Imageur multi-longueurs d'ondes séquentiel Multi-wavelength sequential imager
L'invention concerne un imageur multi-longueurs d'ondes séquentiel, capable de prendre successivement des images d'un objet à différentes longueurs d'ondes, cet imageur comprenant un système optique et un capteur d'image, le système optique comprenant des moyens de collecte d'une lumière diffusée ou émise par l'objet en réponse à une excitation lumineuse, des moyens de focalisation du plan objet sur le capteur d'image, et des moyens de sélection de différentes longueurs d'ondes pour la prise d'image. Un tel imageur est utilisé par exemple dans un dispositif de lecture de fluorescence sur une biopuce dont la surface comporte un certain nombre d'éléments fluorophores qui émettent une fluorescence en réponse à une excitation lumineuse à une longueur d'onde donnée. La détection de la fluorescence émise permet de distinguer différents types d'éléments fluorophores les uns des autres, les longueurs d'ondes de la fluorescence émise variant d'un type d'élément fluorophore à l'autre, et permet également de dénombrer les éléments fluorophores détectés. Il est usuel pour cela de prendre des images de l'objet à des longueurs d'ondes différentes, ou dans des bandes étroites de longueurs d'ondes différentes, ce qui amène à corriger les aberrations chromatiques du système optique de l'imageur de façon à obtenir des images de grande netteté aux différentes longueurs d'ondes ou dans les différentes bandes de longueurs d'ondes observées. The invention relates to a sequential multi-wavelength imager, capable of successively taking images of an object at different wavelengths, this imager comprising an optical system and an image sensor, the optical system comprising means for collecting a light diffused or emitted by the object in response to a light excitation, means for focusing the object plane on the image sensor, and means for selecting different wavelengths for the capture of picture. Such an imager is used for example in a fluorescence reading device on a biochip whose surface comprises a number of fluorophore elements which emit fluorescence in response to a light excitation at a given wavelength. The detection of the emitted fluorescence makes it possible to distinguish different types of fluorophore elements from each other, the wavelengths of the emitted fluorescence varying from one type of fluorophore element to another, and also makes it possible to count the elements fluorophores detected. It is customary for this purpose to take images of the object at different wavelengths, or in narrow bands of different wavelengths, which makes it necessary to correct the chromatic aberrations of the optical system of the imager in such a way that to obtain sharp images at different wavelengths or in the different bands of wavelengths observed.
On sait en effet que l'indice de réfraction du matériau d'une lentille optique varie en fonction de la longueur d'onde. Cela a pour conséquence que la longueur focale d'une lentille dont l'aberration chromatique n'est pas corrigée, varie en fonction de la longueur d'onde transmise. Les moyens connus permettant de corriger le chromatisme d'une lentille optique ou d'un objectif sont relativement complexes et coûteux. It is known that the refractive index of the material of an optical lens varies as a function of the wavelength. This has the consequence that the focal length of a lens whose chromatic aberration is not corrected, varies according to the transmitted wavelength. The known means for correcting the chromaticism of an optical lens or an objective are relatively complex and expensive.
2 Le principe de la correction consiste à combiner des lentilles différentes dont les aberrations chromatiques vont se compenser plus ou moins dans une certaine bande de longueurs d'onde. On peut associer par exemple un élément convexe à faible dispersion et un élément concave à forte dispersion. Toutefois, cette correction est complexe et coûteuse, en particulier pour les grands champs, et n'est pas parfaite, car il reste des résidus de chromatisme. Il est également connu de corriger la position d'une lentille ou d'un objectif sur un axe optique par rapport à la surface d'un capteur d'image en utilisant des moyens mécaniques de déplacement de l'objet à imager, de la lentille ou de l'objectif ou encore du capteur d'image, mais ces moyens sont également complexes et coûteux et doivent être utilisés avec de grandes précautions. La présente invention a notamment pour but de résoudre ce 15 problème de façon simple, efficace et économique. Elle propose à cet effet un imageur multi-longueurs d'ondes séquentiel, comprenant un système optique et un capteur d'image, le système optique comprenant des moyens de collecte d'une lumière diffusée ou émise par un objet en réponse à une excitation lumineuse, des 20 rnoyens de focalisation du plan objet sur le capteur d'image, et des moyens de sélection de différentes longueurs d'ondes pour la prise d'image, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de correction de l'aberration chromatique du système optique, permettant de focaliser le plan objet sur le capteur d'image pour toutes les longueurs d'ondes de prise d'image, ces 25 rnoyens de correction comprenant des lentilles de refocalisation associées chacune à une longueur d'onde de prise d'image. L'invention propose donc de corriger l'aberration chromatique ou l'aberration chromatique résiduelle d'un système optique, non pas avec un rnoyen unique et de façon continue sur une partie du spectre mais 30 seulement pour un certain nombre de longueurs d'onde (ou de bandes étroites de longueurs d'onde de quelques dizaines de nanomètres) utilisées pour la prise d'image, en associant au système optique une lentille de correction par longueur d'onde de prise d'image. Il suffit donc de prévoir autant de lentilles de correction que de longueurs d'onde de prise d'image, ce nombre étant relativement limité dans la plupart des applications. 2 The principle of the correction consists of combining different lenses whose chromatic aberrations will compensate more or less in a certain band of wavelengths. For example, a convex element with a low dispersion and a concave element with a high dispersion can be associated. However, this correction is complex and costly, especially for large fields, and is not perfect because there are residues of chromaticism. It is also known to correct the position of a lens or a lens on an optical axis with respect to the surface of an image sensor by using mechanical means for moving the object to be imaged, the lens or the lens or the image sensor, but these means are also complex and expensive and must be used with great care. The present invention aims in particular to solve this problem simply, efficiently and economically. It proposes for this purpose a sequential multi-wavelength imager, comprising an optical system and an image sensor, the optical system comprising means for collecting light scattered or emitted by an object in response to a light excitation. , means of focussing the object plane on the image sensor, and means for selecting different wavelengths for imaging, characterized in that it comprises means for correcting chromatic aberration of the optical system, for focusing the object plane on the image sensor for all image pickup wavelengths, these correction means including refocusing lenses each associated with a pickup wavelength. 'picture. The invention therefore proposes to correct the chromatic aberration or the residual chromatic aberration of an optical system, not with a single mean and continuously on a part of the spectrum but only for a certain number of wavelengths. (or narrow bands of wavelengths of a few tens of nanometers) used for imaging, associating with the optical system a correction lens image wavelength. It is therefore sufficient to provide as many correction lenses as imaging wavelengths, this number being relatively limited in most applications.
Avantageusement, l'imageur selon l'invention comprend des moyens pour amener tour à tour chaque lentille de refocalisation sur l'axe optique de l'imageur, ces lentilles étant par exemple portées par un barillet dont l'axe de rotation est parallèle à l'axe optique de l'imageur. De façon pratique, le barillet peut porter également des filtres passe- bande, dont les bandes passantes correspondent aux longueurs d'ondes de prise d'image, chaque filtre étant associé dans le barillet à une lentille de refocalisation pour la bande passante du filtre. Pour réduire le nombre de lentilles de refocalisation, on peut utiliser le système optique de l'imageur sans lentille de refocalisation pour une longueur d'onde de prise d'image, et associer à ce système des lentilles de refocalisation pour les autres longueurs d'ondes de prise d'image. Toutefois, comme les lentilles utilisées peuvent avoir des longueurs focales importantes, il est plus avantageux de procéder non pas à une correction relative de l'aberration chromatique du système optique de l'imageur pour les différentes longueurs d'ondes de prise d'image, mais à une correction différentielle qui consiste à utiliser une première lentille de refocalisation pour une première longueur d'onde de prise d'image, cette lentille ayant une longueur focale prédéterminée quelconque, et d'autres lentilles de refocalisation pour les autres longueurs d'ondes de prise d'image, chacune de ces autres lentilles ayant une longueur focale qui est déterminée pour focaliser à la longueur d'onde qui lui est associée le plan objet sur le même plan image que celui de la première lentille de refocalisation à la première longueur d'onde de prise d'image. En d'autres termes, on utilise pour une première longueur d'onde de prise d'image une première lentille de refocalisation ayant une longueur focale quelconque, puis on va utiliser pour les autres longueurs d'ondes de prise d'image d'autres lentilles de refocalisation qui, à ces autres longueurs d'ondes, vont avoir le même plan image que la première lentille de refocalisation. Ces diverses lentilles de refocalisation peuvent être obtenues en faisant varier leur forme (leurs rayons de courbure) ou plus finement en faisant varier l'indice de réfraction du matériau utilisé pour leur fabrication. Typiquement, ces lentilles peuvent être des lentilles simples plan-concave ou plan-convexe convergentes ou divergentes. Pour les grandes longueurs focales, les contraintes de fabrication peuvent rendre avantageuse l'utilisation de ménisques. De façon plus générale, il est avantageux que le pas de la correction chromatique réalisée par les différentes lentilles de refocalisation soit du même ordre de grandeur que la profondeur de champ de l'imageur. On peut ainsi aboutir à une correction chromatique quasi-continue sur une certaine plage de longueurs d'ondes comprenant l'ensemble des longueurs d'ondes de prise d'image. L'invention propose également un lecteur de fluorescence de biopuce, caractérisé en ce qu'il comprend un imageur du type décrit ci-dessus. Advantageously, the imager according to the invention comprises means for bringing in turn each refocusing lens on the optical axis of the imager, these lenses being for example carried by a cylinder whose axis of rotation is parallel to the optical axis of the imager. Conveniently, the barrel may also carry band-pass filters, whose bandwidths correspond to the imaging wavelengths, each filter being associated in the barrel with a refocusing lens for the bandwidth of the filter. To reduce the number of refocusing lenses, it is possible to use the optical system of the imager without a refocusing lens for an imaging wavelength, and to associate with this system refocusing lenses for the other lengths of imaging. picture taking waves. However, since the lenses used may have significant focal lengths, it is more advantageous to proceed not with a relative correction of the chromatic aberration of the optical system of the imager for the different imaging wavelengths. but to a differential correction which consists in using a first refocusing lens for a first imaging wavelength, this lens having any predetermined focal length, and other refocusing lenses for the other wavelengths each of these other lenses having a focal length which is determined to focus at the wavelength associated with it the object plane on the same image plane as that of the first refocusing lens at the first length picture taking wave. In other words, for a first imaging wavelength, a first refocusing lens having any focal length is used, then other imaging wavelengths will be used for other imaging wavelengths. refocusing lenses which, at these other wavelengths, will have the same image plane as the first refocusing lens. These various refocusing lenses can be obtained by varying their shape (their radii of curvature) or more finely by varying the refractive index of the material used for their manufacture. Typically, these lenses may be convergent or divergent plano-concave or plano-convex single lenses. For long focal lengths, manufacturing constraints can make it advantageous to use menisci. More generally, it is advantageous for the step of the chromatic correction performed by the different refocusing lenses to be of the same order of magnitude as the depth of field of the imager. This can lead to a quasi-continuous chromatic correction over a certain range of wavelengths including all the image wavelengths. The invention also proposes a biochip fluorescence reader, characterized in that it comprises an imager of the type described above.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente le schéma optique d'un imageur d'un type classique ; - la figure 2 illustre schématiquement les aberrations chromatiques des lentilles utilisées dans l'imageur de la figure 1 ; - la figure 3 représente schématiquement le principe de correction chromatique d'un imageur selon l'invention ; - la figure 4 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un imageur selon l'invention. L'imageur de la figure 1 comprend essentiellement une lentille ou un objectif 10 de collecte de lumière, disposé au-dessus d'un objet 12 tel qu'une biopuce par exemple, une lentille ou un objectif 14 de formation d'image qui focalise le plan objet 16 (correspondant à la face supérieure de 5 l'objet 12) sur un plan image 18 qui est la face sensible d'un capteur d'image 20 tel par exemple qu'un ensemble matriciel de photodétecteurs CCD ou CMOS. Lorsque la face supérieure de l'objet 12 est éclairée par une source lumineuse de longueur d'onde appropriée, la lumière qui est diffusée ou émise par la face supérieure de l'objet 12 en réponse à cet éclairage est captée par la lentille ou l'objectif 10 et focalisée sur la face sensible du capteur 20 pour la prise d'une image de la face supérieure de l'objet 12. Un filtre passe-bande 22 est interposé entre les lentilles ou objectifs 10, 14 pour la sélection d'une bande étroite de longueurs d'ondes pour la prise d'image. Lorsqu'on souhaite prendre des images de la face supérieure de l'objet 12 à différentes longueurs d'ondes ou dans différentes bandes étroites de longueurs d'ondes, on interpose successivement des filtres passe-bande 22-1, 22-2 et 22-3 entre les lentilles ou objectifs 10, 14 comme représenté en figure 2. En raison des aberrations chromatiques des moyens optiques utilisés dans l'imageur, les points de focalisation sur l'axe optique 24 de l'imageur ne sont pas les mêmes pour les différentes bandes de longueurs d'ondes sélectionnées par les filtres 22-1, 22-2 et 22-3 : la référence 18-1 désigne la position du plan image pour le filtre 22-1, la référence 18-2 désigne la position de ce plan pour le filtre 22- 2 et la référence 18-3 désigne cette position pour le filtre 22-3. Lorsque ce décalage du plan image n'est pas corrigé et est supérieur à la profondeur de champ du système optique, l'image qui est formée sur la face sensible du capteur 20 et qui est nette quand le filtre 22-1 est utilisé, risque d'être floue lorsque les filtres 22-2 et 22-3 sont utilisés. The invention will be better understood and other characteristics, details and advantages thereof will appear more clearly on reading the description which follows, given by way of example with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 represents the optical scheme of an imager of a conventional type; FIG. 2 schematically illustrates the chromatic aberrations of the lenses used in the imager of FIG. 1; FIG. 3 diagrammatically represents the principle of chromatic correction of an imager according to the invention; FIG. 4 is a schematic representation of an embodiment of an imager according to the invention. The imager of FIG. 1 essentially comprises a lens or lens 10 for collecting light, disposed above an object 12 such as a biochip, for example, a focusing lens or lens 14 that focuses the object plane 16 (corresponding to the upper face of the object 12) on an image plane 18 which is the sensitive face of an image sensor 20 such as for example a matrix assembly of CCD or CMOS photodetectors. When the upper face of the object 12 is illuminated by a light source of appropriate wavelength, the light which is diffused or emitted by the upper face of the object 12 in response to this illumination is picked up by the lens or the lens. lens 10 and focused on the sensitive face of the sensor 20 for taking an image of the upper face of the object 12. A bandpass filter 22 is interposed between the lenses or objectives 10, 14 for the selection of a narrow band of wavelengths for imaging. When it is desired to take images of the upper face of the object 12 at different wavelengths or in different narrow bands of wavelengths, bandpass filters 22-1, 22-2 and 22 are interposed successively. -3 between the lenses or lenses 10, 14 as shown in Figure 2. Due to the chromatic aberrations of the optical means used in the imager, the focal points on the optical axis 24 of the imager are not the same for the different wavelength bands selected by the filters 22-1, 22-2 and 22-3: the reference 18-1 designates the position of the image plane for the filter 22-1, the reference 18-2 designates the position of this plane for the filter 22-2 and the reference 18-3 designates this position for the filter 22-3. When this offset of the image plane is not corrected and is greater than the depth of field of the optical system, the image which is formed on the sensitive face of the sensor 20 and which is sharp when the filter 22-1 is used, risk to be fuzzy when filters 22-2 and 22-3 are used.
6 Pour corriger ces aberrations chromatiques, l'invention propose d'introduire dans le système optique de l'imageur des lentilles de refocalisation qui, dans l'exemple de la figure 3, sont associées aux filtres 22-2 et 22-3 et sont placées entre ce filtre et la lentille ou l'objectif 14 de formation d'image. Dans l'exemple de la figure 3, le plan image 18-1 est celui sur lequel est focalisé le plan objet 16 dans la bande étroite de longueurs d'ondes du filtre 22-1, aucune lentille de refocalisation n'étant associée à ce filtre. La lentille de refocalisation 26-2 qui est associée au filtre 22-2 est divergente pour focaliser le plan objet 16, non pas sur le plan image 18-2 de la figure 2, mais sur le plan image 18-1 correspondant à l'utilisation du filtre 22-1. La lentille de refocalisation 26-3 qui est associée au filtre 22-3 est au contraire convergente pour focaliser le plan objet 16, non pas sur le plan image 18-3 de la figure 2 mais sur le plan image 18-1 correspondant à l'utilisation du filtre 22-1. On voit qu'il suffit selon l'invention d'associer une lentille de refocalisation à chaque filtre 22-2, 22-3 pour avoir la garantie d'une image nette dans les différentes bandes de longueurs d'ondes observées. To correct these chromatic aberrations, the invention proposes to introduce into the optical system of the imager refocusing lenses which, in the example of FIG. 3, are associated with the filters 22-2 and 22-3 and are placed between this filter and the imaging lens or lens 14. In the example of FIG. 3, the image plane 18-1 is the one on which the object plane 16 is focused in the narrow band of wavelengths of the filter 22-1, no refocusing lens being associated with this filtered. The refocusing lens 26-2 which is associated with the filter 22-2 is divergent in order to focus the object plane 16, not on the image plane 18-2 of FIG. 2, but on the image plane 18-1 corresponding to the use of filter 22-1. The refocusing lens 26-3 which is associated with the filter 22-3 is conversely convergent for focusing the object plane 16, not on the image plane 18-3 of FIG. 2 but on the image plane 18-1 corresponding to the use of the filter 22-1. It can be seen that it suffices, according to the invention, to associate a refocusing lens with each filter 22-2, 22-3 in order to guarantee a clear image in the different bands of wavelengths observed.
Pour un système optique donné, la résolution ou le pas de la correction fournie par les lentilles de refocalisation dépend des bandes de longueurs d'ondes d'observation et de la profondeur de champ, celle-ci dépendant elle-même de la longueur focale de l'objectif utilisé, de l'ouverture sélectionnée et de la distance de l'objet à imager, ainsi que des performances recherchées en terme de netteté et de résolution de l'image, c'est-à-dire du pouvoir séparateur de deux points distincts. La résolution ou le pas de la correction réalisée par les lentilles de refocalisation est avantageusement du même ordre de grandeur que la profondeur de champ, ce qui permet d'avoir des images toujours nettes sur une bande relativement large de longueurs d'ondes correspondant à II'ensemble des bandes de longueurs d'ondes observées au moyen des filtres 22-1, 22-2 et 22-3. Ces lentilles peuvent avoir une longueur focale supérieure à 10 m, ce qui est un avantage car elles introduisent alors peu de déformation géométrique supplémentaire et ne dégradent pas la qualité de l'image finale. Leur forme peut être quelconque : lentille simple plan-convexe, plan concave, biconcave, biconvexe, ménisque,... Toutefois, les grandes longueurs focales des lentilles de refocalisation 26-2 et 26- 3 peuvent poser un problème de fabrication de ces lentilles en raison des très grands rayons de courbure de leurs faces concaves ou convexes. Par exemple, lorsque la profondeur de champ du système optique de l'imageur est de 0,2 mm, le pas minimum de correction fourni par les lentilles de refocalisation doit être égal à 0,2 mm avec un objectif 14 ayant une longueur focale de 50 mm, ce que l'on obtient avec une lentille de refocalisation 26-2 ayant une longueur focale de 12,5 m et une lentille de refocalisation 26-3 ayant une longueur focale de 6,25 m. Cet inconvénient peut être évité en faisant une correction différentielle d'une bande de longueurs d'ondes observée à la bande de longueurs d'ondes suivante, c'est-à-dire en associant également une lentille de refocalisation au filtre 22-1 de la figure 3. On choisit pour ce filtre une lentille de refocalisation ayant une longueur focale quelconque, par exemple de 4 m. Dans ce cas, les lentilles de refocalisation 26-2 et 26-3 ont des longueurs focales de 3 m et de 2,5 m respectivement, pour un même pas de correction de 0,2 mm. De très fines variations de longueur focale peuvent être obtenues en modifiant l'indice de réfraction du matériau utilisé pour la fabrication de ces lentilles. Ces lentilles peuvent avantageusement recevoir un traitement antireflet pour éviter l'apparition d'images fantômes. Avantageusement, et comme représenté schématiquement en figure 4, les différentes paires de filtres 22 et de lentilles de refocalisation 26 sont rnontées dans un barillet rotatif 28 dont l'axe de rotation 30 est parallèle à l'axe optique 24 de l'imageur, ce barillet 28 étant essentiellement constitué d'un disque opaque comportant des passages traversants 32 dans lesquels sont montés les filtres 22-1, 22-2, 22-3... et les lentilles de refocalisation 26-1, 26-2, 26-3..., respectivement, chaque passage traversant 32 contenant un filtre 22 et la lentille de refocalisation 26 associée. En variante, le barillet peut être déplaçable en translation. L'imageur de la figure 4 peut avantageusement être utilisé comme imageur de fluorescence d'une biopuce. For a given optical system, the resolution or pitch of the correction provided by the refocusing lenses depends on the observation wavelength bands and the depth of field, which in turn depends on the focal length of the lens. the lens used, the selected aperture and the distance of the object to be imaged, as well as the desired performance in terms of sharpness and resolution of the image, that is to say, the separating power of two distinct points. The resolution or pitch of the correction made by the refocusing lenses is advantageously of the same order of magnitude as the depth of field, which makes it possible to have images that are always sharp on a relatively wide band of wavelengths corresponding to II. the set of wavelength bands observed by means of the filters 22-1, 22-2 and 22-3. These lenses can have a focal length greater than 10 m, which is an advantage because they introduce little additional geometric deformation and do not degrade the quality of the final image. Their shape can be any: single plane-convex lens, concave plane, biconcave, biconvex, meniscus, ... However, the long focal lengths of refocusing lenses 26-2 and 26-3 can pose a manufacturing problem for these lenses because of the very large radii of curvature of their concave or convex faces. For example, when the depth of field of the optical system of the imager is 0.2 mm, the minimum pitch of correction provided by the refocusing lenses should be 0.2 mm with a lens 14 having a focal length of 50 mm, which is obtained with a refocusing lens 26-2 having a focal length of 12.5 m and a refocusing lens 26-3 having a focal length of 6.25 m. This disadvantage can be avoided by making a differential correction of a wavelength band observed at the following wavelength band, that is to say by also associating a refocusing lens with the filter 22-1 of FIG. 3 is chosen for this filter a refocusing lens having any focal length, for example 4 m. In this case, the refocusing lenses 26-2 and 26-3 have focal lengths of 3 m and 2.5 m respectively, for the same correction step of 0.2 mm. Very fine variations in focal length can be obtained by modifying the refractive index of the material used for the manufacture of these lenses. These lenses can advantageously receive antireflection treatment to prevent the appearance of ghost images. Advantageously, and as shown schematically in FIG. 4, the different pairs of filters 22 and refocusing lenses 26 are mounted in a rotary barrel 28 whose axis of rotation 30 is parallel to the optical axis 24 of the imager. barrel 28 consisting essentially of an opaque disk having through passages 32 in which are mounted filters 22-1, 22-2, 22-3 ... and refocusing lenses 26-1, 26-2, 26- 3 ..., respectively, each through passage 32 containing a filter 22 and the associated refocusing lens 26. Alternatively, the barrel may be movable in translation. The imager of FIG. 4 can advantageously be used as a fluorescence imager of a biochip.