Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
1
Description
Titre : Dispositif et méthode de transport et de contrôle
en direct de faisceaux lumineux
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne des dispositifs et méthodes de transport
et
de contrôle de faisceaux lumineux, notamment pour l'imagerie endo-
microscopique
dite sans lentille . La présente invention s'applique par exemple à
l'exploration
endoscopique, par exemple d'organes d'un être vivant alors même que celui-ci
peut
se déplacer librement pendant la mesure.
[0002] Plus particulièrement, la présente invention permet une mesure en
direct de la matrice de transmission de la fibre, alors même que la fibre
peut subir
des changements de conformation. La présente invention concerne également un
dispositif de fibre adapté pour la mise en oeuvre de la méthode.
Technique antérieure
[0003] Les développements en imagerie endo-microscopique nécessitent
l'utilisation de dispositifs optomécaniques fibrés présentant des spécificités
par
rapport aux systèmes imageurs en espace libre.
[0004] En effet, la construction d'un microscope miniature qui comprendrait
une
source lumineuse, une optique de focalisation et une caméra à l'extrémité
distale
(c'est-à-dire l'extrémité de la fibre destinée à la mesure du côté de
l'échantillon) d'un
endoscope médical n'est pas envisageable du fait de l'encombrement et de
l'obstruction de l'ensemble des composants. On cherche de ce fait des
solutions
permettant la prise d'image d'un échantillon à l'aide d'une fibre optique tout
en
limitant l'encombrement et l'obstruction à l'extrémité distale de la fibre.
[0005] La technologie d' endoscopie sans lentille est connue pour limiter
l'encombrement ainsi que l'obstruction de l'endoscope en son extrémité
distale.
[0006] Une telle technologie a été décrite par exemple dans Cizmar et al.
Exploiting multimode waveguides for pure fibre-based imaging , Nat. Commun.
3,
1027 (2012). Cette technique est basée sur l'utilisation d'une fibre optique
multimodes (ou MMF selon l'abréviation de l'expression anglaise Multi-Mode
Fiber
). La fibre optique multimodes est éclairée en son côté proximal (les termes
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
2
proximal et distal sont définis comme suit : Le côté proximal est le
côté le plus
proche de la source et le plus éloigné de la zone à analyser et le côté distal
est le
côté le plus éloigné de la source et donc le plus proche de la zone à
analyser) par
une source cohérente de lumière. Un modulateur de front d'onde (également
connu
sous le terme de modulateur de phase spatiale) dont l'abréviation est SLM pour
Spatial Light Modulator , placé du côté proximal de la fibre, permet de
façonner le
champ provenant de la source et ainsi contrôler le champ injecté dans la fibre
optique multimodes. En d'autres termes, le modulateur de front d'onde permet
de
contrôler avec quelle amplitude et quelle phase les modes de propagation de la
fibre
sont excités, de telle sorte que l'addition cohérente de ces modes permet de
générer
la figure d'intensité recherchée à l'extrémité distale de la fibre optique
multimodes,
typiquement un point focal (aussi appelé focus).
[0007] Par exemple, il est possible de produire un focus à l'extrémité distale
de la
fibre optique multimodes et de balayer l'échantillon avec ledit point focal.
La zone
de balayage de l'échantillon définit alors la zone de l'échantillon qui sera
imagée en
analysant la lumière réfléchie, la lumière rétrodiffusée, ou la fluorescence
émise par
cet échantillon.
[0008] Cette technique, extrêmement puissante du fait du caractère
déterministe
de la matrice de transmission de la fibre qui relie un champ entrant en partie
proximale de la fibre avec un champ sortant en partie distale (et vice versa),
permet
de s'affranchir de toute optique du côté distal de la fibre optique multimodes
et de
ce fait réduit l'encombrement.
[0009] Cependant, la matrice de transmission de la fibre est fortement
dépendante
de la conformation géométrique de la fibre. L'imagerie endo-microscopique au
moyen d'une fibre optique multimodes est donc extrêmement sensible aux
mouvements de la fibre. Par ailleurs, du fait que la fibre optique utilisée
est en
générale une fibre multimodes, une impulsion courte proche de l'extrémité
proximale est allongée en s'approchant de l'extrémité distale, ce qui limite
les
possibilités d'application à l'imagerie non linéaire qui nécessite de
travailler avec
des impulsions lumineuses courtes de forte intensité crête.
[0010] En parallèle des technologies basées sur l'utilisation de fibres
multimodes,
une technologie également de type sans lentille s'est développée avec
l'utilisation d'un paquet de fibres optiques monomodes ou fibre multi-c urs ou
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
3
encore MCF selon l'abréviation anglo-saxonne Multi-core fiber (voir par
exemple
French et al. brevet US 8,585,587). Dans le brevet US 8,585,587, un modulateur
de
front d'onde (SLM) agencé du côté proximal du paquet de fibres optiques
monomodes permet de contrôler à l'extrémité distale du paquet de fibres le
front
d'onde émis par une source lumineuse. Le caractère monomode des fibres élimine
toute dispersion intermodale. La seule contribution à la dispersion, et donc à
l'allongement d'une impulsion courte, est la dispersion chromatique qui est la
même
pour toutes les fibres optiques monomodes et qui peut donc être compensée de
manière globale. De ce fait, l'utilisation d'un paquet de fibres optiques
monomodes
est préférée par rapport aux fibres multimodes pour la propagation
d'impulsions
courtes (cf. optique non linéaire).
[0011] D'autres publications ont décrit des variantes d'endoscope sans
lentille
basées sur l'utilisation d'un paquet de fibres optiques monomodes. Ces
publications
décrivent l'utilisation d'un paquet de fibres monomodes. Il a été montré
comment il
est possible d'accéder, en partie distale de fibre, à un balayage très rapide
du point
de focalisation, en appliquant au moyen d'un dispositif galvanométrique un
angle
variable du front d'onde en entrée du modulateur de front d'onde (voir par
exemple
E.R. Andresen et al. Toward endoscopes with no distal optics: video-rate
scanning
microscopy through a fiber bundle , Opt. Lett. Vol. 38, N 5, 609-611 (2013)).
[0012] Dans E.R. Andresen et al. ( Two-photon lensless endoscope , Opt.
Express 21, N 18, 20713-20721 (2013)), les auteurs ont démontré la faisabilité
expérimentale d'un système d'imagerie non linéaire bi-photonique (TPEF, two-
photon excited fluorescence ) en endo-microscopie sans lentille. Dans E.R.
Andresen et al. ( Measurement and compensation of residual group delay in a
multi-core fiber for lensless endoscopy", JOSA B, Vol. 32, No. 6, 1221 ¨ 1228
(2015)), il est décrit un dispositif de contrôle des retards de vitesse de
groupe (ou
GDC pour Group Delay Control ) pour le transport et le contrôle
d'impulsions
lumineuses dans un système d'imagerie endo-microscopique sans lentille basé
sur
l'utilisation d'un paquet de fibres optiques monomodes.
[0013] La figure 1A illustre de façon schématique un système d'imagerie endo-
microscopique sans lentille 100 utilisant une fibre optique multimode MMF
guidant
N modes propres de l'état de la technique. Le système d'imagerie comprend
généralement une voie d'émission avec une source d'émission 10 pour l'émission
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
4
d'un faisceau lumineux incident, continu ou formé d'impulsions dans le cas de
l'application à l'imagerie non linéaire. Le système d'imagerie 100 comprend
par
ailleurs une voie de détection comprenant un objectif OBJ et une caméra. Le
chemin optique de la voie de détection est séparé du chemin optique de la voie
d'émission par une lame séparatrice 22. Le système d'imagerie 100 comprend
également un dispositif de transport et de contrôle des faisceaux lumineux qui
comprend une fibre optique multimode MMF, et qui permet d'éclairer un objet à
analyser 101 éloigné, et un modulateur de front d'onde SLM qui est agencé à
l'extrémité proximale de la fibre optique multimodes MMF et qui permet de
contrôler
le front d'onde (ou le champ électromagnétique qui peut être appelé simplement
champ , caractérisé par une amplitude et une phase) du faisceau émis par la
source 10. Le modulateur de front d'onde SLM permet d'ajuster la fonction de
phase
et la fonction d'amplitude du front d'onde du faisceau incident, et ainsi de
contrôler
la fonction de phase et la fonction d'amplitude du front d'onde du faisceau
sortant
de la fibre optique multimode MMF.
[0014] La figure 1B illustre de manière schématique un montage de l'état de la
technique qui permet de mesurer la matrice de transmission d'une fibre.
[0015] Le montage de la figure 1B est en réalité une simple modification du
montage d'imagerie endo-microscopique sans lentille de la figure 1A. Des
éléments
(une caméra CAM, un objectif OBJ) ayant été ajoutés côté distal augmentent
l'encombrement du dispositif. En contrôlant des champs injectés à l'extrémité
proximale de la fibre MMF et en mesurant les champs résultants à l'extrémité
distale
de la fibre MMF il est possible de calculer la matrice de transmission de la
fibre. En
enlevant l'objectif (OBJ) et la caméra (CAM distal), on peut effectuer
l'imagerie d'un
échantillon placé au niveau de l'extrémité distale de la fibre selon une
méthode
connue de l'homme du métier. Toutefois, dès lors que la fibre MMF change de
conformation, il faut à nouveau réaliser la mesure, c'est-à-dire replacer au
niveau
de l'extrémité distale de la fibre MMF l'objectif et la caméra et effectuer à
nouveau
le calcul de la matrice de transmission de la fibre MMF.
[0016] La figure 1C illustre de manière schématique l'injection de points
focaux
dans une fibre et la mesure du champ en résultant afin de calculer la matrice
de
transmission dans la base des modes localisés de la fibre dans une
conformation
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
quelconque. Une base de modes localisés proximaux étant générée à l'aide d'un
modulateur de front d'onde SLM.
[0017] Pour chaque mode localisé proximal, l'opération suivante est réalisée :
un
mode localisé proximal est injecté à l'extrémité proximale de la fibre MMF
(c'est-à-
5 dire qu'un faisceau lumineux est injecté à l'extrémité proximale de la fibre
de
manière à obtenir un point focal à cet endroit) et la caméra CAM mesure le
champ
résultant au niveau de l'extrémité distale de la fibre MMF. La matrice de
transmission, dans la base des modes localisés, peut ainsi être calculée à
partir de
la mesure des champs résultant de l'injection des modes localisés proximaux.
[0018] Les modes localisés ont des figures d'amplitude qui sont
spatialement
délimités les unes des autres, i.e. les modes localisés ne se recouvrent pas
ou peu
entre eux. Les modes localisés distaux peuvent souvent être identifiés
comme
des pixels ou groupement de pixels mesurés par la caméra CAM. Les modes
localisés proximaux peuvent souvent être identifiés comme des pixels ou
groupements de pixels générés par le modulateur de front d'onde SLM.
[0019] La méthode de mesure de la matrice de transmission de l'état de la
technique nécessite que la fibre reste dans la même conformation pendant la
mesure de la matrice de transmission (figures 1B et 1C) et pendant
l'acquisition des
images provenant de l'objet à analyser (figure 1A).
[0020] Pour mesurer la matrice de transmission dans la base des modes
localisés
de la fibre, le nombre de modes localisés proximaux et le nombre de modes
localisés distaux doivent tous deux être supérieurs au nombre de modes propres
guidés par la fibre. Le nombre de modes localisés proximaux ne doit pas
forcément
être égal au nombre de modes localisés distaux. Cette méthode de mesure est
longue et très sensible à la conformation de la fibre. Il est indispensable,
pour que
la mesure soit fiable, que la fibre ne change pas de conformation pendant
toute la
durée de la mesure.
[0021] La figure 1D illustre l'impact d'un changement de conformation d'une
conformation connue REF à une conformation inconnue RAND de la fibre. Ce
changement de conformation conduit à une image brouillée de l'image acquise
par
imagerie endoscopique sans lentille. En effet, lorsque la fibre de l'endoscope
est
une fibre optique multimode MMF, l'image résultante est floue. Et lorsque la
fibre de
l'endoscope est une fibre multi-c urs MCF, l'image résultante est translatée.
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
6
[0022] Ce brouillage apparaît car le changement de conformation de la fibre
perturbe les modes propres de ladite fibre. La matrice de transmission de la
fibre
est alors modifiée.
[0023] Le brouillage de l'image dû au changement de conformation de la fibre
est
particulièrement gênant lors d'une observation in vivo, par exemple d'un
organe. Il
en résulte en effet un brouillage de l'image captée à chaque fois que la
conformation
de la fibre dévie de la conformation dans laquelle la matrice de transmission
a été
mesurée.
[0024] L'imagerie in vivo d'un être vivant, libre de ses mouvements, est alors
impossible avec la méthode de mesure de l'état de la technique. Une méthode de
mesure de matrices de transmission de fibre plus rapide et facile à mettre en
place,
laissant une liberté de mouvement de l'objet à analyser, serait donc un atout
considérable.
Problème technique
[0025] La présente invention améliore la situation en proposant des
dispositifs et
méthodes de transport et de contrôle de faisceaux lumineux, notamment pour
systèmes d'imagerie endomicroscopiques dits sans lentille , qui permettent
de
mesurer en temps réel la matrice de transmission de la fibre dans une
conformation
quelconque. Notamment, la méthode d'imagerie de la présente invention permet
de
calculer en temps réel la matrice de transmission d'une fibre dans une
conformation
quelconque juste avant de régler un modulateur de front d'onde en temps réel
lors
de l'acquisition d'une image ou d'un lot d'images d'un objet à analyser, de
sorte que
l'imagerie de l'objet à analyser, même en mouvement, soit possible. L'image
mesurée est toujours nette quelle que soit la conformation de la fibre.
[0026] La présente invention trouve notamment son intérêt en biologie où il
est
parfois nécessaire d'obtenir en temps réel des images, par exemple du cerveau
d'une souris, alors même que l'échantillon imagé est en mouvement et, avec
lui,
l'endoscope.
Exposé de l'invention
[0027] Ainsi, selon un premier aspect, l'invention propose une méthode de
mesure
d'une matrice de transmission d'une première fibre optique, telle une fibre
multimodes, la fibre optique étant dans une conformation quelconque et guidant
N
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
7
modes propres, la fibre comprenant un tronçon proximal comprenant une
extrémité
proximale et une extrémité distale et un tronçon distal comprenant une
extrémité
proximale et une extrémité distale, où l'extrémité distale du tronçon proximal
est
connectée à l'extrémité proximale du tronçon distal à l'aide d'un coupleur
inter-fibre,
la méthode comprenant les étapes suivantes :
- injecter séparément n champs pilotes au niveau de l'extrémité distale du
tronçon
proximal de la fibre,
- mesurer à l'extrémité proximale du tronçon proximal de la première fibre
optique
le champ résultant pour chacun des n champs pilotes injectés,
- estimer Hest, une matrice de transmission exprimée dans la base des N modes
propres de la fibre optique à partir de la mesure des champs résultants des n
champs pilotes injectés.
[0028] Une telle méthode permet d'estimer la matrice de transmission d'une
fibre
optique dans une conformation quelconque. La matrice de transmission est en
outre
obtenue dans un temps très court, proche de la milliseconde. Le temps de
mesure
très court de la matrice de transmission a pour conséquence directe de pouvoir
imager un échantillon en temps réel à l'aide d'un endoscope sans lentille car
il est
possible de déterminer la matrice de transmission avant chaque mesure de
l'échantillon ; les mesures nécessaires à la détermination de la matrice de
transmission et à l'analyse de l'échantillon étant réalisées dans des
conformations
de la fibre extrêmement proches voire identiques.
[0029] Par ailleurs, contrairement à l'état de la technique, où l'injection
d'un grand
nombre de champs connus est réalisée à l'extrémité proximale de la fibre et
les
champs résultants mesurés à l'extrémité distale, la présente invention
implique
l'injection de quelque champs pilotes à l'extrémité distale et la mesure des
champs
résultants à l'extrémité proximale. Or les moyens proposés par la présente
invention
pour injecter des champs pilotes à l'extrémité distale du tronçon proximal de
la
première fibre optique sont moins volumineux que les moyens pour mesurer les
champs résultants à l'extrémité distale d'une fibre optique selon une méthode
classique de mesure, ce qui permet d'avoir les moyens de mesure de la matrice
de
transmission et de l'échantillon dans un même endomicroscope.
[0030] L'injection des champs pilotes
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
8
[0031] Au sens de la présente invention, on entend par champs pilotes des
champs
qui ont des propriétés connues et qui permettent, à partir de mesures des
champs
résultants en partie distale (si injectés en partie proximale), ou des champs
résultants en partie proximale (si injectés en partie distale), de calculer la
matrice
de transmission H de la première fibre optique dans une conformation
quelconque.
Au niveau de l'extrémité distale du tronçon proximal de la fibre, n champs
pilotes
sont injectés, n étant un entier positif. Chaque champ pilotes peut être
exprimé à
l'aide d'un vecteur colonne Ei,champ pilote de dimension [Nx1], i étant un
entier positif
compris entre 1 et n ;et N étant un entier positif correspondant au nombre de
modes
propres de la première fibre. Un champ pilote est par exemple un point focal,
injecté
dans la première fibre.
[0032] Au sens de la présente invention, l'expression point focal injecté à
un
endroit ou de façon équivalente mode localisé injecté à un endroit
signifie
qu'un faisceau lumineux (i.e. un champ électromagnétique) est injecté à cet
endroit
et de manière à y avoir un point focal.
[0033] L'estimation de la matrice de transmission de la présente invention
comprend une étape qui consiste à injecter, au niveau de l'extrémité distale
du
tronçon proximal d'une première fibre optique, n champs pilotes.
[0034] Chacun des n champs pilotes est injecté seul dans la fibre. Une fois le
champ résultant de l'injection d'un champ pilote mesuré, un autre champ pilote
est
injecté, et ainsi de suite. n champs résultants sont donc mesurés
successivement.
[0035] L'étape d'injection des n champs pilotes peut comprendre en outre une
injection simultanée des n champs pilotes de sorte que la phase relative entre
les n
champs pilotes soit mesurable. n+1 champs résultants sont alors mesurés dans
ce
cas.
[0036] Les champs pilotes peuvent être choisis cohérents (provenant du même
laser) entre eux. Ceci permet d'améliorer la fiabilité de l'estimation de la
matrice de
transmission.
[0037] De préférence, chaque mode propre de la première fibre doit avoir un
recouvrement spatial non-nul avec au moins un champ pilote.
[0038] Le nombre n de champs pilotes peut être choisi supérieur ou égal au
plus
grand nombre de modes propres de la fibre multimodes dégénérés entre eux. Le
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
9
nombre de modes propres dégénérés entre eux ayant été préalablement mesuré
ou étant connu.
[0039] Plus le nombre de champs pilotes injectés est grand, meilleure est
l'estimation de la matrice de transmission. Toutefois, l'injection d'un trop
grand
nombre de champs pilotes et la mesure des différents champs résultants
présente
le risque de nécessiter un temps plus long que la milliseconde pour la mise en
oeuvre de l'invention. A l'inverse, l'injection d'un nombre faible de champs
pilotes,
mais suffisant pour que l'estimation de la matrice de transmission de la
première
fibre soit possible, donnera une estimation plus approximative de la matrice
de
transmission mais avec l'avantage de nécessiter un temps de calcul plus court,
et
notamment proche de la milliseconde. L'utilisateur est donc libre de choisir
un
compromis entre un temps court de mesure et une meilleure estimation de la
matrice de transmission.
[0040] De préférence, le nombre n de champs pilotes est choisi égal au plus
grand
nombre de modes propres dégénérés entre eux de la matrice de transmission de
la
première fibre.
[0041] Un champ pilote est généré à l'aide d'une source de lumière. La source
de
lumière peut être couplée à un dispositif optique tel un objectif. La source
de lumière
est par exemple un laser. La source de lumière peut être avantageusement
couplée
à un objectif et à un modulateur de front d'onde SLM.
[0042] Selon un exemple de réalisation, les champs pilotes peuvent être
injectés à
l'aide d'une seconde fibre optique, telle une fibre optique multi-coeurs, dont
l'extrémité distale est connectée à l'extrémité distale du tronçon proximal de
la
première fibre par exemple entre lmm et 5 cm, de préférence 2cm en amont de
l'extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique.
[0043] Selon cet exemple, les champs pilotes peuvent être les modes propres de
la seconde fibre optique.
[0044] Selon cet exemple de réalisation de la présente invention, les champs
pilotes sont injectés à l'extrémité proximale de la seconde fibre optique,
traversent
la seconde fibre optique, ressortent à l'extrémité distale de la seconde fibre
optique
puis sont alors injectés au niveau de l'extrémité distale du tronçon proximal
de la
première fibre optique. Les champs pilotes traversent alors le tronçon
proximal de
la première fibre optique et ressortent enfin à l'extrémité proximale de la
première
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
fibre optique (qui est l'extrémité proximale du tronçon proximal) où les
champs
résultants peuvent être mesurés afin de mesurer la matrice de transmission de
la
première fibre dans toute sa longueur (tronçon proximal et tronçon distal). La
connexion entre la première fibre et la seconde fibre sera expliquée plus en
détail
5 ci-après.
[0045] Les champs pilotes étant injectés au niveau de l'extrémité distale du
tronçon
proximal de la première fibre et non à l'extrémité distal du tronçon distal de
la
première fibre comme dans les méthodes de l'art antérieur, la méthode de la
présente invention peut être mise en oeuvre sans nécessité d'optique
contraignante
10 placée au niveau de l'extrémité distale de la première fibre optique (qui
est
l'extrémité distale du tronçon distal). L'extrémité distale de la première
fibre optique
étant exempte de toute optique, il est possible d'approcher facilement
l'extrémité
distale de la première fibre d'un échantillon biologique de petite taille. Par
exemple,
l'extrémité distale du tronçon distal de la première fibre peut être insérée
dans la
tête d'une souris vivante afin d'y imager une zone de son cerveau.
[0046] La seconde fibre optique est de préférence une fibre multi-coeurs aux
coeurs
monomodes. La fibre optique multi-coeurs peut comprendre au moins autant de
coeurs que de champs pilotes, chaque champ pilote étant transporté dans un
coeur
dédié de la fibre optique multi-coeurs avant d'être injecté au niveau de
l'extrémité
distal de la première fibre.
[0047] Par fibre optique monomode, on comprend une fibre dans laquelle la
lumière ne peut se propager que dans un seul mode du champ électromagnétique ;
par extension on comprend aussi une fibre optique dite monomode effective
qui
comprend plusieurs modes mais dans laquelle les conditions de couplage
n'excitent
qu'un seul mode (généralement le mode fondamental) qui confine la lumière
durant
toute la propagation (pas de fuite vers les autres modes).
[0048] Dans l'ensemble de la description, on pourra utiliser le terme fibre
optique
monomode pour évoquer aussi bien une fibre optique monomode individuelle
qu'un coeur monomode d'une fibre optique multi-coeurs.
[0049] Le transport d'un champ pilote dans un coeur dédié de la fibre optique
multi-
coeurs permet de limiter les distorsions optiques subies par le champ pilote
au fil de
la fibre. En effet, si la seconde fibre est une fibre multimode, le champ
pilote peut
subir différentes distorsions, tandis que dans un coeur monomode d'une fibre
multi-
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
11
coeurs la figure d'amplitude et la figure de phase du champ pilote restent
inchangés,
mis à part un déphasage global.
[0050] Selon un ou plusieurs aspects de la présente invention, chacun des n
champs pilotes peut être préalablement modulé à l'aide d'un modulateur de
front
d'onde (SLM), avant d'être injecté à l'extrémité proximale de la seconde fibre
optique.
[0051] Une telle modulation des champs pilotes permet de compenser la
distorsion
optique, aussi minime soit-elle, subie par les champs pilotes au sein de la
seconde
fibre.
[0052] Le modulateur de front d'onde peut comprendre un miroir déformable
segmenté ou un miroir à membrane, pour un fonctionnement en réflexion. Le
modulateur de front d'onde peut comprendre une matrice de cristaux liquides,
pour
un fonctionnement en réflexion ou en transmission.
[0053] La mesure des champs résultants
[0054] La méthode de la présente invention comprend une étape qui consiste en
l'estimation de la matrice de transmission de la première fibre optique, dans
une
conformation quelconque, à partir de la mesure des champs résultants de
l'injection
des n champs pilotes.
[0055] Le champ résultant Ei,résultant de l'injection du champ pilote Ei,champ
pilote peut
être mesuré à l'aide d'une caméra, tel un capteur CMOS ou CCD ; la caméra
étant
placée au niveau de l'extrémité proximale du tronçon proximal de la première
fibre
optique. L'extrémité proximale du tronçon proximal de la première fibre
optique peut
être couplée à une caméra à l'aide d'un dispositif optique tel un objectif.
[0056] La mesure d'un champ résultant consiste en la mesure de sa fonction de
phase et d'amplitude.
[0057] La mesure, côté proximal de la première fibre optique, du champ
résultant
de l'injection d'un champ pilote (au niveau de l'extrémité distale du tronçon
distal ou
de l'extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre optique) peut
être
effectuée selon différents modes de polarisation. De préférence, les champs
résultants sont mesurés selon deux états de polarisation orthogonaux.
[0058] La mesure des champs résultants selon différents états de polarisation
permet d'améliorer l'estimation de la matrice de transmission.
[0059] L'estimation de la matrice de transmission
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
12
[0060] La méthode de la présente invention comprend une étape d'estimation de
la matrice de transmission de la première fibre optique à partir de la mesure
des
champs résultants Ei,résultants. Cette étape d'estimation est avantageusement
réalisée dans un temps très court, proche de la milliseconde. Ainsi, une fois
la
matrice de transmission de la première fibre optique estimée, la première
fibre
optique peut être utilisée comme endoscope sans lentille afin de réaliser
l'image
d'un échantillon. Dès lors que la première fibre optique change à nouveau de
conformation, par exemple lors du mouvement de l'échantillon, la matrice de
transmission de celle-ci est ré-estimée.
[0061] Toute fibre optique peut être caractérisée par une matrice de
transmission
qui lie un champ entrant à un champ sortant. A titre illustratif, un point
focal injecté
à une extrémité d'une fibre optique peut sortir, à l'extrémité opposée de la
fibre,
translaté, atténué, ou même brouillé ; dans ce dernier cas, le champ résultant
forme
alors une tavelure (plus connue sous le nom anglais de speckle ). La
connaissance de la matrice de transmission de la fibre optique dans une
conformation quelconque permet d'anticiper les distorsions qu'impliquera la
fibre
dans sa conformation au faisceau lumineux qui la traversant. Toutefois, la
matrice
de transmission d'une fibre optique dépend de la conformation géométrique de
la
fibre. Une même fibre optique droite ou courbée n'induira pas les mêmes
distorsions
à un champ entrant et n'aura donc pas la même matrice de transmission.
[0062] En pratique, la matrice de transmission d'une fibre optique est mesurée
à
l'aide d'une caméra comprenant un capteur CCD ou CMOS. L'article suivant donne
un exemple de méthode où l'on cherche à déterminer la matrice de transmission
d'une fibre multimode (voir Time-dependence of the transmission matrix of a
specialty few-mode fiber APL Photonics 4,
022904 (2019);
https://doi.org/10.1063/1.5047578, J. Yammine, A. Tandjè, Michel Dossou, L.
Bigot,
and E. R. Andresen). Les dimensions de la matrice de transmission sont alors
limitées par les dimensions du capteur de la caméra. Lorsqu'elle est mesurée,
la
matrice de transmission de la fibre est classiquement exprimée dans sa base
des
modes localisées. Une opération mathématique peut permettre d'exprimer la
matrice de transmission de la fibre optique dans sa base des modes propres.
[0063] Selon un ou plusieurs aspects de la présente invention, l'estimation de
la
matrice de transmission dans sa base des modes propres est réalisée à l'aide
d'un
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
13
algorithme mettant en oeuvre une méthode de maximum de vraisemblance, la
méthode de maximum de vraisemblance est de préférence une méthode des
moindres carrés. L'algorithme permet alors de donner une estimation de la
matrice
de transmission Hest de la fibre dans une conformation quelconque.
[0064] La méthode des moindres carrés minimise la fonction f définie selon
l'équation [Math 1] suivante en optimisant Hest :
[0065] [Math. 1]
f = E El H est = Epilotes Erésultants12
[0066] Où EPilotes et ERésultants sont des matrices de dimensions [N x n] qui
contiennent respectivement les n champs pilotes Ei,pilotes et les n champs
résultants
Ei,résultatnts, N étant le nombre de modes propres guidés par la fibre
[0067] L'algorithme est ainsi configuré pour donner la meilleure estimation
Hest de
la matrice de transmission de la fibre dans une conformation quelconque.
[0068] Un tel algorithme permet un calcul rapide et une approche satisfaisante
de
la matrice de transmission de la première fibre.
[0069] La méthode selon l'invention peut comprendre une étape préliminaire de
mesure de la matrice de transmission de la première fibre optique dans une
conformation de référence dans une base des modes localisées, d'après une
méthode de mesure de matrice de transmission connue de l'homme du métier,
telle
que présentée ci-avant, puis une étape de changement de base de ladite matrice
de transmission dans sa base des modes propres. Dans ce cas, la matrice de
transmission de la première fibre est mesurée par exemple dans le sens
proximal-
distal (ou dans le sens distal-proximal) tout le long de la première fibre.
[0070] Soit HOproximal-distal la matrice de transmission d'une fibre optique
dans une
conformation de référence, mesurée dans le sens proximal-distal. La matrice de
transmission HOdisteproximal de la même fibre considérée dans le sens distal-
proximal
s'obtient en transposant la première.
[0071] La procédure d'estimation de la matrice de transmission de la première
fibre
optique de tout son long suppose que les champs pilotes soient injectés au
niveau
de l'extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique. Or, les
champs
pilotes peuvent être injectés à l'aide d'une seconde fibre optique, au niveau
de
l'extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre, c'est-à-dire au
niveau
du coupleur inter-fibre placé de 1mm à 5cm et de préférence 2cm en amont de
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
14
l'extrémité distale du tronçon distal de la première fibre optique. Ce
faisant, les
champs pilotes ne sont pas injectés au niveau de l'extrémité distale du
tronçon distal
de la première fibre optique et la matrice de transmission de la première
fibre
optique (tronçon proximal et tronçon distal) peut être quelque peu faussé.
[0072] La présente invention peut s'affranchir de ce problème en considérant
l'image virtuelle des champs pilotes injectés au niveau de l'extrémité distale
du
tronçon proximal de la première fibre comme s'ils étaient injectés à
l'extrémité
distale du tronçon distal de la première fibre.
[0073] En effet, connaissant la matrice HOproximal-distal, il est possible de
calculer
l'image virtuelle des champs pilotes, d'après l'équation suivante :
Epilotes,distal
HOproximal-distal . Erésultants,proximal, OU Epilotes,distal correspond au
champ de l'image
virtuelle des champs pilotes considérés à l'extrémité distale du tronçon
distal de la
première fibre optique, HOproximal-distal est la matrice de transmission de la
première
fibre optique dans une conformation de référence, mesurée d'après une méthode
connue de l'homme du métier, et Erésultants,proximal est les champs résultants
de
l'injection des champs pilotes par la seconde fibre optique à travers le
coupleur inter-
fibre, mesuré au niveau de l'extrémité proximale du tronçon proximal de la
première
fibre.
[0074] Cette étape préliminaire de mesure de la matrice de transmission de la
première fibre optique considérée dans toute sa longueur (tronçon proximal et
tronçon distal) permet donc de compenser le fait que les champs pilotes
puissent
être injectés non pas directement à l'extrémité distale du tronçon distal de
la
première fibre optique mais à l'extrémité distale du tronçon proximal de la
première
fibre, soit entre 1 mm et 5 cm et de préférence 2 cm en amont de l'extrémité
distale
du tronçon distal de la première fibre optique. L'estimation de la matrice de
transmission de la première fibre optique obtenue d'après la méthode de la
présente
invention n'en sera alors que plus précise.
[0075] De préférence, les champs pilotes considérés dans l'algorithme de
maximum de vraisemblance pour l'estimation de la matrice de transmission de la
première fibre optique sont les images virtuelles des champs pilotes injectés
via la
seconde fibre optique.
[0076] La première fibre optique
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
[0077] Comme la matrice de transmission de la première fibre optique dans une
conformation de référence est déterminée, il est possible de l'enregistrer, si
bien
qu'une calibration préalable n'est pas nécessaire pour chaque mise en oeuvre
du
procédé d'imagerie de la présente invention. C'est pourquoi la première fibre
5 optique objet de la présente invention peut être caractérisée par sa matrice
de
transmission obtenue dans une conformation de référence et exprimée dans sa
base des modes propres.
[0078] Selon un autre aspect, la présente invention concerne une première
fibre
optique multimode, la matrice de transmission dans une conformation de
référence
10 de ladite fibre étant connue, la fibre comprenant un tronçon proximal ayant
une
extrémité proximale et une extrémité distale ; et un tronçon distal ayant une
extrémité proximale et une extrémité distale, la fibre présentant un coupleur
inter-
fibre placé à au moins 5 cm en amont de son extrémité distale, le coupleur
inter-
fibre étant configuré pour recevoir l'extrémité d'une seconde fibre optique,
telle une
15 fibre multi-coeurs.
[0079] La première fibre optique est de préférence une fibre optique multimode
(MMF). La première fibre est par exemple une fibre à saut d'indice ou à
gradient
d'indice. La première fibre optique peut être réalisée en verre ou en
plastique. De
préférence elle est réalisée en verre.
[0080] Une telle fibre permet de fabriquer facilement et à faible coût un
endoscope
comprenant un encombrement minimal côté distal.
[0081] Le coupleur inter-fibre a pour fonction de transférer une partie du
faisceau
lumineux sortant de l'extrémité distale du tronçon proximal vers l'extrémité
proximal
du tronçon distal. Le coupleur inter-fibre est également destiné à transférer
une
partie du faisceau lumineux provenant de l'extrémité proximal du tronçon
distal vers
l'extrémité distal du tronçon proximal. Enfin, le coupleur inter fibre est
destiné à
transférer une partie du faisceau lumineux provenant de l'extrémité distale de
la
deuxième fibre vers l'extrémité distale du tronçon proximal de la première
fibre.
[0082] Ainsi, il est plus facile pour l'utilisateur de manipuler la première
fibre
optique et de la placer à convenance près de l'échantillon, sans pour autant
le gêner
(cf. l'exemple du cerveau de souris).
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
16
[0083] Le coupleur inter-fibre peut être placé à une distance comprise entre 1
mm
et 5 cm, de préférence 2 cm de l'extrémité distale du tronçon distal de la
première
fibre. Le tronçon distal de la première fibre mesurant ainsi 1 mm à 5 CrIl.
[0084] Le couplage entre le tronçon proximal et le tronçon distal de la
première
fibre est de préférence supérieur à 50% de sorte à obtenir une bonne
utilisation de
la lumière provenant de la source et traversant la première fibre optique dans
le
sens proximal ¨ distal d'un côté, et de la lumière réfléchie par,
rétrodiffusée par ou
de la fluorescence émise par l'échantillon traversant la première fibre
optique dans
le sens distal - proximal.
[0085] Le couplage entre l'extrémité distale de la seconde fibre et
l'extrémité
distale du tronçon proximal de la première fibre est de préférence inférieur à
50 /0.
[0086] Le couplage entre les coeurs de la seconde fibre optique est de
préférence
inférieur à -20 dB/m. Afin que les champs pilotes propagent de manière
indépendante dans celle-ci.
[0087] Pour réaliser le coupleur inter-fibre, l'homme du métier peut utiliser
un
dispositif existant dans le commerce ou il peut réaliser lui-même un coupleur
inter-
fibre selon des méthodes connues. Par exemple, l'homme du métier peut utiliser
un
coupleur multimodes commercialisé. Aussi, l'homme du métier peut réaliser le
coupleur inter-fibre à l'aide d'un assemblage d'optiques espace libres
miniaturisés
utilisant des lentilles et lames séparatrices du commerce où en réalisant lui-
même
les optiques et lames séparatrices à l'aide d'imprimantes 3D. Enfin, l'homme
du
métier peut coupler les fibres entre elles en coupant leurs extrémités en
biseau, en
polissant les faces biseautées puis en couplant les extrémités de deux fibres
entres
elles, les fibres coupées et polies sont alors appelées fibres
fonctionnalisées.
[0088] Le coupleur inter-fibre peut également être fait par une combinaison
des
méthodes citées au-dessus. La première et la seconde fibre optiques peuvent
également faire référence à des coeurs ou groupes de coeurs d'une même fibre
optique. Auquel cas le coupleur intra-fibre devrait coupler lesdits coeurs de
la même
manière qu'au cas de fibres optiques séparées telles que décrit ci-dessus.
[0089] La première fibre optique peut avoir une longueur de quelques
centimètres
à plusieurs mètres. Une longue fibre a l'avantage de laisser beaucoup de
liberté de
déplacement à la souris dans le cas illustratif où l'échantillon imagé est un
cerveau
de souris. En revanche, une longue fibre optique change facilement de
conformation.
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
17
A l'inverse, une courte fibre dévie peu de sa conformation de référence mais
limite
les déplacements de la souris dans le cas illustratif déjà évoqué.
[0090] Le diamètre de la fibre peut être compris entre 50 lm et 1 mm.
[0091] Dispositif pour l'imagerie endoscopique
[0092] Selon un autre aspect, la présente invention concerne un dispositif
pour
l'imagerie endomicroscopique comprenant :
- une source de lumière pour l'émission de faisceaux lumineux,
- une première fibre optique telle que définie ci-avant pour le transport
et le contrôle
de faisceaux lumineux émis par la source de lumière, où le tronçon proximal de
la
première fibre est dans une conformation quelconque et libre de bouger,
- optionnellement une seconde fibre optique, telle une fibre multi-coeurs
dont
l'extrémité distale est couplée à l'aide d'un coupleur inter-fibre tel que
mentionné
ci-dessus à l'extrémité distale du tronçon proximal de la première fibre
optique et la
seconde fibre permet le transport de n champs pilotes jusqu'au niveau de
l'extrémité
distale du tronçon proximal de la première fibre ;
- une voie de détection configurée pour mesurer le signal lumineux réfléchi
par
l'échantillon passant à travers le tronçon distal et le tronçon proximal de la
première
fibre optique.
[0093] Optionnellement, l'extrémité proximale de la seconde fibre optique est
couplée à un modulateur de front d'onde de sorte que les champs pilotes, au
niveau
de l'extrémité distale de la seconde fibre optique, soient connus et puissent
être
modifiés.
[0094] La voie de détection peut comprendre au moins un modulateur de front
d'onde, un objectif et une caméra. La voie de détection peut également
comprendre
un capteur permettant de détecter les changements de conformation du tronçon
proximal de la première fibre optique. Un tel capteur peut être un
accéléromètre ou
bien un chronomètre.
[0095] Selon encore un autre aspect, la présente invention porte sur une
méthode
d'imagerie endomicroscopique d'un échantillon, la méthode étant de préférence
mise en oeuvre à l'aide d'un dispositif comme décrit ci-avant, la méthode
comprenant les étapes suivantes :
- estimer, d'après la méthode de la présente invention, la matrice de
transmission
d'une première fibre optique dans la base des modes propres de la fibre
optique, la
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
18
fibre étant de préférence multimode,
- calculer un masque de phase en fonction de la matrice de transmission
estimée
et l'appliquer séquentiellement à un modulateur de front d'onde, afin de
former à
l'extrémité distale de la première fibre optique un faisceau d'illumination
avec une
fonction de phase connue, par exemple un point focal,
- mesurer le signal réfléchi du point focal par l'échantillon et
reconstituer une image
de l'échantillon,
- répéter l'étape d'estimation de la matrice de transmission dès qu'une
durée
prédéterminée est écoulée ou que la fibre change sensiblement de conformation,
par exemple à partir des données d'un accéléromètre ou d'un chronomètre.
[0096] Une telle méthode d'imagerie endoscopique permet de réaliser de
l'imagerie d'échantillon de taille microscopique, limitée par le diamètre de
la
première fibre optique. La méthode est en outre fiable et rapide.
[0097] Selon un dernier aspect, l'invention concerne un programme informatique
comportant des instructions pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention
lorsque ce programme est exécuté par un processeur.
[0098] Aussi, l'invention concerne un support d'enregistrement non transitoire
lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré un programme pour la mise
en
oeuvre du procédé selon l'invention lorsque ce programme est exécuté par un
processeur.
Brève description des dessins
[0099] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention
apparaîtront à
la lecture de la description détaillée ci-après, et à l'analyse des dessins
annexés,
sur lesquels :
Fig. 1A
[0100] [Fig. 1A] illustre de façon schématique un système d'imagerie endo-
microscopique sans lentille utilisant une fibre optique guidant N modes
propres
d'après l'art antérieur ;
Fig. 1B
[0101] [Fig. 1B] illustre de manière schématique le montage pour mesurer la
matrice de transmission selon l'état de l'art ;
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
19
Fig. 1C
[0102] [Fig. 1C] illustre de manière schématique la méthode de mesure de
matrice
de transmission selon l'état de l'art ;
Fig. 1D
[0103] [Fig. 1D] illustre l'impact d'un changement de conformation de la fibre
optique qui résulte en une image bruitée de l'image acquise par imagerie
endoscopique sans lentille de l'art antérieur ;
Fig. 2
[0104] [Fig. 2] illustre une première fibre optique multimode dans une
conformation
de référence ;
Fig. 3A
[0105] [Fig. 3A] illustre un coupleur inter-fibre par assemblage de fibres
optiques
fonctionnalisées ;
Fig. 3B
[0106] [Fig. 3B] illustre un autre coupleur inter-fibre par assemblage de
fibres
optiques fonctionnalisées ;
Fig. 3C
[0107] [Fig. 3C] illustre un coupleur inter-fibre par assemblage d'optiques
espace
libre miniaturisé ;
Fig. 3D
[0108] [Fig. 3D] illustre un coupleur multimode de fibres ;
Fig. 4A et 4B
[0109] [Fig. 4A] illustre une matrice de transmission de la fibre optique dans
la base
de modes localisés et la [Fig. 4B] illustre la même matrice de transmission,
mais
exprimée dans la base de modes propres de la fibre optique ;
Fig. 5
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
[0110] [Fig. 5] illustre le balayage d'un faisceau focalisé en sortie
(extrémité distale
du tronçon distal) de la première fibre optique dans sa conformation de
référence ;
Fig. 6
[0111] [Fig. 6] illustre une première fibre optique multimode dans une
conformation
5 quelconque, différente de sa conformation de référence ;
Fig. 7
[0112] [Fig. 7] illustre une tentative de balayage de faisceau en sortie de la
première fibre multimode (extrémité distale du tronçon distal) si la matrice
de
transmission estimée correspond à une conformation qui diffère de la
conformation
10 réelle de la fibre optique ;
Fig. 8
[0113] [Fig. 8] illustre un exemple d'injection de champs pilotes ;
Fig. 9
[0114] [Fig. 9] illustre la mesure des champs résultants de l'injection de
champs
15 pilotes suivant deux états de polarisations orthogonaux ;
Fig. 10
[0115] [Fig. 10] illustre la comparaison entre une matrice de transmission
réelle est
une matrice de transmission estimée selon le concept de la présente invention
Fig. 11
20 [0116] [Fig. 11] Balayage d'un focus en utilisant la matrice de
transmission estimée
Hest ;
Fig. 12
[0117] [Fig. 12] est un schéma de dispositif d'imagerie endoscopique de la
présente invention lorsque la matrice de transmission est mesurée dans une
conformation de référence d'après une méthode de l'état de la technique ;
Fig. 13
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
21
[0118] [Fig. 13] est un schéma de dispositif d'imagerie endoscopique selon la
présente invention où la matrice de transmission Hest est estimée suite à la
mesure
des champs résultants de l'injection des champs pilotes ;
Fig. 14
[0119] [Fig. 14] est un schéma du dispositif selon l'invention pour acquérir
une
image endomicroscopique par balayage d'un échantillon.
Description des modes de réalisation
[0120] Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel,
des
éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux
faire
comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le
cas
échéant. La référence OBJ est utilisée dans les figures pour définir un
objectif (ou
plus généralement un système optique), toutefois, deux objectifs dans une même
figures n'ont pas nécessairement les mêmes caractéristiques et ne sont pas
nécessairement identiques. Un homme du métier saura adapter chacun des
objectifs en fonction de leur emplacement dans le chemin optique.
[0121] La première fibre et le coupleur inter-fibre
[0122] Il est fait référence à la figure 2. La figure 2 est un schéma d'une
première
fibre optique 10 dans une conformation de référence (REF) guidant N modes
propres. La première fibre optique est par exemple une fibre multimode telle
une
fibre à saut d'indice ou à gradient d'indice ou une fibre multi-c urs. La
première
fibre 10 comprend une extrémité distale et une extrémité proximale.
L'extrémité
distale est destinée à être placée au plus proche de l'échantillon à imager.
L'extrémité proximale est quant à elle destinée à être reliée à une voie de
détection
et à un dispositif optique tel un modulateur de front d'onde injectant un
champ aux
propriétés connues.
[0123] Il est maintenant fait référence aux figures 3A, 3B, 3C et 3D qui
présentent
des exemples de coupleur inter-fibre 33 d'après la présente invention.
[0124] La première fibre 10 peut comprendre deux tronçons distincts 100 et
10P.
Un tronçon proximal 10P comprenant une extrémité proximale 10P-P et une
extrémité distale 10P-D dans lequel l'extrémité proximal est destinée à être
reliée à
une voie de détection et à un dispositif optique tel un modulateur de front
d'onde
injectant un champ aux propriétés connues. Un tronçon distal 100 comprenant
une
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
22
extrémité proximale 100-P et une extrémité distale 100-D, dans lequel
l'extrémité
distale 100-D est destinée à être placée au plus proche de l'échantillon à
imager.
L'extrémité distale du tronçon proximal 10P-D et l'extrémité proximale du
tronçon
distal 100-P sont reliés à l'aide d'un coupleur inter-fibre 100.
[0125] Coupleur inter-fibre fonctionnalisé
[0126] Les figures 3A et 3B illustrent deux coupleurs inter-fibres 33 par
fonctionnalisation des fibres. Ce coupleur inter-fibre consiste à coller entre
eux
l'extrémité distale d'une seconde fibre 20, l'extrémité distale du tronçon
proximal de
la première fibre 10P-D et l'extrémité proximal du tronçon distal de la
première fibre
100-P. Le coupleur inter-fibre étant placé à au moins 5 cm en amont de
l'extrémité
distale de la première fibre 100-D. Le coupleur inter-fibre permet de coupler
le
tronçon proximal 10-P de la première fibre à un tronçon distal 100 dont la
longueur
peut être ajustée.
[0127] La seconde fibre 20 est destinée au transport de champs pilote 200 vers
l'extrémité distale de la première fibre 100-D. Dans la figure 3A, la première
fibre
forme un angle droit avec la seconde. Une surface dans la première fibre
permet de
rediriger les champs pilotes (par réflexion optique) qui viennent de
l'extrémité distale
de la seconde fibre 20 vers l'extrémité proximale de la première fibre 10P-P.
Dans
la figure 3B, les deux fibres sont accolées l'une à l'autre, un vide d'air au
bout de la
seconde fibre puis une surface 15 dans la première fibre permet de rediriger
les
champs pilotes 200.
[0128] L'extrémité distale du tronçon proximal 10P-D et l'extrémité proximale
du
tronçon distal 100-P de la première fibre 10 sont coupées en biseau et sont
polies
de sorte que ces extrémités sont dites fonctionnalisée .
[0129] Coupleur inter-fibres par assemblage d'optique espace libre
[0130] A l'inverse d'optiques intégrées, le coupleur inter-fibre 33 du mode de
réalisation illustré à la figure 3C comprend un carcan, imprimé par exemple à
l'aide
d'une imprimante 3D. Ce carcan comprend un prisme ou une lame séparatrice 150
qui permet de distribuer les rayons lumineux entre la première 10 et la
seconde fibre
optiques 20. Le coupleur inter-fibre étant placé au moins 5 cm en amont de
l'extrémité distale 100 de la première fibre optique 10. Le coupleur inter-
fibre 33
comprend en outre des optiques 250. Les optiques 250 sont destinées à
focaliser
les rayons lumineux dans les différentes fibres optiques. Les champs pilotes
200
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
23
injectés à l'aide de la seconde fibre optique 20 sont redirigés vers
l'extrémité
proximale de la première fibre 10 grâce à la lame séparatrice 150. Les rayons
provenant de l'extrémité proximale de la première fibre 10 sont quant à eux
non
déviés par la lame séparatrice 150 et continuent leur trajectoire vers
l'extrémité
distale de ladite première fibre 10. De même, des rayons provenant de
l'extrémité
distale 100 de la première fibre 10 continuent leur trajectoire vers
l'extrémité
proximale de la première fibre 10 sans être déviés par la lame séparatrice
150.
[0131] Coupleur multimode
[0132] La figure 3D illustre un coupleur multimode 33 qui permet de connecter
l'extrémité distale d'une seconde fibre 20, par exemple une fibre multi-c urs,
à une
première fibre 10, par exemple une fibre multimode, de sorte que des champs
pilotes injectés au niveau de l'extrémité proximal de la seconde fibre 20
soient
transportés jusqu'au niveau de l'extrémité proximale 10P-P de la première
fibre.
Puis, le connecteur multimode permet que des champs injectés au niveau de
l'extrémité proximal du tronçon proximal 10P-P de la première fibre 10
ressortent
au niveau de l'extrémité distale du tronçon distale 100-D de ladite fibre,
afin de
réaliser, par exemple, un focus au niveau de l'échantillon à analyser.
[0133] Estimation de la matrice de transmission de la première fibre optique
[0134] Considérons une première fibre multimode à saut d'indice, la première
fibre
guidant par exemple N=30 modes propres.
[0135] Un exemple de matrice de transmission exprimée dans la base des modes
localisés est donné en figure 4A. Une fois la matrice de transmission dans la
base
des modes localisés mesurée, elle peut être exprimée dans sa base de modes
propres via une opération de changement de base. Une telle opération peut être
réalisée de façon automatique à l'aide d'un logiciel de calcul classique et
d'un
ordinateur. La figure 4B est un exemple de matrice de transmission exprimée
dans
la base des modes propres de la fibre.
[0136] La matrice de transmission Ho de la fibre dans une conformation de
référence peut être obtenue selon une méthode de l'état de l'art, telle
qu'illustrée en
figure 1B. La publication Time-dependence of the transmission matrix of a
specialty few-mode fiber , APL Photonics 4, 022904 (2019); J. Yammine, A.
Tandjè,
Michel Dossou, L. Bigot, and E. R. Andresen, donne une méthode connue de
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
24
l'homme du métier pour mesurer la matrice de transmission de la fibre dans le
sens
proximal vers distal.
[0137] Une fois la matrice de transmission de la fibre connue, il est possible
de
procéder à de l'imagerie en balayant l'échantillon avec un faisceau de lumière
focalisé selon le principe de l'endoscope sans lentille. Cette opération
nécessite
toutefois que la fibre ne change pas de conformation. En effet, la matrice de
transmission de la fibre lie un champ entrant et un champ sortant selon
l'équation
suivante : Esortant = HO. Eentrant où Eentrant est un vecteur colonne dans la
base de
modes localisés proximal contenant un nombre d'éléments égal au nombre de
modes localisés proximal et Esortant est un vecteur exprimé dans la base de
modes
localisés distal contenant un nombre d'éléments égal au nombre de modes
localisés
distal.
[0138] Connaissant la matrice de transmission Ho, il est donc possible de
s'assurer
que Esortant corresponde à un point focal Esortant = Efocal,i où Efocau est un
vecteur nul
sauf à l'indice i. Il suffit pour cela d'inverser la matrice de transmission
et d'injecter,
à l'aide d'un modulateur de front d'onde, le nouveau champ entrant suivant :
Ho-
1.Efocal, I.
[0139] La figure 5 illustre le balayage d'un faisceau focalisé effectué en
sortie de
l'extrémité distale de la première fibre.
[0140] Il est maintenant fait référence à la figure 6. La première fibre n'est
plus
dans une conformation de référence mais dans une conformation quelconque.
[0141] La matrice de transmission H de la fibre optique dans une nouvelle
conformation est différente de la matrice de transmission de la fibre optique
dans
sa conformation de référence Ho. Si on tente de faire un balayage d'un point
focal
selon le principe de l'endoscope sans lentille en supposant que la matrice de
transmission H de la fibre optique dans une conformation quelconque soit Ho,
on
n'arrive plus à balayer un focus à l'extrémité distale de la fibre optique. En
effet, la
figure d'intensité en sortie de fibre est alors un speckle et non plus un
champ
focalisé.
[0142] La figure 7 illustre le speckle obtenu dans le cas où la fibre optique
change
de conformation mais que la matrice de transmission n'est pas recalculée. Pour
obtenir à nouveau un point focal, il est nécessaire de remesurer la matrice de
transmission de la fibre.
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
[0143] Il est maintenant fait référence à la figure 8. Pour estimer la matrice
de
transmission H de la fibre dans une conformation quelconque, n champs pilotes
sont injectés à l'extrémité distale de la fibre selon la méthode de la
présente
invention.
5 [0144] Sur la figure 4B, on peut voir que la matrice de transmission H
exprimée
dans sa base de modes propres est une matrice diagonale par blocs. Elle
contient
sur sa diagonale 22 42 42 + 22 42 + 42 42 + 42 22= 108 inconnus.
[0145] Chaque champ pilote, exprimé dans la même base que H, représente N =
connus. Chaque champ pilote est en effet exprimé par un vecteur comprenant N
10 = 30 éléments, où N = 30 est le nombre de modes propres guidés par la
fibre. Ainsi,
l'injection de n=4 champs pilotes représente nxN = 4x30 = 120 connus.
[0146] Les champs résultant de l'injection des champs pilotes (cf. fig. 9),
mesurés
sur la caméra puis exprimés dans la même base que H représentent eux aussi
nxN=4x30=120 connus.
15 [0147] En théorie, le nombre de connus (120) étant supérieur au nombre
d'inconnus (108), il est possible de résoudre le système d'équations linéaires
qui lie
les champs pilote aux champs résultant afin de calculer directement la matrice
de
transmission H d'après la relation suivante : ERésuitants = H.Epliotes. Où El-
ilotes et
ERésuitants sont des matrices de dimensions [Nxn] = [30x4] qui contiennent
20 respectivement les 4 champs pilotes et les 4 champs résultants.
[0148] En référence à la figure 8, les champs pilote sont par exemple les
suivants :
- Pilote1 : champs focalisé sur position1 ;
- Pilote2 : champs focalisé sur position2 ;
- Pilote3 : champs focalisé sur position3 ;
25 - Pilote4 : champs focalisé sur position4. Notons que les positions1, 2, 3,
4 sont
arbitraires dès lors qu'elles ne sont pas identiques.
[0149] D'après la méthode de la présente invention, les champs pilotes sont
injectés dans la première fibre en son extrémité distale. Les champs
résultants sont
mesurés en l'extrémité proximale de la première fibre à l'aide par exemple
d'une
30 caméra. La caméra détecte par défaut seulement l'intensité (amplitude au
carré) ;
pour mesurer aussi le champ (i.e. la phase et l'amplitude) on utilise la
caméra avec
une méthode interférométrique, par exemple la méthode dite holographie hors-
axe.
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
26
[0150] La figure 9 illustre les 5 champs résultant, mesurés suivant deux états
de
polarisation orthogonaux. A partir de la cinquième mesure, soit la
superposition des
4 champs pilote, il est possible d'extraire les phases relatives entre les 4
champs
pilotes.
[0151] Pour estimer la matrice de transmission Hest de la fibre dans une
conformation quelconque, un algorithme des moindres carrés est utilisé d'après
la
présente invention.
[0152] Il est maintenant fait référence à la figure 10. La figure 10 illustre
deux
matrices de transmission de fibre dans une même conformation. La matrice de
transmission de gauche a été mesurée selon une méthode classique connue de
l'homme du métier telle que discuté en l'introduction de la présente
description. La
matrice de transmission de droite a été mesurée en utilisant un algorithme des
moindres carrés qui estime la matrice de transmission de la fibre optique
d'après la
mesure de champs résultant à l'injection de 4 chams pilotes d'après l'exemple.
La
figure 10 démontre bien que la présente invention permet d'obtenir dans un
temps
très court une excellente estimation d'une matrice de transmission d'une fibre
optique.
[0153] La matrice de transmission a donc été estimée avec seulement 5 mesures.
Si la fibre guidait un plus grand nombre de modes, 5 mesures auraient
toutefois pu
suffire pour estimer H.
[0154] En considérant une fibre multimode classique guidant 1000 modes, les
méthodes de l'état de l'art devraient faire au minimum 1000 mesures (et
souvent
bien plus dans la pratique). La présente invention permet alors de diviser par
un
facteur 200 le nombre de mesures.
[0155] Méthode d'imagerie
[0156] Une fois la matrice de transmission de la première fibre estimée
d'après la
méthode de la présente invention, il est possible de calculer un masque de
phase
en fonction de la matrice de transmission Hest estimée et l'appliquer à un
modulateur
de front d'onde, afin de former à l'extrémité distale de la première fibre
optique un
faisceau d'illumination avec une fonction de phase connue, par exemple un
point
focal. La figure 11 illustre le balayage d'un focus en utilisant la matrice de
transmission estimée de la fibre d'après la méthode de la présente invention.
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
27
[0157] La méthode d'imagerie selon la présente invention va être décrite plus
en
détail. Les figures 12, 13 et 14 illustrent le même dispositif d'imagerie
endoscopique
de la présente invention qui permet de mettre en oeuvre la méthode de la
présente
invention.
[0158] Le dispositif
[0159] Le dispositif d'imagerie endoscopique comprend une première fibre
optique,
de préférence multimode MMF comprenant un tronçon proximal et un tronçon
distal.
La première fibre optique MMF comprend un coupleur inter-fibre qui relie
ladite fibre
à une seconde fibre, de préférence multi-coeurs MCF. L'extrémité distale du
tronçon
distal de la première fibre est exempte de toute optique. Ainsi, l'extrémité
distale du
tronçon distal de la première fibre optique peut être placée au plus près d'un
échantillon à imager. Par exemple, l'échantillon est le cerveau d'une souris,
la souris
étant vivante et libre de ses mouvements. Le dispositif selon l'invention doit
pouvoir
réaliser l'imagerie du cerveau de la souris en temps réel.
[0160] Le dispositif d'imagerie comprend en outre une caméra CAM. La caméra
peut être couplée à un objectif OBJ. La caméra et l'objectif permettent de
mesurer
les champs résultants à l'extrémité proximale du tronçon proximal de la
première
fibre MMF à la suite de l'injection des champs pilotes à travers la seconde
fibre MCF.
[0161] Le dispositif comprend également une source de lumière, non
représentée,
étant par exemple un laser. La source de lumière est avantageusement reliée à
un
modulateur de front d'onde SLM. Le modulateur de front d'onde peut également
être couplé à un objectif OBJ permettant d'injecter un signal lumineux
contrôlé au
niveau de l'extrémité proximal du tronçon proximal de la première fibre
optique MMF.
[0162] Un moyen de distribution de la lumière est ajouté à la suite du
modulateur
de front d'onde et de l'objectif. Ce système est par exemple un miroir ou un
prisme.
Le distributeur de lumière permet soit de diriger la lumière provenant du
modulateur
de front d'onde vers la première fibre optique MMF soit de diriger les
faisceaux
lumineux réfléchis par l'échantillon et traversant la première fibre optique
MMF vers
une voie de détection.
[0163] La voie de détection de la lumière rétrodiffusée par l'échantillon et
transmise
à travers la première fibre MMF de son extrémité distale à son extrémité
proximale
peut comprendre un détecteur CARA ¨proximal et éventuellement un objectif OBJ
pour
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
28
focaliser la lumière rétrodiffusée sur une surface de détection du détecteur,
ainsi
qu'une unité de traitement des signaux issus du détecteur.
[0164] Etape préliminaire ¨ fig. 12
[0165] Il est dorénavant fait référence à la figure 12. La figure 12 est un
schéma
présentant la configuration du dispositif d'imagerie endoscopique qui permet
de
réaliser une mesure de la matrice de transmission de la première fibre dans le
sens
proximal-distal : HO proximal-distal d'après un mode de réalisation de la
méthode de la
présente invention où une étape préliminaire de mesure de la matrice de
transmission de la première fibre optique MMF dans une conformation de
référence
(REF) dans une base des modes localisées est réalisée.
[0166] Dans cette configuration, le tronçon distal de la première fibre
optique MMF
n'est pas encore relié à l'échantillon. Dans cette configuration, la voie de
détection
comprenant une caméra CARA ¨distal avec un objectif OBJ est placée au niveau
de
l'extrémité distale du tronçon distal de la première fibre MMF. Cette voie de
détection propre à l'étape préliminaire de mesure de la matrice de
transmission de
la première fibre dans toute sa longueur peut être la même voie de détection
qui
mesure les champs résultant Erésultant ou une tout autre voie de détection.
[0167] La source de lumière émet des faisceaux lumineux qui peuvent être
façonnés à l'aide du modulateur de front d'onde SLM. Ces faisceaux lumineux
traversent la première fibre optique dans toute sa longueur et son mesurés, au
niveau de l'extrémité distale du tronçon distal de la première fibre à l'aide
de la voie
de détection, au niveau de la caméra CARA ¨distal.
[0168] Injection des champs pilotes ¨ Fig. 13
[0169] Il est maintenant fait référence à la figure 13. La figure 13 illustre
la mesure
des champs ERésuitants résultant de l'injection des champs pilotes EPilotes
d'après la
présente invention. Dorénavant, l'extrémité distale du tronçon distal de la
première
fibre optique peut être placé au niveau de l'échantillon à analyser.
[0170] n champs pilotes Epilotes,latéral sont injectés via la seconde fibre
optique MCF
et le dispositif de connexion inter fibre 33 redirige ces champs pilotes vers
la
première fibre MMF au niveau de l'extrémité distale du tronçon proximal vers
l'extrémité proximale du tronçon proximal de la première fibre optique.
[0171] Les champs résultants Erésultants,proximal à l'extrémité proximale du
tronçon
proximal de la première fibre optique MMF sont mesurés à l'aide d'une voie de
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
29
détection. Cette mesure peut être réalisée pour deux états de polarisation
différents,
de préférence orthogonaux. Dans ce cas, la caméra CAM peut être couplée par
exemple à des lames quart d'onde et/ou demi onde.
[0172] La procédure d'estimation de la matrice de transmission suppose que les
champs pilotes sont injectés directement à l'extrémité distale de la première
fibre
MMF et non au niveau de l'extrémité distale du tronçon proximal de la première
fibre,
c'est-à-dire au niveau du coupleur inter-fibre placé de 1 mm à 5 cm en amont
de
l'extrémité distale du tronçon distal de la première fibre.
[0173] Comme déjà évoqué, il est possible de calculer l'image virtuelle
Epilotes,distal
que les champs pilotes Epilotes,lateral injectés au niveau du coupleur inter-
fibre 33
auraient au niveau de l'extrémité distale de la première fibre optique. Pour
cela, il
est nécessaire de considérer la matrice de transmission Ho de la fibre optique
dans
une conformation de référence, calculée à l'étape préliminaire illustrée à la
figure
12.
[0174] Epilotes,distal =HO . Erésultants,proximal
[0175] Désormais, nous savons qu'injecter les Epilotes,lateral par le coté
équivaut à
injecter les Epilotes,distal par l'extrémité distale. La procédure
d'estimation de la matrice
de transmission de la première fibre considérée dans toute sa longueur
(tronçon
proximal et tronçon distal) devient désormais possible, dès lors qu'on suppose
que
ce sont les Epilotes,distal qui sont injectés au lieu des Epilotes,lateral.
[0176] Une fois les champs pilotes injectés dans la première fibre optique MMF
et
les champs résultants mesurés à l'extrémité proximal de la première fibre
optique
MMF à l'aide de la caméra CAM, la méthode d'estimation d'une matrice de
conformation de la présente invention permet d'estimer la matrice de
transmission
Hest de la première fibre optique MMF dans une conformation quelconque (RAND).
[0177] Un algorithme des moindre carré (ou LMS pour Least Mean Square )
minimise la fonction f définie selon l'équation Math. 2 suivante en optimisant
la
matrice de transmission estimée Hest :
[0178] [Math. 2]
f = EEIHestEpilotes Erésultants12
[0179] Où EPilotes et ERésultants sont des matrices de dimensions [N x n] qui
contiennent respectivement les n champs pilotes et les n champs résultants.
CA 03233236 2024-03-21
WO 2023/057728 PCT/FR2022/051897
[0180] L'algorithme trouve le résultat Hest, la meilleure estimation de H. Le
temps
d'exécution de l'algorithme est d'environ 1 ms sur un ordinateur standard.
[0181] Imagerie de l'échantillon ¨ Fig. 14
[0182] Il est désormais fait référence à la figure 14 où l'on suppose avoir
5 préalablement mesuré la matrice de transmission Hest de la première fibre
optique
MMF dans une conformation quelconque (RAND) à l'aide de la méthode de la
présente invention.
[0183] Connaissant la matrice de transmission de la première fibre MMF, il est
possible de calculer un masque de phase avec le modulateur de front d'onde SLM
10 afin d'émettre en sortie de la première fibre optique MMF un faisceau
lumineux
contrôlé, typiquement un point focal.
[0184] L'échantillon peut alors être imagé, par exemple par balayage du point
focal. L'image résultante est mesurée pixel par pixel à l'aide de la voie de
détection
comprenant une caméra CARA ¨proximal avec un objectif OBJ. La voie de
détection des
15 différentes étapes de la méthode d'imagerie selon la présente invention
peut être la
même pour chacune des étapes, dans ce cas, un système optique classique qui
permet de distribuer les différents faisceaux lumineux provenant des
différentes
extrémités des fibres optiques (MMF et MCF) est utilisé. Sinon, les différents
objectif
OBJ propres à chacune des voies de détection peuvent être différents.
20 [0185] A chaque fois que la fibre change de conformation, l'injection des
champs
pilotes et l'estimation de la nouvelle matrice de transmission de la fibre est
réalisée.
L'estimation de la matrice de transmission peut aussi être réalisée selon une
fréquence prédéterminée. Par exemple, l'estimation de la matrice de
transmission
peut être réalisée une fois par seconde, deux fois par second, dix fois par
seconde,
25 où selon une fréquence plus faible d'une fois toutes les minutes. Ou
bien l'estimation
de la matrice de transmission de la première fibre peut être réalisée dès lors
que
ladite fibre optique change de conformation, par exemple dès lors qu'un
capteur tel
un accéléromètre qui mesure un déplacement de la première fibre par rapport à
sa
conformation de référence.
