FR2889584A1 - Imagerie tomographique par microscope interferometrique a immersion - Google Patents
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Abstract
Elle concerne un dispositif pour l'imagerie tomographique d'un objet à imager, comprenant une source de lumière de longueur de cohérence sensiblement égale à l'épaisseur d'une tranche d'objet à imager, et un système d'imagerie interférométrique comprenant au moins un objectif, un miroir de référence et un moyen de séparation de faisceaux lumineux, caractérisé en ce que ledit système interférométrique est agencé de sorte à ce que ledit objectif définisse un premier plan de mise au point au niveau de la couche de l'objet à analyser, et un second plan de mise au point au niveau dudit miroir de référence, et en ce que ledit système d'imagerie interférométrique comprend au moins un milieu compensateur positionné entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, l'épaisseur et l'indice optique dudit milieu compensateur étant choisis de sorte que le trajet optique du faisceau lumineux issu de ladite source de lumière entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égal au trajet optique du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, et de sorte que la dispersion entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égale à la dispersion du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation.
Description
IMAGERIE TOMOGRAPHIQUE PAR MICROSCOPE INTERFÉROMÉTRIQUE À
IMMERSION
La présente invention se rapporte au domaine de 5 l'interférométrie.
La présente invention se rapporte plus particulièrement à un dispositif d'imagerie par interférométrie, spécialement adapté pour réaliser une 10 imagerie tomographique.
L'art antérieur connaît déjà des dispositifs d'imagerie tomographique par interférométrie comprenant un dispositif interférométrique, par exemple de type Mirau, Michelson, ou Linnik dans lesquels la source de lumière présente une faible longueur de cohérence permettant de localiser les franges d'interférence dans une fine tranche de l'espace de l'ordre de la longueur de cohérence. Ces dispositifs de l'art antérieur sont par exemple illustrés figures 1A, 1B, et 1C.
Cependant, dans de tels dispositifs, on observe une dispersion entre les deux bras de l'interféromètre du fait qu'un des bras pénètre dans l'objet à imager, et l'autre non.
On observe d'autre part, au niveau de l'objet à imager, un décalage entre le plan de mise au point de l'objectif et le plan correspond à une différence de marche nulle dans l'interféromètre.
Par ailleurs, si l'on utilise un objectif à immersion connu tel qu'illustré figure 2, le parcours de la lumière 2889584 2 dans le milieu d'immersion entraîne une accentuation des phénomènes mentionnés ci-dessus.
Un des buts de la présente invention est donc de réduire la dispersion entre les deux bras de l'interféromètre dans le cas d'une imagerie tomographique et de faire coïncider au mieux, au niveau de l'objet à imager, le plan de mise au point et le plan correspondant à une différence de marche nulle.
Un autre but de la présente invention est également de permettre une meilleure pénétration de la lumière dans l'objet à imager.
La présente invention entend atteindre ces buts en proposant un dispositif pour l'imagerie tomographique d'un objet à imager, comprenant une source de lumière de longueur de cohérence sensiblement égale à l'épaisseur d'une tranche d'objet à imager, et un système d'imagerie interférométrique comprenant au moins un objectif, un miroir de référence (1) et un moyen de séparation de faisceaux lumineux (2), caractérisé en ce que ledit système interférométrique est agencé de sorte à ce que ledit objectif définisse un premier plan de mise au point au niveau de la tranche de l'objet à analyser, et un second plan de mise au point au niveau dudit miroir de référence, et en ce que ledit système d'imagerie interférométrique comprend au moins un premier milieu compensateur (3a, 3b) positionné entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, l'épaisseur et l'indice optique dudit milieu compensateur étant choisis de sorte que le trajet optique du faisceau lumineux issu de ladite source de lumière entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égal au trajet optique du faisceau lumineux entre ledit second plan 2889584 3 de mise au point et ledit moyen de séparation, et de sorte que la dispersion entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égale à la dispersion du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation.
De préférence, ledit système d'imagerie interférométrique comprend en outre au moins un troisième milieu d'indice optique et d'épaisseur choisis de sorte que le trajet optique du faisceau lumineux issu de ladite source de lumière entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égal au trajet optique du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, et de sorte que la dispersion entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égale à la dispersion du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation.
Afin de maintenir l'égalité des dispersions et des chemins optiques quel que soit le plan de mise point au niveau de l'objet à analyser, le système d'imagerie interférométrique comprend en outre au moins un second milieu positionné entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation, ledit second milieu ayant des propriétés optiques sensiblement égales aux propriétés optiques dudit objet à analyser.
Dans ce cas, selon un moyen simple ledit premier 30 milieu possède des propriétés optiques sensiblement égales aux propriétés optiques dudit objet à analyser.
Le dispositif est particulièrement adapté lorsque l'objet à imager est essentiellement composé d'eau.
2889584 4 L'invention concerne également un interféromètre destiné à l'imagerie tomographique d'une tranche d'un objet, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de fixation sur un objectif, un miroir de référence, un moyen de séparation de faisceaux lumineux, ledit interféromètre étant agencé de sorte que ledit objectif définisse un premier plan de mise au point au niveau de la tranche de l'objet à analyser, et un second plan de mise au point sur la surface dudit miroir de référence, et en ce que ledit interféromètre comprend au moins un premier milieu compensateur (3a, 3b) positionné entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, l'épaisseur et l'indice optique dudit au moins un milieu compensateur étant choisis de sorte que le trajet optique d'un faisceau lumineux entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égal au trajet optique du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, et de sorte que la dispersion entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égale à la dispersion du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation.
Afin de maintenir l'égalité des dispersions et des chemins optiques quel que soit le plan de mise point au niveau de l'objet à analyser en outre au moins un second milieu positionné entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation, ledit (au moins un ?) second milieu ayant des propriétés optiques sensiblement égales aux propriétés optiques dudit objet à analyser.
Avantageusement, le moyen de fixation permet un réglage de l'interféromètre sur l'objectif, par exemple sur un objectif à immersion standard.
2889584 5 De préférence, ledit système d'imagerie interférométrique comprend en outre au moins un au moins un troisième milieu d'indice optique et d'épaisseur choisis de sorte que le trajet optique du faisceau lumineux issu de ladite source de lumière entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égal au trajet optique du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, et de sorte que la dispersion entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égale à la dispersion du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation.
On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description, faite ciaprès à titre purement explicatif, d'un mode de réalisation de l'invention, en référence aux figures annexées: - les figures 1A, 1B et 1C illustrent des dispositifs interférométriques selon l'art antérieur; - la figure 2 illustre un objectif à immersion connu selon l'art antérieur; la figure 3 illustre un mode de réalisation de l'invention; la figure 4 illustre un mode de réalisation de 25 l'invention dans lequel un dispositif interférométrique est positionné sur un objectif à immersion; la figure 5 représente une vue schématique des milieux compensateurs selon l'invention au niveau du bras de référence et du bras objet de l'interféromètre; - les figures 6A et 6B représente une vue schématique des milieux compensateurs selon l'invention au niveau du bras de référence et du bras objet de 2889584 6 l'interféromètre lorsque le plan de mise au point est modifié au niveau de l'objet à analyser.
L'invention comprend un microscope interférométrique.
Illustré figure 3, on a représenté un objectif de type Mirau, mais il est entendu que l'invention est également adaptable pour tout type d'objectifs interférométriques connus, par exemple de type Linnik ou Michelson.
Une source 5 produit un signal lumineux porté par un faisceau 6. De façon connue en soi pour l'imagerie tomographique, la source de lumière 5 a un spectre large et donc une faible longueur de cohérence afin d'observer des interférences pour une différence de marche de l'ordre de cette longueur de cohérence. Ceci permet d'observer des tranches fines de l'objet 4 et donc d'obtenir une bonne résolution axiale. La longueur de cohérence de la source est typiquement de l'ordre du micromètre ou quelques micromètres, et la source est par exemple une lampe à filament, un arc de type Xénon ou Mercure, ou une diode électroluminescence.
Le miroir de référence 1 du système interférométrique selon l'invention possède de préférence un coefficient de réflexion comparable à la réflectivité globale de l'objet à observer afin de minimiser la différence d'amplitude du signal issu du miroir et du signal issu de l'objet. Le rapport signal sur bruit des interférences observées est de cette façon optimisé. En particulier, pour l'observation de cellules vivantes essentiellement composées d'eau, on choisit un miroir de coefficient de réflexion de l'ordre du pourcent ou de quelques pourcents.
2889584 7 Dans l'interféromètre selon l'invention, on définit d'une part le bras référence, constitué par la zone entre le miroir de référence 1 et le plan de la séparatrice 2, et le bras objet constitué par la zone entre la séparatrice 2 et le plan de mise au point dans l'objet 4, comme illustré figure 5.
On définit également Zobi la position du plan de mise au point de l'objectif dans le bras objet. Ce plan est situé dans l'objet à observer. Zréf est la position du plan de mise au point de l'objectif dans le bras de référence. Ce plan est situé sur la surface du miroir de référence.
Le (ou les) milieu(x) compensateur(s) est (sont) alors agencé(s) de sorte que les chemins optiques dans les deux bras soient identiques, et que les deux bras aient sensiblement la même dispersion.
En notant Z,ép la position de la séparatrice 2, le 20 trajet optique de Zréf à Zsép doit donc être sensiblement égal au trajet optique de ZSép à Zobi.
Soient alors (Zréf) 7 et (nréf) j, respectivement les épaisseurs et indices optiques des milieux compensateurs dans le bras de référence, et (zob;) i et (nob;) respectivement les épaisseurs et indices optiques des milieux compensateurs dans le bras objet, la condition d'égalité des chemins optiques se traduit comme suit: Équation 1 La condition d'égalité de la dispersion dans les deux bras s'écrit approximativement: Équation 2 La condition de formation des images dans l'objet et sur le miroir de référence s'écrit, dans les conditions de Gauss, comme: Équation 3 D'autres équations plus complexes peuvent également être utilisées pour traduire les conditions d'égalités des chemins optiques, de dispersion et de mise au point. Ces 2889584 9 équations sont connues de l'homme du métier dans le domaine de la propagation de la lumière. Ces équations plus précises peuvent être utilisées afin d'obtenir des solutions plus fines, et il est entendu que les équations (1), (2) et (3) ne sont données ici qu'à titre d'exemple non limitatif.
Comme illustré figure 5, les indices optiques et les épaisseurs des milieux 3a, 3b, 3c, 3d sont choisis de sorte à compenser la dispersion et la différence de trajet optique introduites par le passage du faisceau lumineux dans l'objet au niveau du bras objet dans la partie 4a. Ces milieux sont alors choisis de sorte à respecter les équations 1, 2 et 3. Au moins un de ces milieux compensateurs est positionné dans le bras de référence de sorte à compenser le passage par l'objet 4a.
Par ailleurs, comme illustré figures 6A et 6B, lorsque l'on désire modifier la tranche à analyser en passant d'une position Zabi à Z'obj, les conditions d'épaisseur dans le bras objet sont modifiées. Il est alors avantageux de maintenir l'égalité des dispersions et des chemins optiques dans les deux bras suite à ce déplacement.
Selon un premier mode de mise en oeuvre non représenté, on peut utiliser au moins un milieu compensateur qui puisse varier en épaisseur lorsque l'objectif se déplace et que la position de mise au point est modifiée afin de maintenir l'égalité des dispersions et des chemins optiques dans les deux bras. Dans ce cas, le milieu n'est pas nécessairement placé au contact de l'objet à analyser et les milieux choisis peuvent avoir des caractéristiques optiques différentes de celles de l'objet à analyser.
2889584 10 Selon un second mode de réalisation plus simple illustré figure 6A et 6B, on positionne dans le bras objet et au contact de l'objet, un premier milieu 3c dont les caractéristiques optiques sont sensiblement identiques à celles de l'objet à analyser. Par exemple, si l'objet est un objet biologique, on choisira de préférence de l'eau ou un autre liquide dont les propriétés optiques sont proches de l'eau comme le PBS (Phosphate Buffer Saline). On appellera M ce milieu correspondant à l'objet et au milieu 3c positionné dans le bras objet. De la sorte, lorsque la mise au point est faite sur une nouvelle tranche (passage de la figure 6A à la figure 6B), le trajet optique et la dispersion entre la séparatrice 2 et le plan de mise au point n'a quasiment pas changé.
Il est donc possible de compenser la traversée de l'épaisseur B par un milieu d'épaisseur fixe 3a positionné dans le bras de référence, et ce quelle que soit la tranche d'objet analysée.
Le milieu 3a dans le bras de référence peut par exemple de façon simple être le même que le milieu M, ou tout autre milieu compensateur d'épaisseur fixe permettant de respecter l'égalité des dispersions et des chemins optiques entre le bras objet et le bras de référence. D'autres milieux compensateurs peuvent également être rajoutés dans les deux bras de l'interféromètre.
Selon un mode de réalisation de l'invention particulièrement adapté pour l'imagerie tomographique des cellules vivantes, on immerge donc les deux bras dans de l'eau ou un liquide de caractéristiques optiques proches de celles de l'eau comme sur la figure 4.
2889584 11 En effet, les cellules étant en majorité constituées d'eau, les deux bras étant plongés dans l'eau, les équations 1, 2 et 3 sont satisfaites. L'imagerie des cellules vivantes peut alors être réalisée de façon satisfaisante.
Selon d'autres variantes de l'invention et l'objet à analyser, le milieu compensateur peut aussi être un gel ou tout autre matériau satisfaisant les conditions des équations 1, 2 et 3.
Il est cependant entendu qu'à la place de l'eau, on peut également utiliser un autre liquide ayant des caractéristiques optiques proches de l'eau, comme par exemple du PBS (Phosphate Buffer Saline).
Il est entendu les équations 1, 2 et 3 peuvent être résolues par un programme adapté, en ajoutant éventuellement d'autres contraintes comme la réduction des aberrations optiques.
D'autres équations associées aux contraintes de dispersion, de chemin optique et de mise au point peuvent également être résolues par des logiciels qui calculent précisément la propagation des rayons, les trajets optiques, la dispersion, les aberrations et permettent ainsi des optimisations.
Selon l'invention, on utilise éventuellement des objectifs spéciaux conçus pour minimiser les aberrations introduites par les milieux placés dans les bras de l'interféromètre. Dans le cas où l'on place de l'eau (ou un milieu présentant des caractéristiques optiques proches de l'eau) dans les deux bras de l'interféromètre, il suffit 2889584 12 d'utiliser un objectif à immersion à eau tels que ceux connus de l'art antérieur.
L'homme du métier est apte à déterminer facilement les indices et épaisseurs des matériaux à utiliser, ainsi que la position du miroir de référence afin de satisfaire ces conditions. Le nombre de milieux distincts peut aussi être variable et choisi par l'homme du métier.
Ces milieux compensateurs peuvent être des liquides, des gels, ou des verres spéciaux.
Les images d'interférence sont enregistrées par un détecteur matriciel (non représenté), par exemple de type caméra CCD ou CMOS, et on enregistre plusieurs images d'interférence déphasées par le déplacement d'un élément de l'interféromètre, par exemple le miroir de référence 1, ou l'ensemble de l'interféromètre. Dans ce dernier cas, l'interféromètre selon l'invention est fixé, et par exemple vissé, sur un objectif de microscope selon une hauteur variable.
Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux puisque des objectifs à immersion standard existent de façon commune. De tels objectifs sont par exemples illustrés figure 2. Le milieu d'immersion utilisé pour ces objectifs a comme fonction d'éviter les réflexions sur la surface de l'objet, ainsi que d'augmenter la résolution de l'objectif.
On vient alors fixer sur un tel objectif, un interféromètre comprenant un miroir de référence, une séparatrice et un ou plusieurs milieux compensateurs de sorte à vérifier les conditions des équations (1), (2) et (3) comme précédemment décrit. Un milieu compensateur est 2889584 13 alors positionné dans le bras de référence de l'interféromètre.
Si l'objectif est à immersion à eau, et que l'objet à 5 analyser est essentiellement constitué d'eau, les milieux compensateurs de l'interféromètre sont de préférence de l'eau ou un milieu présentant des caractéristiques optiques proches de celles de l'eau.
De la sorte, les trajets parcourus par la lumière entre la séparatrice et le miroir de référence et entre la séparatrice et la tranche de l'objet à observer s'effectuent dans des milieux quasiment identiques.
La combinaison d'images interférométriques déphasées permet alors de calculer le signal interférométrique, ce qui conduit à une image tomographique.
De préférence, après acquisition d'une pile d'images 20 tomographiques, on peut reconstruire l'objet observé de façon tridimensionnelle.
L'homme du métier comprendra aisément que l'invention a été décrite et illustrée dans le cas d'un interféromètre de type Mirau, mais que tout type d'interféromètre peut être utilisé. En particulier, dans le cas d'un interféromètre de Michelson, les bras de l'interféromètre font un angle de 90 au lieu d'être selon un axe comme dans le cas du Mirau.
L'invention est particulièrement adaptée à l'imagerie tomographique par cohérence optique ( Optical Coherence Tomography ou OCT en anglais) .
Claims (13)
1. Dispositif pour l'imagerie tomographique d'un objet à imager, comprenant une source de lumière de longueur de cohérence sensiblement égale à l'épaisseur d'une tranche d'objet à imager, et un système d'imagerie interférométrique comprenant au moins un objectif, un miroir de référence (1) et un moyen de séparation de faisceaux lumineux (2), caractérisé en ce que ledit système interférométrique est agencé de sorte à ce que ledit objectif définisse un premier plan de mise au point au niveau de la tranche de l'objet à analyser, et un second plan de mise au point au niveau dudit miroir de référence, et en ce que ledit système d'imagerie interférométrique comprend au moins un premier milieu compensateur (3a, 3b) positionné entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, l'épaisseur et l'indice optique dudit milieu compensateur étant choisis de sorte que le trajet optique du faisceau lumineux issu de ladite source de lumière entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égal au trajet optique du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, et de sorte que la dispersion entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égale à la dispersion du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation.
2. Dispositif pour l'imagerie tomographique selon la revendication 1, dans lequel ledit système d'imagerie interférométrique comprend en outre un second milieu positionné entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation, au contact de l'objet, ledit au moins un second milieu ayant des propriétés optiques 2889584 15 sensiblement égales aux propriétés optiques dudit objet à analyser.
3. Dispositif pour l'imagerie tomographique selon les revendications 2, dans lequel ledit système d'imagerie interférométrique comprend en outre au moins un troisième milieu d'indice optique et d'épaisseur choisis de sorte que le trajet optique du faisceau lumineux issu de ladite source de lumière entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égal au trajet optique du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, et de sorte que la dispersion entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égale à la dispersion du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation.
4. Dispositif pour l'imagerie tomographique selon la revendication 2, dans lequel ledit premier milieu possède des propriétés optiques sensiblement égales aux propriétés optiques dudit objet à analyser.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel ledit objet à imager 25 est essentiellement composé d'eau.
6. Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre au moins un second milieu positionné entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation, au moins un desdits premier et second milieu ayant une épaisseur variable.
7. Interféromètre destiné à l'imagerie tomographique d'une tranche d'un objet, caractérisé en ce qu'il comprend 2889584 16 un moyen de fixation sur un objectif, un miroir de référence, un moyen de séparation de faisceaux lumineux, ledit interféromètre étant agencé de sorte que ledit objectif définisse un premier plan de mise au point au niveau de la tranche de l'objet à analyser, et un second plan de mise au point sur la surface dudit miroir de référence, et en ce que ledit interféromètre comprend au moins un premier milieu compensateur (3a, 3b) positionné entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, l'épaisseur et l'indice optique dudit milieu compensateur étant choisis de sorte que le trajet optique d'un faisceau lumineux entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égal au trajet optique du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, et de sorte que la dispersion entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égale à la dispersion du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation.
8. Interféromètre selon la revendication 7, comprenant en outre un second milieu positionné entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation au contact de l'objet, ledit second milieu ayant des propriétés optiques sensiblement égales aux propriétés optiques dudit objet à analyser.
9. Interféromètres selon la revendication 8, dans lequel ledit système d'imagerie interférométrique comprend en outre au moins un au moins un troisième milieu d'indice optique et d'épaisseur choisis de sorte que le trajet optique du faisceau lumineux issu de ladite source de lumière entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égal au trajet optique 2889584 17 du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation, et de sorte que la dispersion entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation soit sensiblement égale à la dispersion du faisceau lumineux entre ledit second plan de mise au point et ledit moyen de séparation.
10. Interféromètre selon la revendication 7, comprenant en outre au moins un second milieu positionné entre ledit premier plan de mise au point et ledit moyen de séparation, au moins un desdits premier et second milieu ayant une épaisseur variable.
11. Interféromètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que le moyen de fixation permet un réglage de la position dudit interféromètre par rapport audit objectif.
12. Interféromètre selon la revendication 7 20 caractérisé ce qu'il est fixé sur un objectif à immersion.
13. Interféromètre selon la revendication 7 caractérisé ce qu'il est fixé sur un objectif comprenant un moyen de correction des aberrations introduites par les différents éléments de l'interféromètre et par la pénétration dans l'objet.
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