FR2957156A1 - Dispositif de focalisation permettant d'obtenir une tache lumineuse isotrope - Google Patents

Abstract

L'invention concerne le domaine de l'optique et plus particulièrement un dispositif de focalisation (1) permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope (2) comprenant au moins, alignés le long d'un axe optique (3) : - une source de lumière (4) et - un objectif (5) convergent, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un dispositif de mise en forme (6) du faisceau incident, agencé entre la source de lumière cohérente et l'objectif et conçu pour modifier le faisceau incident de façon à définir, conjointement avec l'objectif, deux points focaux distincts en lesquels la lumière incidente forme respectivement des première et seconde tâches lumineuses cohérentes entre elles et ayant sensiblement la même distribution de champ électrique et - un dispositif de réflexion (11) situé à mi-distance entre les deux points focaux et propre à former ladite tâche lumineuse isotrope par réflexion de la seconde tâche lumineuse sur la première tâche lumineuse.

Description

Dispositif de focalisation permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope L'invention concerne de façon générale le domaine de l'optique. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de focalisation permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope comprenant au moins, alignés le long d'un axe optique : û une source de lumière pour générer un faisceau incident se propageant selon l'axe optique, et û un objectif convergent. Un dispositif de ce type est par exemple décrit dans le document EP 0 491 289 qui décrit plus spécifiquement un microscope. Dans le domaine de la microscopie optique, la faible résolution axiale, c'est-à-dire la faible résolution selon l'axe optique ou selon z, des microscopes est un problème qui se retrouve dans la plupart des microscopes commercialisés. Par exemple, pour les meilleurs objectifs, la résolution axiale n'est que de l'ordre du micron, quand la résolution transverse est de l'ordre de 300 nanomètres. La raison principale de cette anisotropie provient du fait que l'on éclaire et que l'on observe l'échantillon à travers un objectif placé d'un seul côté de l'échantillon. En règle générale, les utilisateurs s'accommodent de cette anisotropie. Cependant, certains microscopes « avancés » ont été commercialisés pour remédier à cette difficulté. Ils reposent sur des inventions relativement récentes.

Il existe des masques de phase propres à modifier le faisceau incident avant son passage par un objectif de manière à réduire l'étalement selon z de la tâche lumineuse obtenu par focalisation. Cependant, cette technique ne permet que des améliorations marginales, c'est-à-dire une réduction de 20 à 30% de l'étalement selon z.

Parmi les microscopes « avancés » propres à améliorer la résolution axiale de la tâche lumineuse, le document WO 0007056 enseigne un « thêta » microscope propre à obtenir une résolution quasi-isotrope de la tâche lumineuse. Utilisé dans le domaine de la microscopie en fluorescence, son principe consiste à éclairer l'objet selon un axe et à détecter la fluorescence selon un axe orthogonal au premier. La fonction d'appareil résultante étant le produit des fonctions d'illumination et de détection, elle est à peu près isotrope. Ce microscope nécessite deux objectifs (pour l'illumination et la collection) dont l'encombrement impose à chacun une faible ouverture numérique. Cela limite l'intérêt de cette approche en termes de résolution. Une autre version du thêta microscope à un seul objectif existe. Il nécessite d'introduire un porte échantillon relativement complexe, fait d'un miroir horizontal et de prismes métallisés. Dans les deux cas, le réglage du thêta microscope est difficile car il faut faire coïncider les volumes de détection et d'illumination, ces derniers étant obtenus par des chemins optiques différents. Egalement parmi les microscopes « avancés » propres à améliorer la résolution axiale de la tâche lumineuse, le document EP 0 491 289 ou le document WO2005/033768 enseigne un « 4pi » microscope qui utilise deux objectifs se faisant face, pour obtenir une tâche lumineuse isotrope. La tâche lumineuse est plus particulièrement obtenue en faisant interférer les deux champs focalisés obtenus en éclairant les deux objectifs de manière cohérente. Dans le domaine de la microscopie en fluorescence, la détection de fluorescence est obtenue de manière similaire en faisant interférer la lumière collectée par les deux objectifs. De par sa conception, le 4pi microscope est très difficile à régler et très coûteux. Sa mise en oeuvre est très délicate. Elle nécessite un montage assez différent des microscopes à balayage standard (deux objectifs et un système interférométrique de détection). Ensuite, le document WO 9418594 enseigne un « Standing-Wave (SW) » microscope propre à améliorer la résolution axiale du microscope. L'échantillon est placé à proximité d'un miroir mobile. Le miroir est éclairé par une onde plane se propageant selon l'axe optique (ou selon z), qui, en se réfléchissant, crée un système d'onde stationnaire. La fluorescence est collectée par un objectif de microscope conventionnel ou par deux objectifs (technique I5M). En translatant le système d'onde stationnaire, on peut obtenir une image 3D de l'échantillon. Cette technique, beaucoup plus simple à mettre en oeuvre que le 4pi microscope a une résolution transverse et axiale bien moins bonne que ce dernier. Le document WO2008/144434 enseigne une approche qui consiste à éclairer l'échantillon par une grille de lumière dans le plan (x0y) (et non selon z comme dans le Standing Wave microscope). A partir de trois images correspondant à trois positions de la grille, on peut, à l'aide d'un traitement numérique, éliminer en partie la fluorescence ne provenant pas du plan focal et ainsi améliorer la résolution selon l'axe optique de l'image. Cette technique dite « large champ » n'est pas compatible avec une imagerie point par point.

Elle ne peut donc pas être utilisée pour des applications nécessitant d'éclairer l'échantillon avec un tout petit volume de lumière (pour de la spectroscopie de corrélation de fluorescence par exemple). Récemment, il a été proposé, par le document WO2008/0515, de combiner le SW microscope et l'éclairement structuré. L'échantillon est placé à proximité d'un élément diffractant (réseau métallisé). Cet élément peut être déplacé par rapport à l'échantillon dans les trois dimensions. Cet élément diffractant crée un système d'onde stationnaire complexe dans les trois dimensions de l'espace. On enregistre plusieurs images en translatant cette grille et on reconstruit la carte de fluorescence de l'échantillon grâce à des algorithmes de reconstruction. Ce microscope est un microscope large-champ et n'est pas compatible avec une imagerie point à point. Plus particulièrement, son éclairement consiste en une fonction périodique dans les trois dimensions de l'espace, mais ne consiste pas en une tâche lumineuse isotrope.

Par ailleurs, il existe des lentilles structurées (cf. le document US005760871) propres à mettre en forme un faisceau incident ou front d'onde incident avant son passage par un objectif de manière à obtenir, conjointement avec l'objectif, deux foyers. Les applications de ce type de lentilles sont plutôt d'ordre ophtalmologique.

Dans ce contexte, la présente invention propose une solution applicative permettant de pallier un ou plusieurs des inconvénients précédemment évoqués.

A cette fin, le dispositif de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend : û un dispositif de mise en forme du faisceau incident, agencé entre la source de lumière et l'objectif et conçu pour modifier le faisceau incident de façon à définir, conjointement avec l'objectif, un premier point focal et au moins un second point focal distincts entre eux et en lesquels la lumière incidente forme respectivement une première tâche lumineuse et au moins une seconde tâche lumineuse, lesdites tâches lumineuses étant cohérentes entre elles et ayant sensiblement la même distribution de champ électrique, et û un dispositif de réflexion situé entre le premier point focal et ledit au moins un second point focal, le dispositif de réflexion étant propre à former ladite tâche lumineuse isotrope par réflexion de ladite au moins une seconde tâche lumineuse sur la première tâche lumineuse. Le dispositif selon l'invention forme donc la tâche lumineuse isotrope, par interférences entre ladite au moins une seconde tâche lumineuse et la première tâche lumineuse. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'objectif est propre à atteindre un angle d'éclairement par rapport à l'axe optique supérieur à 60°. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'objectif est un objectif à immersion. Le dispositif selon l'invention permet ainsi avantageusement d'atteindre une ouverture numérique de l'objectif supérieure à 1. Dans un mode de réalisation de l'invention, le dispositif de mise en forme du faisceau incident est un masque à décalage de phase. Le masque à décalage de phase module en phase le faisceau incident. Il est passif et bon marché.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de mise en forme du faisceau incident est un modulateur spatial de lumière ou un miroir déformable propre à modifier l'intensité, la phase et/ou la polarisation du faisceau incident.

Le modulateur spatial de lumière présente l'avantage d'être actif. Il se présente sous la forme d'une matrice par exemple de cristaux liquides ou de micro-miroirs dont l'orientation est commandée par un champ électrique. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif de mise en forme du faisceau incident est un dispositif comprenant au moins deux lentilles et un séparateur de faisceau. Le positionnement relatif des lentilles permet alors de fixer simplement la position des points focaux. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de réflexion est un miroir plan. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif de réflexion est un miroir déformable ou déformé par rapport à un miroir plan. L'utilisation d'un miroir déformable permet de corriger les aberrations optiques du dispositif de mise en forme du faisceau incident et de l'objectif du microscope. S'il est connu lesdites aberrations, et par conséquent les corrections à y apporter, l'utilisation d'un miroir déformé par rapport à un miroir plan est non seulement envisageable, mais également préférable pour des raisons de coût, ledit miroir déformé étant propre à corriger les aberrations optiques du dispositif de mise en forme du faisceau incident et de l'objectif du microscope et étant passif donc moins cher que le miroir déformable. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif de réflexion est un miroir concave ou à multiples facettes. Dans le cas où une pluralité de secondes tâches lumineuses sont définies par le dispositif de mise en forme conjointement avec l'objectif, le miroir concave ou à multiples facettes est avantageusement agencé entre le premier point focal et les seconds points focaux, pour réfléchir chacune desdites secondes tâches lumineuses sur la première tâche lumineuse. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de focalisation permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope comprend un système de balayage opto-mécanique. Le dispositif selon l'invention est ainsi avantageusement agencé pour balayer un échantillon.

Dans un mode de réalisation de l'invention, le système de balayage opto-mécanique comprend au moins une platine motorisée de translation dans les trois directions de l'espace. La platine motorisée de translation est par exemple agencée pour supporter l'échantillon et le dispositif selon l'invention est ainsi avantageusement agencé pour balayer l'échantillon dans sa largeur, sa longueur et son épaisseur. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le système de balayage comprend au moins une platine motorisée de rotation.

La platine motorisée de rotation est par exemple agencée pour supporter un miroir déviant la source de lumière cohérente et le dispositif selon l'invention est ainsi avantageusement agencé pour faire varier l'angle d'incidence du faisceau incident, et ainsi balayer l'échantillon dans un plan transverse à l'axe optique.

Selon une particularité, le dispositif de focalisation permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope est tel qu'il comprend en outre : û un séparateur de faisceau agencé entre la source de lumière et le dispositif de mise en forme du faisceau incident, et û un détecteur de lumière agencé pour capter un faisceau collecté 20 se propageant dans le sens opposé au sens de propagation du faisceau incident, ledit dispositif de focalisation permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope constituant ainsi un microscope confocal. Ainsi, l'homme de métier comprend que le dispositif selon l'invention 25 est tout à fait exploitable dans un microscope confocal à balayage ou à champ large. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le détecteur de lumière est un détecteur ponctuel ou un détecteur matriciel. Le dispositif selon l'invention permet ainsi de créer des images 30 bidimensionnelles ou stéréoscopiques de l'échantillon observé. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif comprend en outre des moyens de traitement du faisceau collecté, ces moyens de traitement étant placés en amont du détecteur de lumière.

Un montage interférométrique peut ainsi être placé, avant la détection, pour compenser le retard de phase d'une partie de la lumière émise par l'échantillon, ce retard étant induit par la réflexion sur le dispositif de réflexion.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : û la figure 1 représente un schéma de principe d'un microscope confocal selon l'art antérieur, û la figure 2 représente une première partie du dispositif de focalisation permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope selon l'invention, û la figure 3 représente le dispositif de focalisation permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope selon l'invention, et û la figure 4 illustre un microscope confocal intégrant le dispositif de focalisation permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope selon l'invention. Comme illustré sur la figure 3, le dispositif de focalisation 1 permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope 2 comprend au moins, alignés le long d'un axe optique 3 : û une source de lumière 4 pour générer un faisceau incident se propageant selon l'axe optique, et û un objectif 5 convergent. Dans l'acceptation la plus large du dispositif selon l'invention, la source de lumière 4 peut être incohérente. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, la source de lumière 4 est cohérente. A titre d'exemple, il comprend un laser, plus particulièrement un laser émettant un rayonnement d'une longueur d'onde égale à 630 nanomètres environ. Il est à noter que la source de lumière 4 cohérente n'est pas limitée à cette préférence et toute autre source de lumière cohérente est envisageable, telle que par exemple une lampe à sodium ou un maser. Il est également à noter que l'étalement transverse de chaque tâche lumineuse 9 ou 10 est proportionnel à la longueur d'onde du rayonnement incident. L'objectif doit permettre d'atteindre des angles d'éclairement par rapport à l'axe optique supérieurs à 60°. En effet, une telle ouverture angulaire ou numérique permet de focaliser des tâches lumineuses dont l'étalement axial, quoique bien supérieur à l'étalement transverse, est suffisamment petit pour obtenir après interférence axiale sur le miroir une tâche lumineuse isotrope. Une ouverture angulaire inférieure fait apparaître plusieurs lobes secondaires autour de la tâche lumineuse isotrope qui ne sont pas souhaitables, hormis dans certaines applications spécifiques. Dans un mode réalisation préféré de l'invention, l'objectif 5 est un objectif à immersion. L'utilisation d'un objectif à immersion permet d'éliminer la lame d'air entre l'objectif et un échantillon à éclairer, en la remplaçant par un liquide (par exemple des huiles de synthèse dont l'indice est proche de celui du verre). Dans ce cas, le dispositif selon l'invention permet avantageusement d'atteindre une ouverture numérique supérieure à 1. Dans le mode réalisation préféré de l'invention, le dispositif est tel qu'il comprend en outre : û un dispositif de mise en forme 6 du faisceau incident, agencé entre la source de lumière cohérente et l'objectif et conçu pour modifier le faisceau incident de façon à définir, conjointement avec l'objectif, deux points focaux 7 et 8 distincts, et û un dispositif de réflexion 11 situé à mi-distance entre les deux points focaux.

Comme illustré sur la figure 2, le dispositif de mise en forme 6 du faisceau incident est propre à modifier la lumière incidente. La lumière incidente n'est plus un faisceau homogène, mais un faisceau mis en forme pour former des première et seconde tâches lumineuses 9 et 10 sur les premier et second points focaux 7 et 8 respectivement. Le dispositif de mise en forme est plus particulièrement agencé de façon à ce que les première et seconde tâches lumineuses 9 et 10 soient cohérentes entre elles et aient sensiblement la même distribution de champ électrique. Cette dernière caractéristique signifie que les première et seconde tâches lumineuses 9 et 10 ont sensiblement la même intensité, la même polarisation et le même étalement spatial. Ainsi, et comme illustré sur la figure 3, le dispositif de réflexion est propre à former ladite tâche lumineuse isotrope 2 par réflexion par le dispositif de réflexion 11 de la seconde tâche lumineuse sur la première tâche lumineuse. La seconde tâche lumineuse 10 et la première tâche lumineuse 9 ainsi superposés interfèrent entre eux au moins axialement pour former la tâche lumineuse isotrope 2. Ladite tâche lumineuse isotrope est ainsi parfaitement localisée. Il est à noter que, y compris dans le cas où le faisceau incident est émis par une source de lumière incohérente, le dispositif de mise en forme est propre à définir, conjointement avec l'objectif, des tâches lumineuses cohérentes entre elles et sensiblement de même distribution de champ électrique. Des dispositifs de mise en forme 6 de différents types peuvent être envisagés tels que : û un masque à décalage de phase ou PSM (Phase Shift Mask selon la terminologie anglaise), ou û un modulateur spatial de lumière ou SLM (Spatial Light Modulator selon la terminologie anglaise), ou û un miroir déformable, ou encore - un dispositif comprenant au moins deux lentilles et un séparateur de faisceau. Le masque à décalage de phase est un masque comportant des zones qui sont différentes par leur indice de réfraction ou par leur épaisseur et qui sont réparties de manière symétrique sous forme de bandes superposées ou concentriques ou sous forme matricielle. Il module en phase le faisceau incident. Le masque de phase est passif et bon marché. Les lentilles bifocales sont un exemple spécifique de masque à décalage de phase particulièrement bien adaptées à la présente invention.

Le modulateur spatial de lumière ou le miroir déformable est propre à modifier l'intensité, la phase et/ou la polarisation du faisceau incident. Il présente l'avantage d'être actif. En effet, il se présente généralement sous la forme d'une matrice par exemple de cristaux liquides ou de micro-miroirs dont l'orientation est commandée par un champ électrique. Il permet de moduler la position de la tâche lumineuse isotrope le long de l'axe optique, en faisant varier la position relative des première et seconde tâches lumineuses 9 et 10 le long de ce même axe. Il permet également de corriger les aberrations optiques éventuelles par la mise en oeuvre d'un algorithme d'optimisation duquel dépend le champ électrique commandant le modulateur spatial de lumière ou le miroir déformable. Le modulateur spatial de lumière ou le miroir déformable est cependant onéreux par rapport à un masque à décalage de phase.

Le dispositif comprenant au moins deux lentilles et un séparateur de faisceau (non représenté) présente l'avantage que le positionnement relatif des lentilles permet de fixer la position des points focaux. Ainsi, un simple déplacement le long de l'axe optique de l'une ou l'autre ou les deux lentilles dudit dispositif permet de déplacer les points focaux, et par conséquent la tâche lumineuse isotrope, le long de l'axe optique. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif de réflexion 11 est un miroir plan. Il est à noter que le faisceau réfléchi dépend des propriétés de réflexion du dispositif de réflexion. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif de réflexion 11 est un miroir déformable ou un miroir déformé par rapport au miroir plan. L'utilisation d'un miroir déformable permet de corriger les aberrations du dispositif de mise en forme du faisceau incident et de l'objectif du microscope.

De plus, s'il est connu lesdites aberrations optiques, et par conséquent les corrections à y apporter, l'utilisation d'un miroir déformé par rapport à un miroir plan est non seulement envisageable, mais également préférable pour des raisons de coût, ledit miroir déformé étant propre à corriger les aberrations optiques du dispositif de mise en forme du faisceau incident et de l'objectif du microscope et étant passif donc moins cher que le miroir déformable. Dans un autre mode réalisation de l'invention (non représenté), le dispositif de mise en forme 6 du faisceau incident est conçu pour modifier le faisceau incident de façon à définir, conjointement avec l'objectif, un premier point focal et une pluralité de seconds points focaux, les premier et seconds points focaux étant distincts entre eux, et le dispositif de réflexion 11 est situé entre le premier point focal et lesdits seconds points focaux. Les seconds points focaux sont répartis dans le demi-espace défini an aval du plan transverse à l'axe optique au niveau du premier point focal. En chaque second point focal, la lumière incidente forme une seconde tâche lumineuse. Les première et secondes tâches lumineuses ainsi formées sont cohérentes entre elles et ont sensiblement la même distribution de champ électrique.

Dans ce mode de réalisation, le dispositif de réflexion est un miroir concave ou à multiples facettes avantageusement agencé pour que chaque seconde tâche lumineuse soit réfléchie par le dispositif de réflexion sur le premier point lumineux. Plus particulièrement, en se limitant, à titre d'exemple illustratif, au cas comprenant un miroir multi-facettes, chaque facette du miroir est située à mi-distance entre le premier point focal et un second point focal parmi la pluralité de seconds points focaux, de sorte que chaque seconde tâche lumineuse soit réfléchie sur la première tâche lumineuse par la facette qui lui correspond. Le dispositif selon l'invention forme donc la tâche lumineuse isotrope, par interférences axiales et transverses entre ladite pluralité de secondes tâches lumineuses et la première tâche lumineuse. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif est tel qu'il comprend un système de balayage opto-mécanique. Le dispositif selon l'invention est ainsi avantageusement agencé pour balayer un échantillon.

Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le système de balayage opto-mécanique comprend au moins une platine motorisée de translation dans les trois directions de l'espace et/ou au moins une platine motorisée de rotation. Dans les cas de figure où l'échantillon bouge et la tâche lumineuse isotrope reste fixe dans l'espace, un masque à décalage de phase ou un dispositif comprenant au moins deux lentilles et un séparateur de faisceau suffit pour la mise en forme du faisceau incident. Autrement dit, il n'est pas nécessaire d'utiliser des dispositifs de mise en forme du faisceau incident plus onéreux tels qu'un modulateur spatial de lumière ou un miroir déformable. La platine motorisée de translation est par exemple agencée pour supporter l'échantillon de sorte que le dispositif selon l'invention est avantageusement agencé pour balayer l'échantillon dans sa largeur, sa longueur et son épaisseur. Dans le cas où les deux points focaux 7 et 8 sont séparés d'une distance inférieure à 50 micromètres, il est avantageux de déposer l'échantillon sur le miroir. Dans cet exemple, la platine motorisée de translation est agencée pour supporter le miroir sur lequel est collé l'échantillon à éclairer. Son déplacement permet de balayer l'échantillon dans sa largeur et sa longueur. Le balayage selon la profondeur nécessite un dispositif de mise en forme du faisceau incident actif (miroir déformable, SLM ou un système formé de deux lentilles et un séparateur de faisceau). Dans un autre exemple, une première platine est agencée pour supporter l'objectif et une seconde platine est agencée pour supporter le dispositif de réflexion, ce dernier pouvant être un miroir plan ou un miroir déformable ou déformé par rapport à un miroir plan. Les mouvements de translation des deux platines sont limités à une translation le long de l'axe optique et sont synchronisés. Le dispositif selon l'invention est ainsi avantageusement agencé pour déplacer le point focal le long de l'axe optique, et ainsi balayer l'échantillon dans son épaisseur. L'échantillon peut en outre être monté sur une autre platine motorisée de translation permettant toute translation de l'échantillon dans le plan transverse à l'axe optique au niveau du premier point focal, autrement dit dans le plan transverse. Dans ce dernier cas, un miroir plan est préféré. La platine motorisée de rotation est par exemple agencée pour supporter un miroir plan (non représenté) propre à dévier la source de lumière cohérente. Le dispositif selon l'invention est ainsi avantageusement agencé pour faire varier l'angle d'incidence du faisceau incident, et ainsi balayer l'échantillon dans le plan transverse. Il est alors souhaitable d'utiliser pour la mise en forme du faisceau incident un modulateur spatial de lumière ou un miroir déformable de façon à pouvoir balayer l'échantillon également dans son épaisseur.

Selon une particularité, le dispositif de focalisation permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope selon l'invention comprend en outre un séparateur de faisceau 12 et un détecteur de lumière 13. Selon un premier exemple représenté sur la figure 1, le séparateur de faisceau 12 est agencé selon un angle de 45° par rapport à l'axe optique et est conçu pour ne pas dévier le faisceau incident et pour dévier, d'un angle de 90° par rapport à l'axe optique, un faisceau réfléchi se propageant dans le sens opposé au sens de propagation du faisceau incident. Selon cet exemple, le détecteur de lumière 13 est agencé selon un angle de 90° par rapport à l'axe optique à la perpendiculaire du séparateur de faisceau pour capter un faisceau collecté. Dans un deuxième exemple représenté sur la figure 4, la source de lumière cohérente est agencée selon un angle de 90° par rapport à l'axe optique à la perpendiculaire du séparateur de faisceau. Le séparateur de faisceau 12 est alors agencé selon un angle de 45° par rapport à l'axe optique et est conçu pour dévier le faisceau incident d'un angle de 90° de façon à ce que celui-ci se propage le long de l'axe optique. Le séparateur de faisceau 12 est agencé en outre pour ne pas dévier le faisceau réfléchi et le détecteur de lumière 13 est agencé le long de l'axe optique pour capter le faisceau collecté. En outre et comme illustré sur la figure 4, il est à noter que, dans ces exemples, le séparateur de faisceau est agencé entre la source de lumière cohérente et le dispositif de mise en forme du faisceau incident. Selon l'invention, le faisceau réfléchi repasse par l'objectif pour traverser à nouveau le dispositif de mise en forme. Le faisceau ainsi collecté rencontre le séparateur de faisceau, pour être dirigé vers et capté par le détecteur de lumière. Le dispositif de mise en forme est ainsi apte à mettre en forme le faisceau réfléchi, et ce d'une manière inversée ou non par rapport à la mise en forme du faisceau incident. A titre d'exemple non limitatif, le modulateur spatial de lumière ou le miroir déformable permet ainsi de corriger les aberrations optiques liées aux éventuelles imperfections du dispositif de réflexion.

De même, le rôle du dispositif de réflexion peut être joué par un autre modulateur spatial de lumière, pour simuler un miroir parfait ou pour maîtriser les imperfections de ce miroir simulé. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif comprend en outre un sténopé 16 situé à proximité du détecteur de lumière. Le faisceau collecté capté par le détecteur n'est ainsi pas perturbé par la lumière émise par d'autres sources de lumière. Dans un premier mode de réalisation de l'invention, le détecteur de lumière est un détecteur ponctuel comprenant par exemple un 10 photomultiplicateur ou une photodiode à avalanche. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le détecteur de lumière est un détecteur matriciel comprenant par exemple un ensemble de photomultiplicateurs ou une caméra à capteurs de transfert de charge. Le dispositif selon l'invention permet ainsi de créer des images 15 bidimensionnelles ou stéréoscopiques de l'échantillon observé. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend en outre des moyens de traitement du faisceau collecté, ces moyens de traitement étant placés en amont du détecteur de lumière. Un montage interférométrique peut ainsi être placé, avant la détection pour 20 compenser le retard de phase d'une partie de la lumière émise par l'échantillon induit par la réflexion sur le miroir, en particulier dans le cas où cette fonction ne serait pas remplie par le dispositif de mise en forme du faisceau incident et réfléchi. Comme illustré sur la figure 4, ledit dispositif de focalisation 25 permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope constitue ainsi un microscope confocal 14. Ainsi, l'homme de métier comprend que le dispositif selon l'invention est tout à fait exploitable ou intégrable dans un microscope confocal, tel que celui représenté sur la figure 1. De plus, le microscope confocal amélioré du dispositif selon l'invention peut être à balayage ou à 30 champ large et utilisé, comme les microscopes confocaux antérieurs, pour étudier des échantillons fluorescents. On notera que le dispositif selon l'invention permet de collecter aussi bien la lumière émise vers l'objectif que celle émise vers le dispositif de réflexion. Cette propriété est particulièrement intéressante lorsque l'échantillon présente des propriétés d'émission (ou de diffusion) fortement anisotropes. Un autre mode d'utilisation de l'invention (4), qui n'est pas exploitable dans le cas du microscope confocal (1) est l'observation d'échantillons absorbants. Dans ce cas, on collecte la lumière renvoyée par le miroir. Cette dernière peut être fortement atténuée si l'on a focalisé sur une région absorbante. Le dispositif selon l'invention peut s'adapter sur la plupart des microscopes existant avec des modifications mineures et, en particulier, sur tous les microscopes modernes à balayage en régime d'optique linéaire ou non-linéaire. Il suffit de déposer l'échantillon à proximité d'un miroir et de mettre en forme le faisceau incident. La mise en forme peut aussi servir à corriger les aberrations optiques du microscope ou diminuer les lobes secondaires de la fonction d'illumination (avec des filtres adaptés). De manière générale, le dispositif selon l'invention permet d'obtenir exactement la même résolution qu'un microscope « 4Pi » et toutes les améliorations mises en avant avec le 4pi microscope peuvent être obtenues avec le dispositif selon l'invention avec moins de difficultés techniques. En outre, elle requiert un montage et un réglage beaucoup plus simple et nécessite un seul objectif. Le dispositif selon l'invention apporte une réponse nouvelle au problème majeur de la faible résolution selon l'axe optique des microscopes en ne nécessitant que des modifications externes au microscope (support de l'échantillon et source de lumière). Il concerne ainsi tous les domaines où le microscope à balayage est utilisé pour faire des images tridimensionnelles.

Les applications de cette invention se situent entre autres dans les domaines de la biologie et des nanotechnologies grâce à l'amélioration notable des performances des microscopes optiques.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de focalisation (1) permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope (2) comprenant au moins, alignés le long d'un axe optique (3) : û une source de lumière (4) pour générer un faisceau incident se propageant selon l'axe optique, et û un objectif (5) convergent, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre : û un dispositif de mise en forme (6) du faisceau incident, agencé entre la source de lumière cohérente et l'objectif et conçu pour modifier le faisceau incident de façon à définir, conjointement avec l'objectif, un premier point focal (7) et au moins un second point focal (8) distincts entre eux et en lesquels la lumière incidente forme respectivement une première tâche lumineuse (9) et au moins une seconde tâche lumineuse (10), lesdites tâches lumineuses étant cohérentes entre elles et ayant sensiblement la même distribution de champ électrique, et û un dispositif de réflexion (11) situé à mi-distance entre le premier point focal et ledit au moins un second point focal, le dispositif de réflexion étant propre à former ladite tâche lumineuse isotrope (2) par réflexion de ladite au moins une seconde tâche lumineuse sur la première tâche lumineuse.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'objectif (5) est propre à atteindre un angle d'éclairement par rapport à l'axe optique supérieur à 60°.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'objectif (5) est un objectif à immersion.
4. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de mise en forme (6) du faisceau incident est un masque à décalage de phase.
5. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de mise en forme (6) du faisceau incident est un modulateur spatial de lumière ou un miroir déformable propre à modifier l'intensité, la phase et/ou la polarisation du faisceau incident.
6. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de mise en forme (6) du faisceau incident est un dispositif comprenant au moins deux lentilles et un séparateur de faisceau.
7. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de réflexion (11) est un miroir plan.
8. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif de réflexion (11) est un miroir déformable ou déformé par rapport à un miroir plan.
9. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un système de balayage opto-mécanique.
10. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le système de balayage opto-mécanique comprend au moins une platine motorisée de translation dans les trois directions de l'espace.
11. 11. Dispositif selon la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisé en ce que le système de balayage comprend au moins une platine motorisée de rotation.
12. 12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : û un séparateur de faisceau (12) agencé entre la source de lumière cohérente et le dispositif de mise en forme du faisceau incident, et û un détecteur de lumière (13) agencé pour capter un faisceau collecté se propageant dans le sens opposé au sens de propagation du faisceau incident, ledit dispositif de focalisation permettant d'obtenir une tâche lumineuse isotrope constituant ainsi un microscope confocal (14).
13. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le détecteur de lumière est un détecteur ponctuel ou matriciel.
14. 14. Dispositif selon la revendication 12 ou la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre des moyens detraitement du faisceau collecté, ces moyens de traitement étant placés en amont du détecteur de lumière.