman measurement is carried out makes possible operations based on the processing of the image of the sample. Thus it becomes possible to carry out an autofocus adjustment in real time on the image of the sample during the Raman measurement. Another application made possible by the invention is object tracking during the Raman measurement or image stabilization (by coupling the device of the invention to a system for moving the object or the sample holder). Other automatic applications based for example on image processing are also possible in combination with Raman measurements.
Le dispositif de l'invention permet simultanément la visualisation d'un échantillon et une mesure Raman de cet échantillon sans induire de pertes d'intensité optique élevées. Avantageusement, ce dispositif est composé d'éléments fixes.The device of the invention allows simultaneous visualization of a sample and Raman measurement of this sample without inducing high optical intensity losses. Advantageously, this device is composed of fixed elements.
Les dispositifs de l'art antérieur impliquent soit une visualisation et une mesure séquentielles, soit une visualisation concomitante d'une mesure, mais avec des pertes élevées en intensité optique. Un dispositif de l'art antérieur basé sur un ou deux séparateurs de faisceau (de type lame séparatrice ou cube séparateur) a une efficacité limitée entre 6 et 25 %.Prior art devices involve either sequential viewing and measurement, or concurrent viewing and measurement, but with high optical intensity losses. A prior art device based on one or two beam splitters (of the beam splitter or beam splitter cube type) has a limited efficiency of between 6 and 25%.
L'efficacité (en transmission optique) d'un dispositif de l'invention composé de deux filtres est supérieure ou égale à 90%, ou même à 95 %. Le dispositif de l'invention a l'avantage de réduire considérablement les pertes optiques, et de permettre la mesure d'un signal Raman qui est toujours très faible.The efficiency (in optical transmission) of a device of the invention composed of two filters is greater than or equal to 90%, or even 95%. The device of the invention has the advantage of considerably reducing optical losses, and of allowing the measurement of a Raman signal which is always very weak.
Claims (11)
- An optical device for Raman spectrometry and for viewing a sample (7), said device comprising:- an excitation laser source (10) adapted to generate an excitation laser beam (1) having a spectral band B0 centered about a wavelength λ0,- detection means (18) adapted to detect a Raman scattering beam (3) in a spectral band consisted of a measurement band BR aS of anti-Stokes lines and a measurement band BR of Stokes lines,characterized in that the device comprises:- a viewing light source (11) adapted to generate a viewing beam (2) having spectral band Bv distinct from the spectral band B0 of the laser and distinct from the spectral band of the Raman scattering beam (3) to be measured, wherein the wavelength λ0 of the excitation laser source (10) is located at 473 nm, the viewing spectral band Bv of the viewing beam is located in a wavelength range above 600 nm, the spectral band B0 of the laser, the spectral band Bv of the viewing beam and the spectral band of the Raman scattering beam being defined in wavelength in such a manner that:-viewing means (17) adapted to detect the collected beam (22) in the spectral band Bv,- optical superimposition means consisted of a first filter and/or a second filter adapted to be placed on the optical path of an excitation laser beam (1) having a spectral band B0 centered about a wavelength λ0 and on the optical path of a viewing beam (2) having a spectral band Bv distinct from the spectral band B0 of the laser and distinct from the spectral band of the Raman scattering beam (3) to be measured, so as to form a combined excitation and viewing incident beam toward the sample (7);- an optical system adapted to direct the combined excitation and viewing incident beam toward the sample (7);- optical separation means adapted to be placed on the path of a collected beam coming from the scattering of the combined excitation and viewing incident beam on the sample (7), said optical separation means being consisted of:i. the first filter (12, 12a, 12b, ..., 12r) adapted to spatially separate said collected beam into a first and a second secondary beams, said first secondary beam comprising a spectral band chosen from the spectral band B0 of the laser, the spectral band Bv of the viewing beam and the spectral band of the Raman scattering beam, and said second secondary beam comprising the two other remaining spectral bands among the spectral band B0 of the laser, the spectral band Bv of the viewing beam and the spectral band of the Raman scattering beam; andii. the second filter (13, 13a, 13b, ..., 13r) placed on the path of the second secondary beam and adapted to spatially separate said second secondary beam into a first and a second tertiary beams, each respectively comprising one of the two remaining spectral bands among the spectral band B0 of the laser, the spectral band Bv of the viewing beam and the spectral band of the Raman scattering beam and- an optical system adapted to direct the secondary or tertiary beam (22) of spectral band Bv toward said viewing means (17); and- an optical system adapted to direct the secondary or tertiary Raman scattering beam (3) in the spectral band BR toward said detection means (18).
- The device according to claim 1 characterized in that said optical superimposition means comprise an optical filter adapted to reflect said excitation laser beam of spectral band B0 and to transmit said viewing beam of spectral band Bv.
- The device according to claim 1 characterized in that said optical superimposition means comprise an optical filter adapted to transmit said excitation laser beam of spectral band B0 and to reflect said viewing beam of spectral band BV.
- The device according to one of claims 1 to 3 characterized in that said first filter comprises an optical filter adapted to reflect said first secondary beam and to transmit said second secondary beam.
- The device according to one of claims 1 to 4 characterized in that said first filter comprises an optical filter adapted to transmit said first secondary beam and to reflect said second secondary beam.
- The device according to one of claims 1 to 5 characterized in that said second filter comprises an optical filter adapted to reflect said first tertiary beam and to transmit said second tertiary beam.
- The device according to one of claims 1 to 5 characterized in that said second filter comprises an optical filter adapted to transmit said first tertiary beam and to reflect said second tertiary beam.
- The device according to one of claims 3 to 7 characterized in that said optical filter is chosen among a high-pass, low-pass, band-pass or notch filter.
- The device according to one of claims 1 to 8 characterized in that it further comprises autofocus adjustment means.
- The device according to one of claims 1 to 9 characterized in that it further comprises image stabilization means coupled to means for relative displacement of the object with respect to the laser excitation beam.
- A method for Raman spectrometry and for viewing a sample comprising the following steps:- superimposing an excitation laser beam (1) having a spectral band B0 centered about a wavelength λ0 located at 473 nm and a viewing beam (2) having a spectral band Bv located in a wavelength range above 600 nm, the spectral band Bv of the viewing beam being distinct from λ0 and distinct from the spectral band of the Raman beam (3) to be measured consisted of a measurement band BR aS of anti-Stokes lines and a measurement band BR of Stokes lines, so as to direct on a sample (7) a combined excitation and illumination beam;- collecting an optical beam scattered by said sample (7);- spatially and spectrally separating said collected beam into two secondary beams, the first secondary beam comprising a spectral band chosen among the spectral band B0 of the laser, the spectral band BV of the viewing beam and the spectral band BR of the Raman scattering beam, and the second secondary beam comprising the two other remaining spectral bands among the spectral band B0 of the laser, the spectral band BV of the viewing beam and the spectral band of the Raman scattering beam, the spectral band B0 of the laser, the spectral band BV of the viewing beam and the spectral band of the Raman scattering beam being defined in wavelength in such a manner that:- spatially and spectrally separating said second secondary beam into two tertiary beams, each comprising one of the two remaining spectral bands among the spectral band B0 of the laser, the spectral band Bv of the viewing beam and the spectral band BR of the Raman scattering beam;- detecting the secondary or tertiary collected beam comprising the spectral band of the Raman scattering beam consisted of the measurement band BR aS of anti-Stokes lines and the measurement band BR of Stokes lines;- detecting the secondary or tertiary collected beam comprising the spectral band Bv of the viewing beam.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1060898 | 2010-12-21 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| HK1187400A HK1187400A (en) | 2014-04-04 |
| HK1187400B true HK1187400B (en) | 2022-02-25 |
Family
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