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IMAGERIE TOMOGRAPHIQUE PAR MICROSCOPE INTERFÉROMÉTRIQUE
A IMMERSION
La présente invention se rapporte au domaine de
l'interférométrie.
La présente invention se rapporte plus
particulièrement à un dispositif d'imagerie par
interférométrie, spécialement adapté pour réaliser une
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 lA, 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
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dans le milieu d'immersion entraîne une accentuation des
phénomènes mentionnés ci-dessus.
L'utilisation d'un objectif à immersion est par
exemple divulguée dans la demande US-A-2005/008663. Ce
document divulgue une méthode d'analyse d'un signal fourni
par un microscope interférométrique en lumière blanche pour
l''étude de structures sous la surface d'un objet. Dans un
mode de réalisation d'un microscope interférométrique
divulgué dans ce document, l'objectif du microscope peut
être un microscope à immersion.
Toutefois, le document ne divulgue pas comment
empêcher, 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. Au
contraire, on note que les effets d'écarts de dispersion
chromatique entre les-deux bras de l'interféromètre sont
pris en compte dans l'analyse des signaux fournis par le
microscope interférométrique, ce qui signifie que ces effets
ne sont pas compensés.
La demande EP-A-0503236 divulgue un appareil pour
réaliser une imagerie haute résolution dans le proche
infrarouge de la structure interne de plaque de semi-
conducteur. Cet appareil comprend un dispositif optique
positionné à proximité de la plaque. Ce dispositif optique
peut comprend une lentille plan-convexe. La lentille plan-
convexe peut être séparée de la plaque par un fluide de
couplage optique pour permettre à la plaque d'être déplacée
sous la lentille. Un des modes de réalisation de la demande
EP-A-0503236 enseigne que la lentille plan-convexe peut être
utilisée au sein d'un interféromètre de Linnik.
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Toutefois, le fluide divulgué par la demande EP-A-
0503236 ne permet pas de compenser des différences entre les
deux bras de l'interféromètre, et notamment la dispersion,
et/ou la différence de marche.
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
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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.
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
milieu possède des propriétés optiques sensiblement égales
aux propriétés optiques dudit objet à analyser.
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Le dispositif est particulièrement adapté lorsque
l'objet à imager est essentiellement composé d'eau.
L'invention concerne également un interféromètre
5 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 dé
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.
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Avantageusement, le moyen de fixation permet un
réglage de l'interféromètre sur l'objectif, par exemple sur
un objectif à immersion standard.
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 ci-après à titre purement explicatif,
d'un mode de réalisation de l'invention, en référence. aux
figures annexées :
- les figures lA, 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
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 ;
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- 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
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
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choisit un miroir de coefficient de réflexion de l'ordre du
pourcent ou de quelques pourcents.
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 Zob; 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 ZséP la position de la séparatrice 2, le
trajet optique de Zrét à ZgéP doit donc être sensiblèment égal
au trajet optique de Zs,P à Zobj.
Soient alors ( Zréf ) j et ( nréf )j , respectivement les
épaisseurs et indices optiques des milieux compensateurs
dans le bras de référence, et ( zobj ) i et ( nobj ) i
respectivement les épaisseurs et indices optiques des
milieux compensateurs dans le bras objet, la condition
d'égalité des chemins optiques se traduit comme suit
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Équation 1 :
(%J .~~ ~ ('ûb~,~~~
La condition d'égalité de la dispersion dans les deux
bras s'écrit approximativement
Équation 2
d(n
~-ùbj~~ &f
.~
dA dA ~ )10
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
f
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
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
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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
5 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.
10 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 Zob, 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 aeuvre 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.
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
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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.
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.
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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
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
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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
alors positionné dans le bras de référence de
l'interféromètre.
Si l'objectif est à immersion à eau, et que l'objet à
analyser est essentiellement constitué d'eau, les milieux
compensateurs de l'interféromètre sont de préférence de
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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 uné image tomographique.
De préférence, après acquisition d'une pile d'images
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).
