EP3201563A1 - Diffraction microscope method and device - Google Patents

Diffraction microscope method and device

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EP3201563A1
EP3201563A1 EP15771517.8A EP15771517A EP3201563A1 EP 3201563 A1 EP3201563 A1 EP 3201563A1 EP 15771517 A EP15771517 A EP 15771517A EP 3201563 A1 EP3201563 A1 EP 3201563A1
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EP
European Patent Office
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plane
imaging system
detection
image
conjugate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15771517.8A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Pierre Bon
Emmanuel Fort
Sandrine Leveque-Fort
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Sud Paris 11
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Paris Sud Paris 11
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Publication date
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    • G01N2015/1006Investigating individual particles for cytology

Definitions

  • the present invention relates to a method and an optical telemetry device for determining the three-dimensional position of an object, and is particularly applicable to three-dimensional microscopic imaging in biology but also to passive optical telemetry. (without measurement of flight time).
  • the impulse response shape (PSF) control techniques of the imaging system including the microscope objective aim to break the axial symmetry of the PSF so that there is a one-to-one relationship between the section. of the PSF and the axial position of the transmitter relative to the focal plane of the imaging system.
  • PSF impulse response shape
  • the multi-plane approach consists of simultaneously imaging the signal of a transmitter in axially separated planes.
  • the article by S. Abrahamsson et al. For example, "fast multicolor 3D imaging using aberration-corrected multifocus microscopy", Nature Methods, Vol.10 No. 1 (2013) describes the arrangement of a particular network for generating nine images on a single detector corresponding to nine orders of diffraction.
  • a limitation of multi-plane techniques is the division of the "photon budget" of the transmitter according to a given number of images, resulting in a loss of sensitivity and therefore of accuracy.
  • Axial precision in super-resolution microscopy can be significantly improved by interfering the emitted waves from a transmitter at the focus of two microscope objectives (see G. Shtengel et al., "Interferometric fluorescent super-resolution microscopy resolves 3D cellular ultrastructure” Proc Natl Acad Sci USA 106, 3125 (2009)).
  • This last technique which implements a measurement system called “4pi", that is to say using two objectives head to tail to collect the light in almost 4pi steradian, combined with a triple interferometric detection of photons emitted, is the one who offers today the best axial location accuracy, but at the cost of considerable experimental complexity that relegates to a very minor use in biology laboratories.
  • This technique is also sensitive to differential aberrations resulting from the passage of the sample forwards or backwards in a 4pi assembly, for any type of sample.
  • the present invention implements an interferometric technique which does not have the disadvantages of the previously described techniques; in particular, it allows a full-field imaging adapted to the detection of continuums of fluorescent emitters but requiring only one detector. It is applied in super resolution microscopy but also in conventional microscopy and also finds applications in passive optical telemetry, that is to say for determining the distance of an object in a scene without flight time analysis. .
  • the invention relates to a device for measuring the distance, with respect to a reference plane, from a light point of an object, comprising:
  • a two-dimensional detector comprising a detection plane
  • an imaging system adapted to form an image of a luminous point situated on an object plane of interest in an image plane situated near the detection plane or a conjugate plane of the detection plane;
  • a separating element making it possible to form, from a beam emitted by a luminous point of the object plane of interest and emerging from the imaging system, at least two coherent beams between them, having a region of spatial superposition in which the beams interfere with each other;
  • signal processing means making it possible to determine from the interference pattern formed on the detection plane and resulting from optical interferences between said beams coherent with each other, the distance from the light point to a conjugate plane of the detection plane in the object space of the imaging system (10), said conjugate plane of the detection plane forming the reference plane.
  • a source point may be a fluorescent emitter or "quantum dot” whose spatial dimensions are smaller than the diffraction task of the imaging system.
  • a source point may include a larger and spatially coherent area of an object forming on the detection plane a "picture point” whose dimensions of which are much larger than those of the impulse response (or PSF) of the imaging system.
  • the device thus described makes it possible in particular to reconstruct an object in 3D without the need to use controlled illumination means of the object; thus, the device described makes it possible, for example, to reconstruct in 3D an object emitting its own light (in the case of a fluorescent emitter in microscopy) or an object re-emitting light without having any control over its illumination (scene of everyday life).
  • the separating element as defined in the device according to the present description makes it possible to print within the "image point", that is to say the image of a luminous point of the object formed on the plane of detection, a modulation whose period depends on the relative curvature of the wave coming from the luminous point, finally allowing to achieve a relative elevation mapping of the object.
  • the separator element coupled to the detector thus behaves as a curvature sensor of the wave coming from the different light points of the object which prints a modulation within each image point without degrading the resolution.
  • the separator element makes it possible to print a modulation within the image point whose period is sufficiently small to form at least two fringes at the image point and to obtain a sufficient measurement precision.
  • the period of the fringes of the interference pattern formed on the detection plane (“interfrange”) is smaller than the diameter of the impulse response of the imaging system.
  • imaging or PSF, which is the smallest image formed from a bright spot on the detection plane.
  • the separating element comprises a diffraction grating close to the imaging plane, for example a two-dimensional diffraction grating.
  • the diffraction grating is a transmission network, respectively in reflection, which does not transmit, respectively does not reflect, the zero order.
  • the device is applied to three-dimensional imaging; the imaging system then includes a microscope objective.
  • the device further comprises a relay optics for forming a conjugate plane of the detection plane in the image space of the imaging system.
  • the invention relates to a method for measuring the distance, with respect to a reference plane, of a light point of an object of interest, comprising:
  • the formation by means of a separating element, from a beam emitted by the light spot and emerging from the imaging system from at least two beams coherent with each other and having a region of spatial superposition in which the beams coherent between them interfere;
  • the distance from the luminous point to the reference plane is obtained from the measurement of the period of the fringes of the interference pattern.
  • FIGS. 1A and 1B diagrams illustrating two examples of telemetry device according to the present description
  • Figures 2A to 2D diagrams illustrating the principle of the method implemented according to an example; 3, curves showing according to two particular examples the value of the interfrange (pseudo-period of modulation) as a function of the axial position of the source point relative to the reference plane;
  • FIGS. 4A and 4B diagrams illustrating telemetry devices according to two other examples
  • Figure 5 is a diagram illustrating an exemplary device according to the present description, applied to three-dimensional microscopic imaging
  • FIGS. 6A to 6C images illustrating various steps of the telemetry method in a super-resolution microscopy application implemented with a montage of the type of FIG. 5 and with a biological sample comprising CHO cells ("Chinese Hamster Ovary ”) and a labeling of tubulin proteins of the cytoskeleton of these cells;
  • FIG. 8A, 8B respectively a standard fluorescence image and an image of the biological sample obtained in a similar configuration (assembly and sample) to that used to obtain the images 6A to 6C;
  • FIG. 9 a diagram of a device according to the present description, applied to passive optical telemetry in a scene.
  • FIGS. 1A and 1B illustrate two examples of telemetry device according to the present description, adapted for measuring the distance, with respect to a given reference plane, from a luminous point Pi (or "source point") of a object of interest O in a scene.
  • the telemetry device 100 shown diagrammatically in FIG. 1A generally comprises a two-dimensional detector 30 with a detection plane P DET connected to signal processing means 50, and an imaging system 10 adapted to form an image of a light point. Pi of an object plane of interest 11, in an image plane 11 'located near the detection plane 31 of the detector.
  • the image plane 11 ' is in the vicinity of a plane P' DET conjugated to the detection plane P DET , the device further comprising a relay optic 40 making it possible to form in the image space of the imaging system 10 a conjugate plane of the detection plane.
  • the proximity of the image plane to the detection plane depends on the precision sought for the distance measurement.
  • the detection plane P DET OR of the conjugate plane P ' DET of the detection plane by the relay optics 40
  • the measurement zone corresponds to the zone in which the accuracy of measuring the distance of a light point relative to the reference plane is satisfactory depending on the intended application.
  • the measurement zone when seeking a location accuracy of an emitter relative to the reference plane well below the object field depth of the imaging system, can be have a total length L m less than four times the object depth dz of the imaging system and advantageously less than twice the depth of field dz object of the imaging system to ensure a good measurement accuracy.
  • the object depth of field dz can be determined by
  • n 1 for an imaging system immersed in the air, for example for passive telemetry applications and n3 ⁇ 41.5 for an imaging system immersed in an immersion oil, for example for applications in microscopy of super -resolution.
  • the detection plane (or the conjugate of the detection plane) and the image plane 11 'conjugate of the object plane of interest 11 by the imaging system 10 may be separated from each other by a distance less than twice the image field of view of the imaging system, and preferably by a distance less than once the image field depth of the imaging system, in order to benefit from a good accuracy in the measurement of the distance of the luminous point.
  • the distance between the detection plane (or the conjugate of the detection plane) and the image plane 11 'conjugate of the object plane of interest 11 by the imaging system 10 can be lengthened to ten times or even twenty times the image depth of field, to the detriment of the localization accuracy which then becomes of the order of depth of field; this mode of operation is mainly interesting for passive telemetry measurement, where to find out where the object is located axially without super-resolution is sufficient.
  • the telemetry device For the determination of the distance from a luminous point Pi to the reference plane P REF , the telemetry device comprises a separator element 20 making it possible to form from a beam B 'emitted by the luminous point Pi and emerging from the luminaire system. 10, at least two beams coherent with one another (not shown in FIGS. 1A and 1B) and having a region of spatial superposition in which said coherent beams interfere with one another.
  • the separator element 20 will be described in more detail below and may comprise for example a network, advantageously a two-dimensional array, located near the detection plane P DET (example of FIG. 1A) or the plane P ' DET conjugate of P DET detection plane (example of Figure 1B).
  • the separator element 20 may also comprise a separator blade or a separator cube, as will be illustrated by way of examples in the following description.
  • the separating element is arranged in such a way that the detection plane or the conjugate plane of the detection plane is in the spatial superposition zone of the beams which are coherent with one another and come from the separating element.
  • the detection plane of the detector is formed for each source point Pi an image which is the convolution of the response impulse of the imaging system (PSF) with an interference pattern resulting from the interference of beams from the separator element.
  • PSF imaging system
  • the parameters of the separator element for example the pitch of the grating in the case of a diffraction grating type separator element, or the optical index and the thickness of the separating plate in the case of a separator element. splitter separator element
  • the parameters of the separator element for example the pitch of the grating in the case of a diffraction grating type separator element, or the optical index and the thickness of the separating plate in the case of a separator element. splitter separator element
  • the period of the modulation (in other words the interfrange of the interference pattern) depends on the relative position of the source point with respect to the reference plane P REF which is the conjugate plane of the plane of detection P DET in the object space of the imaging system 10.
  • P REF the conjugate plane of the plane of detection P DET in the object space of the imaging system 10.
  • FIGS. 2A to 2D illustrate in greater detail the principle of the method implemented according to a particular example in which the separator element comprises a network 21.
  • the network 21 is advantageously a two-dimensional diffraction grating. Two independent axial positioning measurements (eg distance measurements relative to the reference plane) (one along each of the axes of the network) can thus be obtained for a single source point, which increases the axial location accuracy while making possible measurements on images presenting any distribution of sources (continuum of fluorophores, scene of the everyday life ).
  • the network 21 is, in a variant, a transmission network adapted to transmit all of the incident light energy, ie a phase grating, when the arrangement is in transmission, or may alternatively be a reflection grating adapted to reflect the entirety of the light energy incident when the assembly is in reflection.
  • a transmission network adapted to transmit all of the incident light energy, ie a phase grating, when the arrangement is in transmission, or may alternatively be a reflection grating adapted to reflect the entirety of the light energy incident when the assembly is in reflection.
  • a transmission or reflection grating will be chosen which does not transmit, respectively does not reflect, the order 0.
  • To eliminate the zero order can be obtained for example by adjusting to ⁇ [2 ⁇ ] the modulation of the phase shift introduced over a period, for example by etching the network substrate or local modification of the substrate index.
  • Another possibility to suppress the order 0 is to remove the order 0 in the Fourier space of the network, but in this case, there is introduced a loss of photons and therefore a loss of signal to noise ratio.
  • Image point of a source point of the object, the image point being confused with the impulse response of the imaging system, or PSF, in super resolution microscopy applications for example.
  • the pitch of the grating comprised between one third of the radius of the image point and three times the radius of the image point, in order to have sufficient lateral sampling of the fringes and to limit oversampling.
  • a pitch p of the order of the diameter of the image point to have 2 fringes per image point; and in the case of the application of super resolution microscopy, a pitch p between r / 3 and 3r, advantageously of the order of 2r, where r is the radius of the PSF given by equation (2) ci - above.
  • FIGS. 2A to 2D illustrate, by way of example and schematically, the wave propagation in the case of a measuring device comprising a diffraction grating 21 and the light intensity measured in a lateral direction in the plane of detection in the case of two source points positioned at two different axial positions.
  • a one-dimensional network of pitch p and it is assumed that the network diffracts only the orders +1 and -1.
  • a diffraction grating is, for example, a complex amplitude grating as described, for example, in J. Primot et al. ("Extended Hartmann test based on the pseudoguiding property of a Hartmann mask completed by a phase chessboard", Applied Optics, Vol 39, Issue 31, pp. 5715-5720 (2000)).
  • ⁇ interfringe ⁇ as a function of the distance of the source point with respect to the reference plane (ie the conjugate plane of the detection plane in the object space of the system of imaging).
  • the relationship between the interfrange (period of the modulation) and the distance from the source point considered to the reference plane can be determined theoretically from the parameters of the diffraction grating chosen, as is explained below according to an example. In the example shown in FIGS.
  • the grating 21 is located at a distance d from the detection plane P DET -
  • the grating makes it possible to form two diffracted beams coherent with each other, denoted ⁇ and B ' 2 and corresponding respectively to the orders +1 and -1.
  • the grating 21 diffracts the light according to the order +1 with an angle ⁇ with respect to the propagation of the direct light (ie order 0 of the grating, indicated in simple dotted lines in the figures).
  • the lateral shift between the point of impact on the detection plane of the diffracted order 1 and the point of impact (theoretical) of the order 0 is noted in FIGS. 2A and 2C.
  • the lateral offset corresponds to half lateral shift between the points of impact the two "replicas" formed by the two coherent beams entre between each other and B ' 2 .
  • the interferogram / (x) formed by the orders +1 and -1 on the detection plane located at a distance d from the network can be described by:
  • the interfrange ⁇ measured is normalized by the half-period of the network and the normalized distance z as a function of the depth of field.
  • curves show first of all that it is possible from the value of the interfrange to determine the distance z between the image of a source point and the detector and thus to deduce it in the object space. of the imaging system, the distance between a source point of the object and the reference plane.
  • the curves of FIG. 3 further illustrate the shape of the curve as a function of the value of the lateral half-shift ⁇ between the replicas, the lateral half-offset being proportional to the distance d between the grating and the plane of detection.
  • the curves show that by playing on ⁇ one can enlarge the zone along the optical axis where the measurement is possible but one loses in precision of localization.
  • the network will advantageously be placed at a distance sufficiently close to the detection plane so that the lateral shift introduced between the replicas is less than the diameter of the image point, for example the diameter of the PSF ( ⁇ , equation (2)) in the case of super resolution microscopy application.
  • the diameter of the PSF ( ⁇ , equation (2)) in the case of super resolution microscopy application.
  • Inequency (6) is expressed as a function of the choice of the microscope objective at a ratio dlp typically less than a value between 10 and 50 depending on the choice of the microscope objective; thus for spas networks typically between 10 and 30 ⁇ , the distance d will be chosen less than a value that may vary between ten microns and 1 mm depending on the choice of the microscope objective.
  • FIGS. 2A to 2D Although described in the case of a one-dimensional network having two diffraction orders, the principle illustrated by means of FIGS. 2A to 2D extends to other examples of diffraction gratings, and in particular a two-dimensional grating allowing two independent axial measurements. (one following each axis of the network) for each source point.
  • the axial positioning of the object-forming source points can thus be obtained by measuring the period or local frequency of the interfering frequency formed on the detection plane.
  • the positioning of each source point is determined by comparing the measured value of the period / local frequency of the interfering gram formed on the detection plane with a calibration curve of the period / frequency as a function of the axial positioning of the source point.
  • the calibration curve can be obtained either theoretically (like the curve shown in FIG. 3 for example) or experimentally by frequency measurements obtained on images of source points whose axial positioning is known.
  • the measurement of the local period / frequency of interference generated on the detector can be obtained in several ways.
  • the measurement can be done in the direct space (ie directly on the image) by local adjustment (fitting) of the image by a function describing the interferogram (see equation (1) above for example) . This allows to go back to the local period of the interferogram.
  • the measurement can also be done by local Fourier transform to find the main peak in the Fourier space, that is to say the local frequency in the image area considered.
  • a diffraction grating as described above may be replaced by any system making it possible to generate an equivalent phase and / or absorption function, for example a spatial light modulator (SLM) or a deformable mirror.
  • SLM spatial light modulator
  • a deformable mirror With SLM, however, the need to work with polarized light results in detrimental photon loss, especially in microscopy applications. With a deformable mirror, the limit comes from the reduced number of actuators that results in too much period of the equivalent network.
  • separator elements may be integrated in the device according to the present description to form the curvature sensor thus described. It suffices that such a separating element makes it possible to separate the incident beam emitted by the luminous point into at least two mutually coherent beams having a region of spatial superposition in which the beams interfere.
  • FIGS. 4A and 4B thus illustrate two examples of measuring devices according to the present description.
  • the separating element comprises a separating plate, for example a semi-reflecting plate, to form a Murty interferometer-type interferometer assembly and in the example of FIG. 4B, the separating element comprises a splitter cube to form a Mach-Zender type interferometric assembly.
  • the telemetry device 300 shown diagrammatically in FIG. 4A comprises, as in the example of FIG. 1B, a two-dimensional detector 30 with a detection plane P D AND and an imaging system 10 adapted to form an image of a source point Pi an object plane of interest 1 1 in an image plane 1 1 'close to a plane P'DET conjugate PDET detection plane, the device further comprising a relay optics 40 to conjugate the plane P'DET with
  • the telemetry device 300 furthermore comprises a semi-reflecting plate 22 of thickness e, for example a glass plate of index n, arranged to allow reflection.
  • the semi-reflecting plate is arranged so as to form an angle of 45 ° with the optical axis of the imaging system, to form an interferometer known as the Murty interferometer. .
  • ⁇ intergram / gram / (x) formed on the detection plane by the image of a point source at a distance z from the image by the imaging relay system (40) of the semireflecting plate (here confused with the plane of the detector) can be described by:
  • the telemetry device 400 shown diagrammatically in FIG. 4B comprises, as in the example of FIG. 1B, a two-dimensional detector 30 with a detection plane P DET and an imaging system 10 adapted to form an image of a source point Pi d an object plane of interest 11 in an image plane 11 'close to a plane P' DET conjugated to the detection plane P DET , the device further comprising a relay optics enabling the plane P ' DET to be combined with the plane of detection P DET -
  • the relay optics comprises two optics 41, 42, between which is arranged the separating element formed here of a Mach-Zender interferometer 23.
  • the interferometer comprises in this example a separating plate Si (or of a separator cube) making it possible to form, from the beam B 'coming from the source point Pi and emerging from the imaging system 10, two beams ⁇ and B' 2 coherent with one another. These beams propagate in two independent arms each containing a mirror with total reflection (M ls M 2 ). The beams are recombined thanks to the cube (or blade) separator S 2 . The beams are symbolized for the sake of clarity in Figure 4B by their optical axis.
  • the diffraction grating makes it possible to obtain a greater measurement stability because the free space propagation lengths of the beams that are coherent with one another and intended to interfere are less important and, because of this, also the number of free parameters affecting the measurement are lower (notably the angle of the separating plate in the case of Murty's interferometer and angles of the mirrors and semi-reflective plates in the case of Mach Zender's interferometer).
  • the diffraction grating also makes it possible to work with all the photons coming from the source point, which is not the case for the Mach Zender assembly, for example. It is therefore preferable to use the diffraction grating as a separating element.
  • the network can also allow, in case of suppression of the order 0, to form achromatic interferences unlike the other separator elements.
  • FIG. 5 shows a diagram illustrating an exemplary device according to the present description, applied to three-dimensional microscopic imaging, in particular for imaging biological specimens formed of molecular complexes.
  • the molecular complexes whose average sizes are typically from a few nanometers for small complexes to about 100 nanometers for the most imposing structures, are marked according to known techniques by a probe capable of emitting a light signal, for example a fluorescent probe. , thus forming emitting particles smaller than the diffraction limit of the optical system used to form an image thereof.
  • the particles that one seeks to locate evolve in a support medium that can be liquid or solid, for example in the form of a gel, for example a biological medium.
  • the support medium may be arranged directly on a sample holder, deposited on a plate or held between two plates, for example glass plates.
  • O object (FIG. 5) is the support medium and the emitting particles evolving therein, as well as the holding plate (s), if appropriate.
  • the three-dimensional imaging device 500 comprises in the example of FIG. 5 an imaging system 10 able to form the emitting particle (ie the source point) an image on a detection plane P DET of a detector 30, advantageously a matrix detector, for example a CCD camera, CMOS, an amplified camera EMCCD type (abbreviation of the English expression "Electron Multiplying Coupled Charge Display”), a camera sCMOS, a matrix of photomultipliers.
  • a matrix detector for example a CCD camera, CMOS, an amplified camera EMCCD type (abbreviation of the English expression "Electron Multiplying Coupled Charge Display"), a camera sCMOS, a matrix of photomultipliers.
  • the imaging system 10 comprises a microscope objective 12, corrected for example for an optical configuration of focus-infinity work, associated with a lens 13, referred to as a tube lens, making it possible to form an image on an intermediate detection plane 11 '.
  • the microscope objective assembly and tube lens forms a conventional optical microscope system.
  • the imaging device 500 further comprises relay objectives 40 making it possible to form a plane P ' DET conjugate of the detection plane P DET of the detector 30 in the image space of the imaging system 10, the image plane 11 'being located near the conjugate plane P' DET .
  • the image which is the convolution of the object with the impulse response of the imaging system or PSF, is here substantially confused with the impulse response.
  • a motorized platform (not shown) may be present and allows the sample O to be moved in an XY plane perpendicular to the optical axis of the microscope objective.
  • a mechanical axial focusing device (not shown) may be present and can adjust the axial position of the sample relative to the focal plane object of the microscope objective 12 and thus image the area of interest.
  • the sample holder, the motorized platform, the axial focusing device, the microscope objective 12 and the tube lens 13 are arranged in a microscope body 60 of known type.
  • the microscope body may furthermore comprise, in a conventional manner, an eyepiece, a source of illumination of the sample associated with a condenser.
  • the microscope body is of inverted type (microscope objective positioned under the sample) but it could equally well be a right microscope (microscope objective above the microscope). 'sample).
  • the imaging device 500 also comprises a separator element 20, for example a two-dimensional network close to the conjugate plane P ' DET for the formation of at least two coherent beams with a region of spatial superposition at the detector, for the implementing the method of determining the distance according to the present description.
  • a separator element 20 for example a two-dimensional network close to the conjugate plane P ' DET for the formation of at least two coherent beams with a region of spatial superposition at the detector, for the implementing the method of determining the distance according to the present description.
  • the network is for example a phase grating for suppressing the order 0 and whose pitch is chosen to form on the detector interference of period less than the lateral resolution of the microscope. It is arranged perpendicular to the optical axis so that the coherent replicas between them overlap and can interfere with each other.
  • FIGS. 6A to 6C show images obtained at different stages of application of the method according to the present description, in a super-resolution microscopy application implemented with a device of the type of that of FIG. 5.
  • Object O is a biological sample of CHO ("Chinese Hamster Ovary") cells fixed with paraformaldehyde.
  • the tubulin proteins of the cellular cytoskeleton were fluorescently labeled with specific antibodies.
  • the fluorescent probes are of the Alexa 647 type and the sample is observed by means of a CMOS type matrix detector 30 by the dSTORM technique, in which flashing is achieved through the use of the Vectashield mounting product (Vectro Labs) and the use of a 635 nm laser.
  • Figure 6A shows a fluorescence image at the start of acquisition of dSTORM; the density of the fluorescent molecules is still significant, resulting in a spatial continuum of fluorescence emission. However, it is already possible to view the interference.
  • Figure 6B shows a zoom on part of the image being acquired in which the density of emitters is lower; the response of a single fluorescent emitter (quantum dot) in which the modulation resulting from the interference of coherent replicas between them is distinguished. The periodicity of this modulation makes it possible to determine the axial positioning of the transmitter relative to the reference plane, as explained above.
  • the lateral positioning is obtained by determining the centroid of the image (or image point) by barycentre or ideally by adjusting the image by a Gaussian describing the PSF of the imaging system 10, after suppression of the filtering modulation (pass low frequency) of the thumbnail.
  • FIG. 6C shows the dSTORM 3D image reconstructed by 3D localization of each fluorescence emitter according to the present description (as in 6B) thanks to the stochastic flashing of the emitters, the gray scale representing the axial positioning of the emitters.
  • FIGS. 7A, 7B, 7C show experimental measurements of the light distribution measured using a type 500 assembly in the presence of single fluorescent emitters (of the nanocrystal semiconductor type, or quantum dot) situated either in a conjugated plane the detector (7B) is before (7C) or after (7A) while remaining in the depth of field (ie no variation of the dimension of the image). It is clear that ⁇ interfringe ⁇ change depending on the axial positioning of the transmitter (i) although one is in the depth of field and (ii) without the size of the image of the transmitter is widened by compared to classical imagery (circle of confusion).
  • FIGS. 8A and 8B represent experimental images of the same biological sample obtained by a standard epi-fluo (8 A) imaging and 3D STORM imaging technique with the technique proposed herein.
  • the gain in lateral resolution (8B) with respect to 8A is clearly observed and also the axial positioning allowing to follow the 3D spatial evolution of the cyto skeleton.
  • the distance measurement method according to the present description can also be applied to "passive" telemetry, that is to say without measurement of flight time, for the measurement. of distances of objects in a scene.
  • FIG. 9 thus represents a scene with several objects O 1 , O 2 , situated at different distances from a distance measuring device 600.
  • the objects are illuminated in natural light and retro diffuse the natural light so that each point of an object Oi forms a source point Pi.
  • the device 600 comprises, as previously, a detector 30 with a detection plane P DET , an imaging system 10 adapted to form a scene in an image plane located near the detection plane P DET , and a separator element 20.
  • a diffraction grating close to the detection plane P DET , and making it possible to form, from a beam emitted by the light point and emerging from the imaging system, at least two mutually coherent beams ("replicas") presenting a region of spatial superposition in which the beams interfere.
  • the imaging system 10 comprises for example a photo or video lens adapted to work at infinity
  • the reconstruction of the axial positioning of the source points can be done in a volume of a few times the depth of field ( ⁇ 10x) of the imaging system.
  • Axial resolutions are of the order of depth of field and up to 1/100 of the latter.
  • the absolute values of the axial resolution and the depth of field change. It may be interesting to adjust the aperture given a focal length so that the dynamic measurement of axial positioning of the various points of the object encompasses all the objects of interest in a given scene; that is, the objects of interest are included in the depth of field a few times.
  • the modification of the lateral offset ⁇ allows to adjust the axial positioning measurement dynamic with the technique described in order to obtain a reconstruction of all the objects of interest of the scene.
  • the measurement of the variation of the interfringe from one point to another makes it possible to go back to the 3D profile of the constituents of the scene.
  • optical telemetry method according to the invention and the device for implementing said method comprise different variants, modifications and improvements which will be obvious to those skilled in the art, it being understood that these various variants, modifications and improvements are within the scope of the invention as defined by the following claims.

Abstract

According to one aspect, the invention relates to a device (100, 200, 300, 400, 500) for measuring the distance, with respect to a reference plane (PREF), of a point of light (Pi) of an object (O). The device comprises a two-dimensional detector (30) comprising a detection plane (PDET) and an imaging system (10) capable of forming an image of a point of light (Pi) situated on an object plane of interest (11) in an image plane (11') arranged close to the detection plane (PDET) or to a conjugate plane (P'DET) of the detection plane. The device further comprises a separator element (20) able to form, from a beam emitted by a point of light of the object plane of interest (11) and emerging from the imaging system (10), at least two mutually coherent beams, having a region of special superposition in which the beams interfere, and signal processing means (50) able to determine, from the interference pattern formed in the detection plane and resulting from the optical interference between said mutually coherent beams, the distance from the point of light to the conjugate plane of the detection plane in the object space of the imaging system (10), said conjugate plane of the detection plane forming the reference plane (PREF).

Description

METHODE ET DISPOSITIF DE MICROSCOPE DIFFRACTIVE  DIFFRACTIVE MICROSCOPE METHOD AND DEVICE
ÉTAT DE L'ART STATE OF THE ART
Domaine technique de l'invention La présente invention concerne une méthode et un dispositif optique de télémétrie pour la détermination de la position tridimensionnelle d'un objet, et s'applique notamment à l'imagerie microscopique tridimensionnelle en biologie mais aussi à la télémétrie optique passive (sans mesure de temps de vol). TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method and an optical telemetry device for determining the three-dimensional position of an object, and is particularly applicable to three-dimensional microscopic imaging in biology but also to passive optical telemetry. (without measurement of flight time).
Etat de l'art Quelques années seulement après leur introduction, les techniques de microscopie dites de super résolution ont pris un essor considérable dans le domaine de l'étude des spécimens biologiques, notamment pour l'étude de la structure et de la dynamique spatiale des assemblages protéiques (complexes moléculaires de quelques nanomètres à une centaine de nanomètres) au sein de la cellule. A l'heure actuelle, il est possible de fonctionnaliser pratiquement n'importe quelle protéine dans un organisme en lui ajoutant un marqueur fluorescent, ce dernier pouvant être directement synthétisé par la cellule, ou constitué par un composé fluorescent ajouté au sein de l'échantillon. Il s'ensuit la formation d'émetteurs capables d'émettre un nombre de photons compris entre quelques centaines de milliers et quelques millions avant d'être photo détruits. Les techniques de super résolution, connues sous les acronymes de PALM pour « Photo -Activated Localisation Microscopy » ou (d)STORM pour « (direct) Stochastical Optical Reconstruction Microscopy » par exemple, combinent localisation nanométrique et contrôle du nombre d'émetteurs simultanément actifs, afin d'obtenir des images bidimensionnelles d'échantillons cellulaires avec une résolution de 10-50 nm, soit bien inférieure à la limite classique de la diffraction. State of the art Just a few years after their introduction, so-called super-resolution microscopy techniques have taken a considerable step forward in the field of the study of biological specimens, in particular for the study of the structure and the spatial dynamics of protein assemblies (molecular complexes of a few nanometers to a hundred nanometers) within the cell. At present, it is possible to functionalize virtually any protein in an organism by adding a fluorescent marker, the latter being directly synthesized by the cell, or consisting of a fluorescent compound added within the sample . It follows the formation of emitters capable of emitting a number of photons between a few hundred thousand and a few million before being destroyed. Super-resolution techniques, known as PALM for "Photo-Activated Localization Microscopy" or (d) STORM for "(direct) Stochastical Optical Reconstruction Microscopy" for example, combine nanometric localization and control of the number of simultaneously active transmitters. , in order to obtain two-dimensional images of cell samples with a resolution of 10-50 nm, well below the classical limit of diffraction.
Cependant, ces techniques sont aujourd'hui principalement mises en œuvre pour l'imagerie bidimensionnelle ; accéder à l'organisation 3D de structures cellulaires à l'échelle nanométrique continue de présenter de nombreuses difficultés. L'article de revue de B. Hajj et al. (« Accessing the third dimension in localization-based super-resolution microscopy », Phys. Chem. Chem. Phys. , 2014, 16, 16340 - 16348) présente une synthèse des techniques utilisées pour la microscopie de super résolution à trois dimensions et regroupe ces techniques en plusieurs catégories : les techniques basées sur le contrôle de la forme de la PSF (acronyme de l'expression anglo-saxonne « Point Spread Function » et représentant la réponse impulsionnelle du système d'imagerie), celles basées sur une approche dite « multi plans » et les techniques utilisant l'interférométrie. However, these techniques are today mainly used for two-dimensional imaging; accessing the 3D organization of cellular structures at the nanoscale continues to present many difficulties. The review article by B. Hajj et al. ("Accessing the third dimension in localization-based super-resolution microscopy", Phys Chem Chem Phys., 2014, 16, 16340-16348) presents a synthesis of the techniques used for three-dimensional super-resolution microscopy and regroups these techniques in several categories: the techniques based on the control of the form of PSF (the acronym of the English expression "Point Spread Function" and representing the impulse response of the imaging system), those based on a so-called "multi plans and techniques using interferometry.
Les techniques basées sur le contrôle de la forme de la réponse impulsionnelle (PSF) du système d'imagerie comprenant l'objectif de microscope visent à casser la symétrie axiale de la PSF de telle sorte qu'il y ait une relation bijective entre la section latérale de la PSF et la position axiale de l'émetteur par rapport au plan focal du système d'imagerie. Très récemment, il a été décrit (voir A Backer et al, « A bisected pupil for studying single- molécule orientational dynamics and its application to three-dimensional super-resolution microscopy », Applied Physics Letters 104, 193701 (2014)) un masque de phase particulier agencé dans un plan pupillaire de l'objectif de microscope, et permettant de diviser la section latérale de la PSF en deux lobes, la positon relative des deux lobes permettant de déterminer la position axiale de l'émetteur. Cependant, dans cette technique comme dans les autres techniques de ce type, il n'est pas possible d'étudier simultanément une densité importante de molécules car dès que la densité de particules augmente, on observe une superposition des lobes ou plus généralement des PSF élargies. De plus les aberrations optiques naturellement introduites par l'échantillon dans le cas d'une imagerie en profondeur tendent à supprimer la relation bijective entre la forme de la PSF et la position axiale, ce qui limite l'utilisation de ces techniques dans les premières couches de cellules.  The impulse response shape (PSF) control techniques of the imaging system including the microscope objective aim to break the axial symmetry of the PSF so that there is a one-to-one relationship between the section. of the PSF and the axial position of the transmitter relative to the focal plane of the imaging system. Very recently, it has been described (see A Backer et al, "A bisected pupil for studying single-molecule orientational dynamics and its application to three-dimensional super-resolution microscopy", Applied Physics Letters 104, 193701 (2014)) a mask of particular phase arranged in a pupillary plane of the microscope objective, and for dividing the lateral section of the PSF into two lobes, the relative position of the two lobes for determining the axial position of the transmitter. However, in this technique as in other techniques of this type, it is not possible to simultaneously study a high density of molecules because as soon as the particle density increases, there is a superposition of the lobes or more generally extended PSF . Moreover, optical aberrations naturally introduced by the sample in the case of deep imaging tend to eliminate the bijective relationship between the shape of the PSF and the axial position, which limits the use of these techniques in the first layers. of cells.
L'approche multi plans consiste à imager simultanément le signal d'un émetteur dans des plans axialement séparés. L'article de S. Abrahamsson et al. (« fast multicolor 3D imaging using aberration-corrected multifocus microscopy », Nature Methods, Vol. 10 No.l (2013)) décrit ainsi par exemple l'agencement d'un réseau particulier permettant de générer neuf images sur un détecteur unique correspondant à neuf ordres de diffraction. Cependant, une limitation des techniques multi plans est la division du « budget photons » de l'émetteur selon un nombre donné d'images, entraînant une perte de sensibilité et donc de précision.  The multi-plane approach consists of simultaneously imaging the signal of a transmitter in axially separated planes. The article by S. Abrahamsson et al. For example, "fast multicolor 3D imaging using aberration-corrected multifocus microscopy", Nature Methods, Vol.10 No. 1 (2013) describes the arrangement of a particular network for generating nine images on a single detector corresponding to nine orders of diffraction. However, a limitation of multi-plane techniques is the division of the "photon budget" of the transmitter according to a given number of images, resulting in a loss of sensitivity and therefore of accuracy.
La précision axiale en microscopie de super résolution peut être améliorée de façon significative en faisant interférer les ondes émises par un émetteur au foyer de deux objectifs de microscope (voir G. Shtengel et al. "Interferometric fluorescent super-resolution microscopy résolves 3D cellular ultrastructure" Proc. Natl Acad Sci U S A 106, 3125 (2009)). Cette dernière technique qui met en œuvre un système de mesure dit « 4pi », c'est-à-dire utilisant deux objectifs tête bêche afin de collecter la lumière dans quasiment 4pi stéradian, combiné à une triple détection interférométrique des photons émis, est celle qui offre aujourd'hui la meilleure précision de localisation axiale, mais au prix d'une complexité expérimentale considérable qui la relègue à une utilisation très minoritaire dans les laboratoires de biologie. Cette technique est par ailleurs sensible aux aberrations différentielles résultant de la traversée de l'échantillon vers l'avant ou vers l'arrière dans un montage 4pi, et ce pour tout type d'échantillon. Axial precision in super-resolution microscopy can be significantly improved by interfering the emitted waves from a transmitter at the focus of two microscope objectives (see G. Shtengel et al., "Interferometric fluorescent super-resolution microscopy resolves 3D cellular ultrastructure" Proc Natl Acad Sci USA 106, 3125 (2009)). This last technique which implements a measurement system called "4pi", that is to say using two objectives head to tail to collect the light in almost 4pi steradian, combined with a triple interferometric detection of photons emitted, is the one who offers today the best axial location accuracy, but at the cost of considerable experimental complexity that relegates to a very minor use in biology laboratories. This technique is also sensitive to differential aberrations resulting from the passage of the sample forwards or backwards in a 4pi assembly, for any type of sample.
La présente invention met en œuvre une technique interférométrique qui ne présente pas les inconvénients des techniques précédemment décrites ; notamment elle permet une imagerie plein champ adaptée à la détection de continuums d'émetteurs fluorescents mais ne nécessitant qu'un seul détecteur. Elle s'applique en microscopie de super résolution mais aussi en microscopie classique et trouve également des applications en télémétrie optique passive, c'est-à-dire pour la détermination de la distance d'un objet dans une scène sans analyse de temps de vol.  The present invention implements an interferometric technique which does not have the disadvantages of the previously described techniques; in particular, it allows a full-field imaging adapted to the detection of continuums of fluorescent emitters but requiring only one detector. It is applied in super resolution microscopy but also in conventional microscopy and also finds applications in passive optical telemetry, that is to say for determining the distance of an object in a scene without flight time analysis. .
RÉSUMÉ DE L'INVENTION SUMMARY OF THE INVENTION
Selon un premier aspect, l'invention concerne un dispositif de mesure de la distance, par rapport à un plan de référence, d'un point lumineux d'un objet, comprenant : According to a first aspect, the invention relates to a device for measuring the distance, with respect to a reference plane, from a light point of an object, comprising:
- un détecteur bidimensionnel comprenant un plan de détection ; a two-dimensional detector comprising a detection plane;
- un système d'imagerie adapté à former une image d'un point lumineux situé sur un plan objet d'intérêt dans un plan image situé à proximité du plan de détection ou d'un plan conjugué du plan de détection; an imaging system adapted to form an image of a luminous point situated on an object plane of interest in an image plane situated near the detection plane or a conjugate plane of the detection plane;
- un élément séparateur permettant de former à partir d'un faisceau émis par un point lumineux du plan objet d'intérêt et émergeant du système d'imagerie au moins deux faisceaux cohérents entre eux, présentant une région de superposition spatiale dans laquelle les faisceaux interfèrent; a separating element making it possible to form, from a beam emitted by a luminous point of the object plane of interest and emerging from the imaging system, at least two coherent beams between them, having a region of spatial superposition in which the beams interfere with each other; ;
- des moyens de traitement du signal permettant de déterminer à partir de la figure d'interférence formée sur le plan de détection et résultant des interférences optiques entre lesdits faisceaux cohérents entre eux, la distance du point lumineux à un plan conjugué du plan de détection dans l'espace objet du système d'imagerie (10), ledit plan conjugué du plan de détection formant le plan de référence. signal processing means making it possible to determine from the interference pattern formed on the detection plane and resulting from optical interferences between said beams coherent with each other, the distance from the light point to a conjugate plane of the detection plane in the object space of the imaging system (10), said conjugate plane of the detection plane forming the reference plane.
Au sens de la présente description, la notion de « point lumineux » d'un objet ou « point source » s'étend également de façon plus large à une zone élémentaire d'un objet dans laquelle tous les points d'émission sont cohérents entre eux spatialement et forment ensemble un point image unique sur le détecteur. Ainsi, dans le cas de l'application à la microscopie de super résolution, un point source pourra être un émetteur fluorescent ou « quantum dot » dont les dimensions spatiales sont inférieures à la tâche de diffraction du système d'imagerie. Dans d'autres applications macroscopiques au contraire, un point source pourra englober une zone plus étendue et spatialement cohérente d'un objet formant sur le plan de détection un « point image » dont les dimensions dont nettement supérieures à celles de la réponse impulsionnelle (ou PSF) du système d'imagerie. For the purpose of this description, the notion of "luminous point" of an object or "source point" also extends more broadly to a basic zone of an object in which all the emission points are coherent between them spatially and together form a single image point on the detector. Thus, in the case of super-resolution microscopy application, a source point may be a fluorescent emitter or "quantum dot" whose spatial dimensions are smaller than the diffraction task of the imaging system. In other macroscopic applications, on the other hand, a source point may include a larger and spatially coherent area of an object forming on the detection plane a "picture point" whose dimensions of which are much larger than those of the impulse response (or PSF) of the imaging system.
Le dispositif ainsi décrit permet notamment de reconstruire en 3D un objet sans besoin de mettre en œuvre de moyens d'illumination contrôlée de l'objet ; ainsi, le dispositif décrit permet par exemple de reconstruire en 3D un objet émettant sa propre lumière (cas d'un émetteur fluorescent en microscopie) ou un objet réémettant de la lumière sans pour autant que l'on ait un contrôle sur son illumination (scène de la vie de tous les jours). The device thus described makes it possible in particular to reconstruct an object in 3D without the need to use controlled illumination means of the object; thus, the device described makes it possible, for example, to reconstruct in 3D an object emitting its own light (in the case of a fluorescent emitter in microscopy) or an object re-emitting light without having any control over its illumination (scene of everyday life).
L'élément séparateur tel que défini dans le dispositif selon la présente description permet d'imprimer au sein du « point image », c'est-à-dire l'image d'un point lumineux de l'objet formée sur le plan de détection, une modulation dont la période dépend de la courbure relative de l'onde issue du point lumineux, permettant in fine d'aboutir à une cartographie d'élévation relative de l'objet. L'élément séparateur couplé au détecteur se comporte ainsi comme un senseur de courbure de l'onde issue des différents points lumineux de l'objet qui imprime une modulation au sein de chaque point image sans en dégrader la résolution. Avantageusement, l'élément séparateur permet d'imprimer une modulation au sein du point image dont la période est suffisamment petite pour former au moins deux franges au niveau du point image et obtenir une précision de mesure suffisante. The separating element as defined in the device according to the present description makes it possible to print within the "image point", that is to say the image of a luminous point of the object formed on the plane of detection, a modulation whose period depends on the relative curvature of the wave coming from the luminous point, finally allowing to achieve a relative elevation mapping of the object. The separator element coupled to the detector thus behaves as a curvature sensor of the wave coming from the different light points of the object which prints a modulation within each image point without degrading the resolution. Advantageously, the separator element makes it possible to print a modulation within the image point whose period is sufficiently small to form at least two fringes at the image point and to obtain a sufficient measurement precision.
Avantageusement, et notamment dans le cas des applications de microscopie de super résolution, la période des franges de la figure d'interférence formée sur le plan de détection (« interfrange ») est plus petite que le diamètre de la réponse impulsionnelle du système d'imagerie (ou PSF), qui est la plus petite image formée à partir d'un point lumineux sur le plan de détection. Advantageously, and particularly in the case of super-resolution microscopy applications, the period of the fringes of the interference pattern formed on the detection plane ("interfrange") is smaller than the diameter of the impulse response of the imaging system. imaging (or PSF), which is the smallest image formed from a bright spot on the detection plane.
Selon une variante, l'élément séparateur comprend un réseau de diffraction proche du plan d'imagerie, par exemple un réseau de diffraction bidimensionnel. Selon une variante, le réseau de diffraction est un réseau en transmission, respectivement en réflexion, qui ne transmet pas, respectivement ne réfléchit pas, l'ordre zéro. Selon une variante, le dispositif est appliqué à l'imagerie tridimensionnelle ; le système d'imagerie comprend alors un objectif de microscope. According to one variant, the separating element comprises a diffraction grating close to the imaging plane, for example a two-dimensional diffraction grating. According to one variant, the diffraction grating is a transmission network, respectively in reflection, which does not transmit, respectively does not reflect, the zero order. According to one variant, the device is applied to three-dimensional imaging; the imaging system then includes a microscope objective.
Selon une variante, le dispositif comprend en outre une optique relai permettant de former un plan conjugué du plan de détection dans l'espace image du système d'imagerie. Alternatively, the device further comprises a relay optics for forming a conjugate plane of the detection plane in the image space of the imaging system.
Selon un deuxième aspect, l'invention concerne une méthode pour la mesure de la distance, par rapport à un plan de référence, d'un point lumineux d'un objet d'intérêt, comprenant : According to a second aspect, the invention relates to a method for measuring the distance, with respect to a reference plane, of a light point of an object of interest, comprising:
- la formation d'une image du point lumineux dans un plan image proche du plan de détection d'un détecteur bidimensionnel ou d'un plan conjugué du plan de détection; - forming an image of the light spot in an image plane close to the detection plane of a two-dimensional detector or a conjugate plane of the detection plane;
- la formation, au moyen d'un élément séparateur, à partir d'un faisceau émis par le point lumineux et émergeant du système d'imagerie d'au moins deux faisceaux cohérents entre eux et présentant une région de superposition spatiale dans lesquels les faisceaux cohérents entre eux interfèrent; the formation, by means of a separating element, from a beam emitted by the light spot and emerging from the imaging system from at least two beams coherent with each other and having a region of spatial superposition in which the beams coherent between them interfere;
- la détermination, à partir de la figure d'interférence formée sur le plan de détection et résultant des interférences optiques entre lesdits faisceaux cohérents entre eux, de la distance du point lumineux à un plan conjugué du plan de détection dans l'espace objet du système d'imagerie, ledit plan conjugué du plan de détection formant le plan de référence. determining, from the interference pattern formed on the detection plane and resulting from the optical interferences between said coherent beams, the distance from the light point to a conjugate plane of the detection plane in the object space of the imaging system, said conjugate plane of the detection plane forming the reference plane.
Selon une variante, la distance du point lumineux au plan de référence est obtenue à partir de la mesure de la période des franges de la figure d'interférence. According to one variant, the distance from the luminous point to the reference plane is obtained from the measurement of the period of the fringes of the interference pattern.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes : Other advantages and characteristics of the invention will appear on reading the description, illustrated by the following figures:
Figures 1A et 1B, des schémas illustrant deux exemples de dispositif de télémétrie selon la présente description ; FIGS. 1A and 1B, diagrams illustrating two examples of telemetry device according to the present description;
Figures 2A à 2D, des schémas illustrant le principe de la méthode mise en œuvre selon un exemple ; Figure 3, des courbes montrant selon deux exemples particuliers la valeur de l'interfrange (pseudo-période de la modulation) en fonction de la position axiale du point source par rapport au plan de référence ; Figures 2A to 2D, diagrams illustrating the principle of the method implemented according to an example; 3, curves showing according to two particular examples the value of the interfrange (pseudo-period of modulation) as a function of the axial position of the source point relative to the reference plane;
Figures 4A et 4B, des schémas illustrant des dispositifs de télémétrie selon deux autres exemples; Figures 4A and 4B, diagrams illustrating telemetry devices according to two other examples;
Figure 5, un schéma illustrant un exemple de dispositif selon la présente description, appliqué à l'imagerie microscopique tridimensionnelle ; Figure 5 is a diagram illustrating an exemplary device according to the present description, applied to three-dimensional microscopic imaging;
Figures 6A à 6C, des images illustrant différentes étapes de la méthode de télémétrie dans une application de microscopie de super résolution mise en œuvre avec un montage du type de celui de la figure 5 et avec un échantillon biologique comprenant des cellules CHO (« Chinese Hamster Ovary ») et un marquage des protéines de tubuline du cytosquelette de ces cellules ; FIGS. 6A to 6C, images illustrating various steps of the telemetry method in a super-resolution microscopy application implemented with a montage of the type of FIG. 5 and with a biological sample comprising CHO cells ("Chinese Hamster Ovary ") and a labeling of tubulin proteins of the cytoskeleton of these cells;
Figures 7A à 7C, des images montrant l'allure de la figure d'interférence obtenue pour un émetteur fluorescent unique {quantum dot), à différentes positions axiales, dans une configuration similaire (montage et échantillon) à celle mise en œuvre pour l'obtention des images 6A à 6C; 7A to 7C, images showing the appearance of the interference pattern obtained for a single fluorescent emitter (quantum dot), at different axial positions, in a similar configuration (mounting and sample) to that implemented for the obtaining images 6A to 6C;
Figures 8A, 8B, respectivement une image de fluorescence standard et une image de l'échantillon biologique obtenue dans une configuration similaire (montage et échantillon) à celle mise en œuvre pour l'obtention des images 6A à 6C; - Figure 9, un schéma d'un dispositif selon la présente description, appliqué à la télémétrie optique passive dans une scène. 8A, 8B, respectively a standard fluorescence image and an image of the biological sample obtained in a similar configuration (assembly and sample) to that used to obtain the images 6A to 6C; - Figure 9, a diagram of a device according to the present description, applied to passive optical telemetry in a scene.
Par soucis de cohérence, les éléments identiques sont repérés par les mêmes références dans les différentes figures. For the sake of consistency, the identical elements are identified by the same references in the various figures.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DETAILED DESCRIPTION
Les figures 1A et 1B illustrent deux exemples de dispositif de télémétrie selon la présente description, adaptés pour la mesure de la distance, par rapport à un plan de référence donné, d'un point lumineux Pi (ou « point source ») d'un objet d'intérêt O dans une scène. Le dispositif de télémétrie 100 schématisé sur la figure 1A comprend généralement un détecteur bidimensionnel 30 avec un plan de détection PDET relié à des moyens de traitement du signal 50, et un système d'imagerie 10 adapté pour former une image d'un point lumineux Pi d'un plan objet d'intérêt 11, dans un plan image 11 ' situé à proximité du plan de détection 31 du détecteur. Dans le dispositif de télémétrie 200 schématisé sur la figure 1B, le plan image 11 ' est à proximité d'un plan P'DET conjugué du plan de détection PDET, le dispositif comprenant en outre une optique relai 40 permettant de former dans l'espace image du système d'imagerie 10 un plan conjugué du plan de détection. FIGS. 1A and 1B illustrate two examples of telemetry device according to the present description, adapted for measuring the distance, with respect to a given reference plane, from a luminous point Pi (or "source point") of a object of interest O in a scene. The telemetry device 100 shown diagrammatically in FIG. 1A generally comprises a two-dimensional detector 30 with a detection plane P DET connected to signal processing means 50, and an imaging system 10 adapted to form an image of a light point. Pi of an object plane of interest 11, in an image plane 11 'located near the detection plane 31 of the detector. In the telemetry device 200 shown diagrammatically in FIG. 1B, the image plane 11 'is in the vicinity of a plane P' DET conjugated to the detection plane P DET , the device further comprising a relay optic 40 making it possible to form in the image space of the imaging system 10 a conjugate plane of the detection plane.
La proximité du plan image avec le plan de détection (ou le conjugué du plan de détection) dépend de la précision recherchée pour la mesure de distance.  The proximity of the image plane to the detection plane (or the conjugate of the detection plane) depends on the precision sought for the distance measurement.
En effet, pour une position donnée du plan de détection PDET (OU du plan conjugué P'DET du plan de détection par l'optique relai 40), on peut définir dans l'espace objet du système d'imagerie 10 une zone de mesure définie de part et d'autre d'un plan objet PREF dit « plan de référence » et correspondant au plan conjugué du plan de détection dans l'espace objet du système d'imagerie. La zone de mesure correspond à la zone dans laquelle la précision de mesure de la distance d'un point lumineux par rapport au plan de référence est satisfaisante en fonction de l'application envisagée. Indeed, for a given position of the detection plane P DET (OR of the conjugate plane P ' DET of the detection plane by the relay optics 40), it is possible to define in the object space of the imaging system 10 an area of defined measure on both sides of an object plane P REF said "reference plane" and corresponding to the conjugate plane of the detection plane in the object space of the imaging system. The measurement zone corresponds to the zone in which the accuracy of measuring the distance of a light point relative to the reference plane is satisfactory depending on the intended application.
Ainsi par exemple, dans les applications en microscopie tridimensionnelle, lorsqu'on recherche une précision de localisation d'un émetteur par rapport au plan de référence bien en-dessous de la profondeur de champ objet du système d'imagerie, la zone de mesure pourra présenter une longueur totale Lm inférieure à quatre fois la profondeur de champ objet dz du système d'imagerie et avantageusement inférieure à deux fois la profondeur de champ objet dz du système d'imagerie pour s'assurer d'une bonne précision de mesure. For example, in applications in three-dimensional microscopy, when seeking a location accuracy of an emitter relative to the reference plane well below the object field depth of the imaging system, the measurement zone can be have a total length L m less than four times the object depth dz of the imaging system and advantageously less than twice the depth of field dz object of the imaging system to ensure a good measurement accuracy.
Pour un système d'imagerie 10 d'ouverture numérique NA, on peut déterminer la profondeur de champ objet dz par  For a digital aperture imaging system NA, the object depth of field dz can be determined by
dz =—2 (1) dz = - 2 (1)
NA2 ' NA 2 '
Avec λ la longueur d'onde moyenne de la lumière collectée et n l'indice d'immersion du système d'imagerie, c'est-à-dire l'indice du milieu situé juste avant le premier dioptre (dans le sens de propagation de la lumière) du système d'imagerie 10 ; typiquement n=l pour un système d'imagerie immergé dans l'air, par exemple pour des applications de télémétrie passive et n¾1.5 pour un système d'imagerie immergé dans une huile à immersion, par exemple pour des applications en microscopie de super-résolution.  With λ the average wavelength of the light collected and n the immersion index of the imaging system, that is to say the index of the medium located just before the first diopter (in the direction of propagation light) of the imaging system 10; typically n = 1 for an imaging system immersed in the air, for example for passive telemetry applications and n¾1.5 for an imaging system immersed in an immersion oil, for example for applications in microscopy of super -resolution.
En conséquence, dans le cas par exemple des applications en microscopie tridimensionnelle, le plan de détection (ou le conjugué du plan de détection) et le plan image 11 ' conjugué du plan objet d'intérêt 11 par le système d'imagerie 10 pourront se trouver éloignés l'un de l'autre d'une distance inférieure à deux fois la profondeur de champ image du système d'imagerie, et avantageusement d'une distance inférieure à une fois la profondeur de champ image du système d'imagerie, afin de bénéficier d'une bonne précision dans la mesure de la distance du point lumineux. Consequently, in the case for example applications in three-dimensional microscopy, the detection plane (or the conjugate of the detection plane) and the image plane 11 'conjugate of the object plane of interest 11 by the imaging system 10 may be separated from each other by a distance less than twice the image field of view of the imaging system, and preferably by a distance less than once the image field depth of the imaging system, in order to benefit from a good accuracy in the measurement of the distance of the luminous point.
Dans d'autres applications au contraire, comme par exemple dans les applications de télémétrie passive, la distance entre le plan de détection (ou le conjugué du plan de détection) et le plan image 11 ' conjugué du plan objet d'intérêt 11 par le système d'imagerie 10 peut être allongée à dix fois, voire vingt fois la profondeur de champ image, au détriment de la précision de localisation qui devient dès lors de l'ordre de la profondeur de champ ; ce mode de fonctionnement est principalement intéressant pour la mesure de télémétrie passive, où chercher à savoir où se situe l'objet axialement sans super-résolution est suffisant.  In other applications on the contrary, as for example in passive telemetry applications, the distance between the detection plane (or the conjugate of the detection plane) and the image plane 11 'conjugate of the object plane of interest 11 by the imaging system 10 can be lengthened to ten times or even twenty times the image depth of field, to the detriment of the localization accuracy which then becomes of the order of depth of field; this mode of operation is mainly interesting for passive telemetry measurement, where to find out where the object is located axially without super-resolution is sufficient.
Ainsi dans l'exemple des figures 1 A et 1B, on pourra mesurer non seulement la distance d'un point lumineux Pi situé sur dans un plan objet d'intérêt 11 sensiblement confondu avec le plan de référence PREF niais aussi la distance de points lumineux P2 et P3 situés de part et d'autre de ce plan de référence, à condition qu'ils se trouvent dans la zone de mesure de longueur Lm définie en fonction de la précision recherchée. Thus, in the example of FIGS. 1A and 1B, it will be possible to measure not only the distance of a luminous point Pi situated in an object plane of interest 11 substantially coincident with the reference plane P REF, but also the distance of points luminous P 2 and P 3 located on either side of this reference plane, provided that they are in the measuring zone of length L m defined according to the desired accuracy.
Pour la détermination de la distance d'un point lumineux Pi au plan de référence PREF, le dispositif de télémétrie comprend un élément séparateur 20 permettant de former à partir d'un faisceau B' émis par le point lumineux Pi et émergent du système d'imagerie 10, au moins deux faisceaux cohérents entre eux (non représentés sur les figures 1A et 1B) et présentant une région de superposition spatiale dans laquelle lesdits faisceaux cohérents entre eux interfèrent. For the determination of the distance from a luminous point Pi to the reference plane P REF , the telemetry device comprises a separator element 20 making it possible to form from a beam B 'emitted by the luminous point Pi and emerging from the luminaire system. 10, at least two beams coherent with one another (not shown in FIGS. 1A and 1B) and having a region of spatial superposition in which said coherent beams interfere with one another.
L'élément séparateur 20 sera décrit plus en détails par la suite et peut comprendre par exemple un réseau, avantageusement un réseau bidimensionnel, situé proche du plan de détection PDET (exemple de la figure 1 A) ou du plan P 'DET conjugué du plan de détection PDET (exemple de la figure 1B). L'élément séparateur 20 peut comprendre également une lame séparatrice ou un cube séparateur, comme cela sera illustré au travers d'exemples dans la suite de la description. The separator element 20 will be described in more detail below and may comprise for example a network, advantageously a two-dimensional array, located near the detection plane P DET (example of FIG. 1A) or the plane P ' DET conjugate of P DET detection plane (example of Figure 1B). The separator element 20 may also comprise a separator blade or a separator cube, as will be illustrated by way of examples in the following description.
L'élément séparateur est agencé de telle sorte que le plan de détection ou le plan conjugué du plan de détection se trouve dans la zone de superposition spatiale des faisceaux cohérents entre eux et issus de l'élément séparateur. Ainsi, sur le plan de détection du détecteur, se forme pour chaque point source Pi une image qui est la convolution de la réponse impulsionnelle du système d'imagerie (PSF) avec une figure d'interférence résultant de l'interférence des faisceaux issus de l'élément séparateur. The separating element is arranged in such a way that the detection plane or the conjugate plane of the detection plane is in the spatial superposition zone of the beams which are coherent with one another and come from the separating element. Thus, on the detection plane of the detector, is formed for each source point Pi an image which is the convolution of the response impulse of the imaging system (PSF) with an interference pattern resulting from the interference of beams from the separator element.
Par le choix des paramètres de l'élément séparateur (par exemple le pas du réseau dans le cas d'un élément séparateur de type réseau de diffraction, ou l'indice optique et l'épaisseur de la lame séparatrice dans le cas d'un élément séparateur de type lame séparatrice), il est possible de fixer l'interfrange de la figure d'interférences et d'imprimer au sein de l'image une modulation dont la période est avantageusement plus petite que le diamètre φ de la réponse impulsionnelle du système d'imagerie, donné par :  By the choice of the parameters of the separator element (for example the pitch of the grating in the case of a diffraction grating type separator element, or the optical index and the thickness of the separating plate in the case of a separator element. splitter separator element), it is possible to fix the interfrange of the interference pattern and to print within the image a modulation whose period is advantageously smaller than the diameter φ of the impulse response of the imaging system, given by:
φ ^ = 2τ = 0,61— NA (2) '  φ = 2τ = 0.61-NA (2)
où r est le rayon de la PSF, NA est l'ouverture numérique du système d'imagerie et gy son grandissement. Comme cela sera détaillé par la suite, la période de la modulation (autrement dit l'interfrange de la figure d'interférences) dépend de la position relative du point source par rapport au plan de référence PREF qui est le plan conjugué du plan de détection PDET dans l'espace objet du système d'imagerie 10. L'élément séparateur ainsi décrit associé au détecteur, se comporte donc comme un senseur de la courbure relative de l'onde émise par chaque point source de l'objet, ce qui permet de déterminer in fine une cartographie d'élévation relative de l'objet. where r is the radius of the PSF, NA is the numerical aperture of the imaging system and its magnification. As will be detailed later, the period of the modulation (in other words the interfrange of the interference pattern) depends on the relative position of the source point with respect to the reference plane P REF which is the conjugate plane of the plane of detection P DET in the object space of the imaging system 10. The separator element thus described associated with the detector, therefore behaves as a sensor of the relative curvature of the wave emitted by each source point of the object, this which makes it possible to ultimately determine a relative elevation map of the object.
Les figures 2A à 2D illustrent plus en détails le principe de la méthode mise en œuvre selon un exemple particulier dans lequel l'élément séparateur comprend un réseau 21.  FIGS. 2A to 2D illustrate in greater detail the principle of the method implemented according to a particular example in which the separator element comprises a network 21.
Le réseau 21 est avantageusement un réseau de diffraction bidimensionnel. Deux mesures de positionnement axial (e.g. mesures de distance par rapport au plan de référence) indépendantes (une suivant chacun des axes du réseau) peuvent ainsi être obtenues pour un point source unique, ce qui augmente la précision de localisation axiale tout en rendant possible des mesures sur des images présentant une distribution quelconque de sources (continuum de fluorophores, scène de la vie de tous les jours...).  The network 21 is advantageously a two-dimensional diffraction grating. Two independent axial positioning measurements (eg distance measurements relative to the reference plane) (one along each of the axes of the network) can thus be obtained for a single source point, which increases the axial location accuracy while making possible measurements on images presenting any distribution of sources (continuum of fluorophores, scene of the everyday life ...).
Le réseau 21 est selon une variante un réseau en transmission adapté pour transmettre l'intégralité de l'énergie lumineuse incidente, i.e. un réseau de phase, lorsque le montage est en transmission, ou peut être selon une variante un réseau en réflexion adapté pour réfléchir l'intégralité de l'énergie lumineuse incidente lorsque le montage est en réflexion. L'une ou l'autre de ces variantes permet de maximiser le rapport signal à bruit de la localisation 3D.  The network 21 is, in a variant, a transmission network adapted to transmit all of the incident light energy, ie a phase grating, when the arrangement is in transmission, or may alternatively be a reflection grating adapted to reflect the entirety of the light energy incident when the assembly is in reflection. One or the other of these variants makes it possible to maximize the signal-to-noise ratio of the 3D localization.
Avantageusement, on choisira un réseau en transmission ou en réflexion qui ne transmet pas, respectivement ne réfléchit pas, l'ordre 0. Ceci permet de rendre les interférences formées par les ordres diffractés indépendantes de la longueur d'onde lumineuse. Supprimer l'ordre zéro peut être obtenu par exemple en ajustant à π [2π] la modulation du déphasage introduit sur une période, par exemple par gravure du substrat du réseau ou modification locale de l'indice du substrat. Une autre possibilité pour supprimer l'ordre 0 consiste à supprimer l'ordre 0 dans l'espace de Fourier du réseau, mais dans ce cas, on introduit une perte de photons et donc une perte de rapport signal à bruit. Advantageously, a transmission or reflection grating will be chosen which does not transmit, respectively does not reflect, the order 0. This makes it possible to make the interferences formed by the diffracted orders independent of the luminous wavelength. To eliminate the zero order can be obtained for example by adjusting to π [2π] the modulation of the phase shift introduced over a period, for example by etching the network substrate or local modification of the substrate index. Another possibility to suppress the order 0 is to remove the order 0 in the Fourier space of the network, but in this case, there is introduced a loss of photons and therefore a loss of signal to noise ratio.
Le pas p du réseau est avantageusement choisi afin de former plus d'une frange par The pitch p of the grating is advantageously chosen so as to form more than one fringe per
« point image » d'un point source de l'objet, le point image étant confondu avec la réponse impulsionnelle du système d'imagerie, ou PSF, dans les applications de microscopie de super résolution par exemple. Typiquement on pourra choisir le pas du réseau compris entre le tiers du rayon du point image et trois fois le rayon du point image, afin d'avoir un échantillonnage latéral suffisant des franges et limiter le sur-échantillonnage. Typiquement, on pourra choisir un pas p de l'ordre du diamètre du point image, pour avoir 2 franges par point image ; et dans le cas de l'application de microscopie de super résolution, un pas p compris entre r/3 et 3r, avantageusement de l'ordre de 2r, où r est le rayon de la PSF donné par l'équation (2) ci- dessus. "Image point" of a source point of the object, the image point being confused with the impulse response of the imaging system, or PSF, in super resolution microscopy applications for example. Typically it will be possible to choose the pitch of the grating comprised between one third of the radius of the image point and three times the radius of the image point, in order to have sufficient lateral sampling of the fringes and to limit oversampling. Typically, it will be possible to choose a pitch p of the order of the diameter of the image point, to have 2 fringes per image point; and in the case of the application of super resolution microscopy, a pitch p between r / 3 and 3r, advantageously of the order of 2r, where r is the radius of the PSF given by equation (2) ci - above.
Les figures 2A à 2D illustrent, à titre d'exemple et de façon schématique, la propagation des ondes dans le cas d'un dispositif de mesure comprenant un réseau de diffraction 21 et l'intensité lumineuse mesurée selon une direction latérale dans le plan de détection dans le cas de deux points sources positionnés à deux positions axiales différentes.  FIGS. 2A to 2D illustrate, by way of example and schematically, the wave propagation in the case of a measuring device comprising a diffraction grating 21 and the light intensity measured in a lateral direction in the plane of detection in the case of two source points positioned at two different axial positions.
Pour faciliter la démonstration théorique, on suppose dans cet exemple un réseau unidimensionnel de pas p et l'on suppose que le réseau ne diffracte que les ordres +1 et -1. Un tel réseau de diffraction est par exemple un réseau d'amplitude complexe tel que décrit par exemple dans J. Primot et al. (« Extended Hartmann test based on the pseudoguiding property of a Hartmann mask completed by a phase chessboard », Applied Optics, Vol. 39, Issue 31, pp. 5715-5720 (2000)). En pratique cependant, on pourra préférer un réseau qui diffracte tous les ordres sauf l'ordre zéro, un tel réseau étant plus simple à fabriquer (réseau de phase avec un motif en échiquier « phase chessboard » par exemple, tel que décrit dans l'article cité de Primot et al.) et permettant de ne pas perdre de photons.  To facilitate the theoretical demonstration, we assume in this example a one-dimensional network of pitch p and it is assumed that the network diffracts only the orders +1 and -1. Such a diffraction grating is, for example, a complex amplitude grating as described, for example, in J. Primot et al. ("Extended Hartmann test based on the pseudoguiding property of a Hartmann mask completed by a phase chessboard", Applied Optics, Vol 39, Issue 31, pp. 5715-5720 (2000)). In practice, however, we may prefer a network that diffracts all orders except the zero order, such a network being simpler to manufacture (phase network with a checkerboard pattern "chessboard phase" for example, as described in the quoted article by Primot et al.) and not to lose photons.
Comme cela apparaît sur les figures 2B et 2D, on observe une variation de Γ interfrange Λ en fonction de la distance du point source par rapport au plan de référence (i.e. le plan conjugué du plan de détection dans l'espace objet du système d'imagerie). La relation entre l'interfrange (période de la modulation) et la distance du point source considéré au plan de référence peut être déterminée de façon théorique à partir des paramètres du réseau de diffraction choisi, comme cela est exposé ci-dessous selon un exemple. Dans l'exemple montré sur les figures 2 A et 2C, le réseau 21 est situé à une distance d du plan de détection PDET- Dans cet exemple, le réseau permet de former deux faisceaux diffractés cohérents entre eux notés ΒΊ et B'2 et correspondant respectivement aux ordres +1 et -1. Le réseau 21 diffracte la lumière selon l'ordre +1 avec un angle a par rapport à la propagation de la lumière directe (i.e. ordre 0 du réseau, indiqué en pointillés simples sur les figures). On note ε sur les figures 2A et 2C le décalage latéral entre le point d'impact sur le plan de détection de l'ordre diffracté 1 et le point d'impact (théorique) de l'ordre 0. Le décalage latéral correspond au-demi décalage latéral entre les points d'impact les deux « répliques » formées par les deux faisceaux cohérents entre eux ΒΊ et B'2. As can be seen in FIGS. 2B and 2D, there is a variation of Γ interfringe Λ as a function of the distance of the source point with respect to the reference plane (ie the conjugate plane of the detection plane in the object space of the system of imaging). The relationship between the interfrange (period of the modulation) and the distance from the source point considered to the reference plane can be determined theoretically from the parameters of the diffraction grating chosen, as is explained below according to an example. In the example shown in FIGS. 2A and 2C, the grating 21 is located at a distance d from the detection plane P DET - In this example, the grating makes it possible to form two diffracted beams coherent with each other, denoted ΒΊ and B ' 2 and corresponding respectively to the orders +1 and -1. The grating 21 diffracts the light according to the order +1 with an angle α with respect to the propagation of the direct light (ie order 0 of the grating, indicated in simple dotted lines in the figures). The lateral shift between the point of impact on the detection plane of the diffracted order 1 and the point of impact (theoretical) of the order 0 is noted in FIGS. 2A and 2C. The lateral offset corresponds to half lateral shift between the points of impact the two "replicas" formed by the two coherent beams entre between each other and B ' 2 .
Les vecteurs d'onde des ordres diffractés +1 et -1 correspondant aux faisceaux ΒΊ et B'2 respectivement sont notés : The wave vectors of the + and -1 diffracted orders corresponding to the bundles ΒΊ and B ' 2 respectively are noted:
avec sin(a) = - où À est la longueur d'onde.  with sin (a) = - where A is the wavelength.
On note E le champ électromagnétique scalaire provenant de l'image du point source dans le plan de détection du détecteur : E is the scalar electromagnetic field from the image of the source point in the detection plane of the detector:
■ 27Γ , .  ■ 27Γ,.
E{x) = A{x)e Ts{x) E {x) = A (x) e T s (x)
avec A(x) l'amplitude du champ et S(x) la surface d'onde sphérique liée à la courbure du front d'onde issu du point source que l'on peut approximer par S(x) =— , avec z la distance de l'image du point source au plan de détection. L' interféra gramme /(x) formé par les ordres +1 et -1 sur le plan de détection situé à une distance d du réseau peut être décrit par :  where A (x) is the amplitude of the field and S (x) is the spherical wave area associated with the curvature of the wavefront from the source point that can be approximated by S (x) = -, with z the distance of the image from the source point to the detection plane. The interferogram / (x) formed by the orders +1 and -1 on the detection plane located at a distance d from the network can be described by:
/(x) = i0 (x) [l + cos ^ - [S(x— ε)— S(x + ε) + 2x sin(a)] j (3) / (x) = i 0 (x) [1 + cos ^ - [S (x-ε) -S (x + ε) + 2x sin (a)] (3)
Avec iQ (X) « A2 (x) With i Q (X) "A 2 (x)
ε = d tan(a)~ d -ε = d tan (a) ~ d -
Par un développement de Taylor à l'ordre 1 de l'équation (3) on déduit: By Taylor's development to order 1 of equation (3) we deduce:
= Î0(X) [l + cos ^- [x— On en conclut donc que le signal d'intensité mesuré présente une porteuse ί0 ( ) 0a PSF du système d'imagerie), modulée par un signal de période Λ = p/(2 [l — ^j) dépendant donc uniquement de la distance z entre l'image du point source et le détecteur (distance recherchée rapportée dans l'espace image du système d'imagerie) et de la distance d entre le réseau et le plan de détection (fixe et connue). = Î 0 (X) [l + cos ^ - [x- It is therefore concluded that the measured intensity signal has a carrier ί 0 () 0 a PSF of the imaging system), modulated by a signal of period Λ = p / (2 [l - ^ j) therefore dependent only on the distance z between the image of the source point and the detector (desired distance reported in the image space of the imaging system) and the distance d between the network and the detection plane (fixed and known).
Dans le cas illustré ci-dessus, comme cela apparaît sur l'équation (5), le choix d'un réseau dans lequel l'ordre zéro est supprimé permet notamment de supprimer la dépendance du signal d'intensité avec la longueur d'onde et de s'affranchir ainsi d'effets de chromatisme.  In the case illustrated above, as appears in equation (5), the choice of a network in which the zero order is suppressed makes it possible in particular to eliminate the dependence of the intensity signal with the wavelength. and to overcome the effects of chromaticism.
L'approximation utilisée pour déterminer l'équation (5) ci-dessus tant à donner un pas de Λ→ ±∞ lorsque z→ d. Dans un cas réel, on peut considérer l'approche d'un faisceau gaussien ; dans ce cas S→ 0 (et donc Λ→ p/2) lorsque z→ d.  The approximation used to determine equation (5) above both to give a step of Λ → ± ∞ when z → d. In a real case, we can consider the approach of a Gaussian beam; in this case S → 0 (and therefore Λ → p / 2) when z → d.
La figure 3 illustre l'évolution de Λ en fonction de z avec l'approche gaussienne dans le cas de deux valeurs de décalage latéral ε, respectivement ει = ΙΟμιη (courbe en trait plein) et ε2 = 4 μιη (courbe en trait pointillé) avec un réseau de diffraction du type de celui décrit au moyen des figures 2A à 2D présentant un pas = 20 μτη . Les valeurs ει = ΙΟμιη et ε2 = 4 μιη correspondent respectivement à des valeurs de la distance d entre le réseau et le plan de détection d = 200 μπι et d2 = 80 μπι. Sur cette courbe, l'interfrange Λ mesuré est normalisé par la demi-période du réseau et la distance z normalisée en fonction de la profondeur de champ. FIG. 3 illustrates the evolution of Λ as a function of z with the Gaussian approach in the case of two lateral offset values ε, respectively ει = ΙΟμιη (solid line curve) and ε 2 = 4 μιη (dotted line curve) ) with a diffraction grating of the type of that described by means of FIGS. 2A to 2D having a pitch = 20 μτη. The values ει = ΙΟμιη and ε 2 = 4 μιη respectively correspond to values of the distance d between the grating and the detection plane d = 200 μπι and d 2 = 80 μπι. On this curve, the interfrange Λ measured is normalized by the half-period of the network and the normalized distance z as a function of the depth of field.
Ces deux courbes montrent tout d'abord qu'il est possible à partir de la valeur de l'interfrange de déterminer la distance z entre l'image d'un point source et le détecteur et donc d'en déduire dans l'espace objet du système d'imagerie, la distance entre un point source de l'objet et le plan de référence. Les courbes de la figure 3 illustrent d'autre part l'allure de la courbe en fonction de la valeur du demi-décalage latéral ε entre les répliques, le demi- décalage latéral étant proportionnel à la distance d entre le réseau et le plan de détection. Les courbes montrent qu'en jouant sur ε on peut agrandir la zone suivant l'axe optique où la mesure est possible mais on perd en précision de localisation.  These two curves show first of all that it is possible from the value of the interfrange to determine the distance z between the image of a source point and the detector and thus to deduce it in the object space. of the imaging system, the distance between a source point of the object and the reference plane. The curves of FIG. 3 further illustrate the shape of the curve as a function of the value of the lateral half-shift ε between the replicas, the lateral half-offset being proportional to the distance d between the grating and the plane of detection. The curves show that by playing on ε one can enlarge the zone along the optical axis where the measurement is possible but one loses in precision of localization.
Dans tous les cas, le réseau sera avantageusement placé à une distance suffisamment proche du plan de détection de façon à ce que le décalage latéral introduit entre les répliques soit inférieur au diamètre du point image, par exemple le diamètre de la PSF (φ, équation (2)) dans le cas de l'application à la microscopie de super résolution. Autrement dit, on cherchera à avoir : ε≤φ In all cases, the network will advantageously be placed at a distance sufficiently close to the detection plane so that the lateral shift introduced between the replicas is less than the diameter of the image point, for example the diameter of the PSF (φ, equation (2)) in the case of super resolution microscopy application. In other words, we will seek to have: ε≤φ
soit d≤0.61 - gy - -^ (6) let d≤0.61 - g y - - ^ (6)
L'inéquation (6) se traduit en fonction du choix de l'objectif de microscope à un rapport dlp typiquement inférieur à une valeur comprise entre 10 et 50 en fonction du choix de l'objectif de microscope ; ainsi pour de spas de réseaux typiquement compris entre 10 et 30 μιη, la distance d sera choisie inférieure à une valeur pouvant varier entre une dizaine de microns et 1 mm selon le choix de l'objectif de microscope. Inequency (6) is expressed as a function of the choice of the microscope objective at a ratio dlp typically less than a value between 10 and 50 depending on the choice of the microscope objective; thus for spas networks typically between 10 and 30 μιη, the distance d will be chosen less than a value that may vary between ten microns and 1 mm depending on the choice of the microscope objective.
Bien que décrit dans le cas d'un réseau unidimensionnel présentant deux ordres de diffraction, le principe illustré au moyen des figures 2A à 2D s'étend à d'autres exemples de réseaux de diffraction, et notamment un réseau bidimensionnel permettant deux mesures axiales indépendantes (une suivant chaque axe du réseau) pour chaque point source.  Although described in the case of a one-dimensional network having two diffraction orders, the principle illustrated by means of FIGS. 2A to 2D extends to other examples of diffraction gratings, and in particular a two-dimensional grating allowing two independent axial measurements. (one following each axis of the network) for each source point.
Comme illustré au moyen des figures 2 A à 2D et 3, le positionnement axial des points sources formant un objet peut ainsi être obtenu en mesurant la période ou la fréquence locale de F interféra gramme formée sur le plan de détection.  As illustrated by FIGS. 2A-2D and 3, the axial positioning of the object-forming source points can thus be obtained by measuring the period or local frequency of the interfering frequency formed on the detection plane.
Avantageusement, le positionnement de chaque point source est déterminé en comparant la valeur mesurée de la période/fréquence locale de Γ interféra gramme formée sur le plan de détection à une courbe d'étalonnage de la période/fréquence en fonction du positionnement axial du point source. La courbe d'étalonnage peut être obtenue soit de façon théorique (comme la courbe montrée sur la figure 3 par exemple) soit de façon expérimentale par des mesures de fréquences obtenues sur des images de points sources dont le positionnement axial est connu.  Advantageously, the positioning of each source point is determined by comparing the measured value of the period / local frequency of the interfering gram formed on the detection plane with a calibration curve of the period / frequency as a function of the axial positioning of the source point. . The calibration curve can be obtained either theoretically (like the curve shown in FIG. 3 for example) or experimentally by frequency measurements obtained on images of source points whose axial positioning is known.
En pratique, la mesure de la période/fréquence locale de Γ interféra gramme formée sur le détecteur peut être obtenue de plusieurs manières.  In practice, the measurement of the local period / frequency of interference generated on the detector can be obtained in several ways.
La mesure peut se faire dans l'espace directe (i.e. directement sur l'image) par ajustement automatique (fitting) local de l'image par une fonction décrivant l'interférogramme (voir l'équation (1) ci-dessus par exemple). Ceci permet de remonter à la période locale de l'interférogramme.  The measurement can be done in the direct space (ie directly on the image) by local adjustment (fitting) of the image by a function describing the interferogram (see equation (1) above for example) . This allows to go back to the local period of the interferogram.
La mesure peut également se faire par transformée de Fourier locale pour trouver le pic principal dans l'espace de Fourier, c'est-à-dire la fréquence locale dans la zone d'image considérée.  The measurement can also be done by local Fourier transform to find the main peak in the Fourier space, that is to say the local frequency in the image area considered.
Alternativement, il est également possible de procéder par une transformée en ondelettes (cas intermédiaire des deux précédents). Bien entendu, un réseau de diffraction tel que décrit précédemment peut être remplacé par tout système permettant de générer une fonction de phase et/ou d'absorption équivalente, comme par exemple un modulateur spatial de lumière (SLM) ou un miroir déformable. Avec un SLM cependant, la nécessité de travailler en lumière polarisée entraîne une perte de photons préjudiciable notamment dans les applications de microscopie. Avec un miroir déformable, la limite vient du nombre réduit d'actuateurs qui se traduit par une trop grande période du réseau équivalent. Alternatively, it is also possible to proceed with a wavelet transform (intermediate case of the two previous ones). Of course, a diffraction grating as described above may be replaced by any system making it possible to generate an equivalent phase and / or absorption function, for example a spatial light modulator (SLM) or a deformable mirror. With SLM, however, the need to work with polarized light results in detrimental photon loss, especially in microscopy applications. With a deformable mirror, the limit comes from the reduced number of actuators that results in too much period of the equivalent network.
D'autres types d'éléments séparateurs peuvent être intégrés dans le dispositif selon la présente description pour former le senseur de courbure ainsi décrit. Il suffit qu'un tel élément séparateur permette de séparer le faisceau incident émis par le point lumineux en au moins deux faisceaux cohérents entre eux présentant une région de superposition spatiale dans laquelle les faisceaux interfèrent.  Other types of separator elements may be integrated in the device according to the present description to form the curvature sensor thus described. It suffices that such a separating element makes it possible to separate the incident beam emitted by the luminous point into at least two mutually coherent beams having a region of spatial superposition in which the beams interfere.
Les figures 4A et 4B illustrent ainsi deux exemples de dispositifs de mesure selon la présente description. Dans l'exemple de la figure 4A, l'élément séparateur comprend une lame séparatrice, par exemple une lame semi-réfléchissante, pour former un montage interférométrique de type interféromètre de Murty et dans l'exemple de la figure 4B, l'élément séparateur comprend un cube séparateur pour former un montage interférométrique de type Mach-Zender.  FIGS. 4A and 4B thus illustrate two examples of measuring devices according to the present description. In the example of FIG. 4A, the separating element comprises a separating plate, for example a semi-reflecting plate, to form a Murty interferometer-type interferometer assembly and in the example of FIG. 4B, the separating element comprises a splitter cube to form a Mach-Zender type interferometric assembly.
Le dispositif de télémétrie 300 schématisé sur la figure 4A comprend comme dans l'exemple de la figure 1B un détecteur bidimensionnel 30 avec un plan de détection PDET et un système d'imagerie 10 adapté pour former une image d'un point source Pi d'un plan objet d'intérêt 1 1 dans un plan image 1 1 ' proche d'un plan P'DET conjugué du plan de détection PDET, le dispositif comprenant en outre une optique relai 40 permettant de conjuguer le plan P'DET avec le plan de détection PDET- Dans l'exemple de la figure 4A, le dispositif de télémétrie 300 comprend par ailleurs une lame semi-réfléchissante 22 d'épaisseur e, par exemple une lame en verre d'indice n, agencée pour permettre une réflexion partielle sur chacune des interfaces air-verre de telle sorte à former deux faisceaux cohérents entre eux, référencés ΒΊ et B'2 sur la figure 4 A, qui présentent une région de superposition spatiale dans laquelle les faisceaux peuvent interférer. Dans l'exemple de la figure 4A, la lame semi-réfléchissante est agencée de telle sorte à former un angle de 45° avec l'axe optique du système d'imagerie, pour former un interféromètre connu sous le nom d' interféromètre de Murty. The telemetry device 300 shown diagrammatically in FIG. 4A comprises, as in the example of FIG. 1B, a two-dimensional detector 30 with a detection plane P D AND and an imaging system 10 adapted to form an image of a source point Pi an object plane of interest 1 1 in an image plane 1 1 'close to a plane P'DET conjugate PDET detection plane, the device further comprising a relay optics 40 to conjugate the plane P'DET with In the example of FIG. 4A, the telemetry device 300 furthermore comprises a semi-reflecting plate 22 of thickness e, for example a glass plate of index n, arranged to allow reflection. partially on each of the air-glass interfaces so as to form two coherent beams between them, referenced ΒΊ and B ' 2 in Figure 4 A, which have a region of spatial superposition in which the beams can interfere. In the example of FIG. 4A, the semi-reflecting plate is arranged so as to form an angle of 45 ° with the optical axis of the imaging system, to form an interferometer known as the Murty interferometer. .
Comme dans la description théorique précédemment décrite sur la base de l'utilisation d'un réseau, Γ interféra gramme /(x) formé sur le plan de détection par l'image d'un point source à une distance z de l'image par le système relai d'imagerie (40) de la lame semi- réfléchissante (ici confondu avec le plan du détecteur) peut être décrit par : As in the theoretical description previously described on the basis of the use of a network, Γ intergram / gram / (x) formed on the detection plane by the image of a point source at a distance z from the image by the imaging relay system (40) of the semireflecting plate (here confused with the plane of the detector) can be described by:
/(x) « i0(x) [l + cos (y [S(x - ε) - S(x + ε)])] (7) /(x) « ί0( ) [l + cos (γ^ )] (hypothèse Gaussienne) / (x) "i 0 (x) [l + cos (y [S (x - ε) - S (x + ε)])] (7) / (x)" ί 0 () [l + cos ( γ ^)] (Gaussian hypothesis)
Dans cet exemple cependant, le paramètre ε s'écrit: In this example however, the parameter ε is written:
V2 V2
ε «— e pour n = 1.6  ε «- e for n = 1.6
4  4
Avec n l'indice du verre constituant la lame de verre et e l'épaisseur de la lame. Le dispositif de télémétrie 400 schématisé sur la figure 4B comprend comme dans l'exemple de la figure 1B un détecteur bidimensionnel 30 avec un plan de détection PDET et un système d'imagerie 10 adapté pour former une image d'un point source Pi d'un plan objet d'intérêt 11 dans un plan image 11 ' proche d'un plan P'DET conjugué du plan de détection PDET, le dispositif comprenant en outre une optique relai permettant de conjuguer le plan P'DET avec le plan de détection PDET-With n the index of glass constituting the glass slide and e the thickness of the blade. The telemetry device 400 shown diagrammatically in FIG. 4B comprises, as in the example of FIG. 1B, a two-dimensional detector 30 with a detection plane P DET and an imaging system 10 adapted to form an image of a source point Pi d an object plane of interest 11 in an image plane 11 'close to a plane P' DET conjugated to the detection plane P DET , the device further comprising a relay optics enabling the plane P ' DET to be combined with the plane of detection P DET -
Dans cet exemple, l'optique relai comprend deux optiques 41, 42, entre lesquelles est agencé l'élément séparateur formé ici d'un interféromètre de Mach-Zender 23. L'interféromètre comprend dans cet exemple une lame séparatrice Si (ou d'un cube séparateur) permettant de former à partir du faisceau B' issu du point source Pi et émergent du système d'imagerie 10, deux faisceaux ΒΊ et B'2 cohérents entre eux. Ces faisceaux se propagent dans deux bras indépendants contenant chacun un miroir à réflexion totale (Ml s M2). Les faisceaux sont recombinés grâce au cube (ou lame) séparateur S2. Les faisceaux sont symbolisés par souci de clarté sur la figure 4B par leur axe optique. In this example, the relay optics comprises two optics 41, 42, between which is arranged the separating element formed here of a Mach-Zender interferometer 23. The interferometer comprises in this example a separating plate Si (or of a separator cube) making it possible to form, from the beam B 'coming from the source point Pi and emerging from the imaging system 10, two beams ΒΊ and B' 2 coherent with one another. These beams propagate in two independent arms each containing a mirror with total reflection (M ls M 2 ). The beams are recombined thanks to the cube (or blade) separator S 2 . The beams are symbolized for the sake of clarity in Figure 4B by their optical axis.
Comme dans l'exemple précédent, un décalage 2ε entre les faisceaux ΒΊ et B'2 est généré. Le décalage peut être obtenu et ajusté soit par un déplacement d'une des lames séparatrices (Si, S2) transversalement à l'axe optique ou par un basculement d'un des miroirs (Mi, M2). On aboutit à la même équation (7) que pour le cas de l'interféromètre de MurtyAs in the previous example, a shift 2ε between the beams ΒΊ and B ' 2 is generated. The offset can be obtained and adjusted either by a displacement of one of the separating plates (Si, S 2 ) transversely to the optical axis or by a tilting of one of the mirrors (Mi, M 2 ). We arrive at the same equation (7) as for the case of the Murty interferometer
Parmi les trois exemples d'éléments séparateurs décrits, le réseau de diffraction permet d'obtenir une plus grande stabilité de mesure du fait que les longueurs de propagation en espace libre des faisceaux cohérents entre eux et destinés à interférer sont moins importantes et du fait aussi que le nombre de paramètres libres influant sur la mesure sont moindres (notamment angle de la lame séparatrice dans le cas de Tinter féromètre de Murty et angles des miroirs et lames semi-réfléchissantes dans le cas de Tinter féromètre de Mach Zender). Le réseau de diffraction permet de plus également de travailler avec la totalité des photons provenant du point source, ce qui n'est pas le cas pour le montage Mach Zender par exemple. On préférera donc utiliser le réseau de diffraction comme élément séparateur. Comme expliqué précédemment, le réseau peut permettre en outre, en cas de suppression de Tordre 0, de former des interférences achromatiques à la différence des autres éléments séparateurs. Among the three examples of separator elements described, the diffraction grating makes it possible to obtain a greater measurement stability because the free space propagation lengths of the beams that are coherent with one another and intended to interfere are less important and, because of this, also the number of free parameters affecting the measurement are lower (notably the angle of the separating plate in the case of Murty's interferometer and angles of the mirrors and semi-reflective plates in the case of Mach Zender's interferometer). The diffraction grating also makes it possible to work with all the photons coming from the source point, which is not the case for the Mach Zender assembly, for example. It is therefore preferable to use the diffraction grating as a separating element. As explained above, the network can also allow, in case of suppression of the order 0, to form achromatic interferences unlike the other separator elements.
La figure 5 montre un schéma illustrant un exemple de dispositif selon la présente description, appliqué à l'imagerie microscopique tridimensionnelle, notamment pour l'imagerie de spécimens biologiques formés de complexes moléculaires. Les complexes moléculaires, dont les tailles moyennes sont typiquement de quelques nanomètres pour de petits complexes à environ 100 nanomètres pour les structures les plus imposantes, sont marqués selon des techniques connues par une sonde susceptible d'émettre un signal lumineux, par exemple une sonde fluorescente, formant ainsi des particules émettrices de dimensions inférieures à la limite de diffraction du système optique utilisé pour en former une image. Les particules que Ton cherche à localiser évoluent dans un milieu de support qui peut être liquide ou solide, par exemple sous forme de gel, par exemple un milieu biologique. Le milieu de support peut être agencé directement sur un porte - échantillon, déposé sur une plaque ou maintenu entre deux plaques, par exemple des plaques de verre. On appelle objet O (figure 5) le milieu de support et les particules émettrices y évoluant ainsi que la ou les plaque(s) de maintien le cas échéant.  FIG. 5 shows a diagram illustrating an exemplary device according to the present description, applied to three-dimensional microscopic imaging, in particular for imaging biological specimens formed of molecular complexes. The molecular complexes, whose average sizes are typically from a few nanometers for small complexes to about 100 nanometers for the most imposing structures, are marked according to known techniques by a probe capable of emitting a light signal, for example a fluorescent probe. , thus forming emitting particles smaller than the diffraction limit of the optical system used to form an image thereof. The particles that one seeks to locate evolve in a support medium that can be liquid or solid, for example in the form of a gel, for example a biological medium. The support medium may be arranged directly on a sample holder, deposited on a plate or held between two plates, for example glass plates. O object (FIG. 5) is the support medium and the emitting particles evolving therein, as well as the holding plate (s), if appropriate.
Le dispositif d'imagerie tridimensionnelle 500 comprend dans l'exemple de la figure 5 un système d'imagerie 10 apte à former de la particule émettrice (i.e. le point source) une image sur un plan de détection PDET d'un détecteur 30, avantageusement un détecteur matriciel, par exemple une caméra CCD, CMOS, une caméra amplifiée de type EMCCD (abréviation de l'expression anglo-saxonne « Electron Multiplying Coupled Charge Display »), une caméra sCMOS, une matrice de photomultiplicateurs. The three-dimensional imaging device 500 comprises in the example of FIG. 5 an imaging system 10 able to form the emitting particle (ie the source point) an image on a detection plane P DET of a detector 30, advantageously a matrix detector, for example a CCD camera, CMOS, an amplified camera EMCCD type (abbreviation of the English expression "Electron Multiplying Coupled Charge Display"), a camera sCMOS, a matrix of photomultipliers.
Le système d'imagerie 10 comprend dans cet exemple un objectif de microscope 12, corrigé par exemple pour une configuration optique de travail foyer - infini, associé à un objectif 13 dit lentille de tube, permettant de former une image sur un plan de détection intermédiaire 11 '. L'ensemble objectif de microscope et lentille de tube forme un système optique classique de microscope.  In this example, the imaging system 10 comprises a microscope objective 12, corrected for example for an optical configuration of focus-infinity work, associated with a lens 13, referred to as a tube lens, making it possible to form an image on an intermediate detection plane 11 '. The microscope objective assembly and tube lens forms a conventional optical microscope system.
Le dispositif d'imagerie 500 comprend en outre des objectifs de relai 40 permettant de former un plan P 'DET conjugué du plan de détection PDET du détecteur 30 dans l'espace image du système d'imagerie 10, le plan image 11 ' étant situé à proximité du plan conjugué P'DET. Du fait de la très petite taille des particules émettrices (inférieure à la limite de diffraction du système d'imagerie), l'image, qui est la convolution de l'objet avec la réponse impulsionnelle du système d'imagerie ou PSF, est ici sensiblement confondue avec la réponse impulsionnelle. Une plateforme motorisée (non représentée) peut être présente et permet de déplacer l'échantillon O dans un plan XY perpendiculaire à l'axe optique de l'objectif de microscope. Un dispositif mécanique de mise au point axiale (non représenté) peut être présent et permet de régler la position axiale de l'échantillon par rapport au plan focal objet de l'objectif de microscopie 12 et d'imager ainsi la zone d'intérêt. Le support d'échantillon, la plateforme motorisée, le dispositif de mise au point axiale, l'objectif de microscope 12 et la lentille de tube 13 sont agencés dans un corps de microscope 60 de type connu. Le corps de microscope peut comprendre par ailleurs et de façon classique un oculaire, une source d'éclairage de l'échantillon associée à un condenseur. The imaging device 500 further comprises relay objectives 40 making it possible to form a plane P ' DET conjugate of the detection plane P DET of the detector 30 in the image space of the imaging system 10, the image plane 11 'being located near the conjugate plane P' DET . Because of the very small size of the emitting particles (less than the diffraction limit of the imaging system), the image, which is the convolution of the object with the impulse response of the imaging system or PSF, is here substantially confused with the impulse response. A motorized platform (not shown) may be present and allows the sample O to be moved in an XY plane perpendicular to the optical axis of the microscope objective. A mechanical axial focusing device (not shown) may be present and can adjust the axial position of the sample relative to the focal plane object of the microscope objective 12 and thus image the area of interest. The sample holder, the motorized platform, the axial focusing device, the microscope objective 12 and the tube lens 13 are arranged in a microscope body 60 of known type. The microscope body may furthermore comprise, in a conventional manner, an eyepiece, a source of illumination of the sample associated with a condenser.
Dans l'exemple de la figure 5, le corps de microscope est de type inversé (objectif de microscope positionné sous l'échantillon) mais il pourrait tout aussi bien s'agir d'un microscope droit (objectif de microscope au-dessus de l'échantillon).  In the example of FIG. 5, the microscope body is of inverted type (microscope objective positioned under the sample) but it could equally well be a right microscope (microscope objective above the microscope). 'sample).
Le dispositif d'imagerie 500 comprend également un élément séparateur 20, par exemple un réseau bidimensionnel proche du plan conjugué P 'DET pour la formation d'au moins deux faisceaux cohérents entre eux présentant une région de superposition spatiale au niveau du détecteur, pour la mise en œuvre de la méthode de détermination de la distance selon la présente description. The imaging device 500 also comprises a separator element 20, for example a two-dimensional network close to the conjugate plane P ' DET for the formation of at least two coherent beams with a region of spatial superposition at the detector, for the implementing the method of determining the distance according to the present description.
Comme décrit précédemment, le réseau est par exemple un réseau de phase permettant de supprimer l'ordre 0 et dont le pas est choisi pour former sur le détecteur des interférences de période inférieure à la résolution latérale du microscope. Il est agencé perpendiculairement à l'axe optique de façon à ce que les répliques cohérentes entre elles se superposent et puissent interférer entre elles.  As described above, the network is for example a phase grating for suppressing the order 0 and whose pitch is chosen to form on the detector interference of period less than the lateral resolution of the microscope. It is arranged perpendicular to the optical axis so that the coherent replicas between them overlap and can interfere with each other.
Les figures 6A à 6C montrent des images obtenues à différentes étapes d'application de la méthode selon la présente description, dans une application de microscopie de super résolution mise en œuvre avec un dispositif du type de celui de la figure 5.  FIGS. 6A to 6C show images obtained at different stages of application of the method according to the present description, in a super-resolution microscopy application implemented with a device of the type of that of FIG. 5.
L'objet O est un échantillon biologique de cellules CHO (« Chinese Hamster Ovary ») fixées au paraformaldéhyde. Les protéines de tubuline du cytosquelette cellulaire ont été marquées fiuorescentes par anticorps spécifiques. Les sondes fluorescentes sont de type Alexa 647 et l'échantillon est observé au moyen d'un détecteur matriciel 30 de type CMOS par la technique dSTORM, dans laquelle le clignotement est obtenu par l'utilisation du produit de montage Vectashield (Vectro Labs) et l'utilisation d'un laser à 635 nm. Object O is a biological sample of CHO ("Chinese Hamster Ovary") cells fixed with paraformaldehyde. The tubulin proteins of the cellular cytoskeleton were fluorescently labeled with specific antibodies. The fluorescent probes are of the Alexa 647 type and the sample is observed by means of a CMOS type matrix detector 30 by the dSTORM technique, in which flashing is achieved through the use of the Vectashield mounting product (Vectro Labs) and the use of a 635 nm laser.
La figure 6A montre une image de fluorescence en début d'acquisition dSTORM ; la densité des molécules fluorescentes est encore importante, résultant en un continuum spatial de l'émission de fluorescence. Cependant, il est déjà possible de visualiser les interférences. La figure 6B montre un zoom sur une partie de l'image en cours d'acquisition dans laquelle la densité d'émetteurs est plus faible ; on observe ainsi la réponse d'un émetteur fluorescent unique (quantum dot) au sein duquel on distingue la modulation résultant de l'interférence des répliques cohérentes entre elles. La périodicité de cette modulation permet de déterminer le positionnement axial de l'émetteur par rapport au plan de référence, comme cela a été expliqué précédemment. Le positionnement latéral est obtenu en déterminant le centroid de l'imagette (ou point image) par barycentre ou idéalement par ajustement de l'imagette par une gaussienne décrivant la PSF du système d'imagerie 10, après suppression de la modulation par filtrage (passe-bas fréquentiel) de l'imagette. La figure 6C montre l'image en dSTORM 3D reconstruite par localisation 3D de chaque émetteur de fluorescence selon la présente description (comme en 6B) grâce au clignotement stochastique des émetteurs, l'échelle de gris représentant le positionnement axial des émetteurs. Ces images illustrent l'application de la présente méthode même sur des continuums de fluorescence sur lesquels des méthodes standard d'imagerie 3D (par exemple les techniques basées sur le contrôle de la forme de la PSF ne pourraient fonctionner).  Figure 6A shows a fluorescence image at the start of acquisition of dSTORM; the density of the fluorescent molecules is still significant, resulting in a spatial continuum of fluorescence emission. However, it is already possible to view the interference. Figure 6B shows a zoom on part of the image being acquired in which the density of emitters is lower; the response of a single fluorescent emitter (quantum dot) in which the modulation resulting from the interference of coherent replicas between them is distinguished. The periodicity of this modulation makes it possible to determine the axial positioning of the transmitter relative to the reference plane, as explained above. The lateral positioning is obtained by determining the centroid of the image (or image point) by barycentre or ideally by adjusting the image by a Gaussian describing the PSF of the imaging system 10, after suppression of the filtering modulation (pass low frequency) of the thumbnail. FIG. 6C shows the dSTORM 3D image reconstructed by 3D localization of each fluorescence emitter according to the present description (as in 6B) thanks to the stochastic flashing of the emitters, the gray scale representing the axial positioning of the emitters. These images illustrate the application of the present method even on fluorescence continuums on which standard methods of 3D imaging (for example the techniques based on the control of the shape of the PSF could not function).
Les figures 7 A, 7B, 7C montrent des mesures expérimentales de la distribution de lumière mesurée en utilisant un montage de type 500 en présence d'émetteurs fluorescents uniques (de type nanocrystal semi-conducteur, ou quantum dot) situés soit dans un plan conjugué du détecteur (7B) soit avant (7C), soit après (7 A) tout en restant dans la profondeur de champ (i.e. pas de variation de la dimension de l'image). On voit clairement Γ interfrange Λ changer en fonction du positionnement axial de l'émetteur (i) bien que l'on soit dans la profondeur de champ et (ii) sans que la taille de l'image de l'émetteur ne soit élargie par rapport à l'imagerie classique (cercle de confusion).  FIGS. 7A, 7B, 7C show experimental measurements of the light distribution measured using a type 500 assembly in the presence of single fluorescent emitters (of the nanocrystal semiconductor type, or quantum dot) situated either in a conjugated plane the detector (7B) is before (7C) or after (7A) while remaining in the depth of field (ie no variation of the dimension of the image). It is clear that Γ interfringe Λ change depending on the axial positioning of the transmitter (i) although one is in the depth of field and (ii) without the size of the image of the transmitter is widened by compared to classical imagery (circle of confusion).
A titre de comparaison, les figures 8A et 8B représentent des images expérimentales d'un même échantillon biologique obtenues par une technique d'imagerie d'epi-fluo standard (8 A) et d'imagerie dSTORM 3D avec la technique proposée dans la présente description (8B) là encore sur une cellule CHO (Chinese Hamster Ovary) fixée au paraformaldéhyde. On observe clairement le gain en résolution latérale (8B) par rapport à 8A et également le positionnement axial permettant de suivre l'évolution spatiale 3D du cyto squelette. Outre les applications en microscopie tridimensionnelle, les déposants ont montré que la méthode de mesure de distance selon la présente description peut également s'appliquer à la télémétrie « passive » c'est-à-dire sans mesure de temps de vol, pour la mesure de distances d'objets dans une scène. By way of comparison, FIGS. 8A and 8B represent experimental images of the same biological sample obtained by a standard epi-fluo (8 A) imaging and 3D STORM imaging technique with the technique proposed herein. description (8B) again on a CHO cell (Chinese Hamster Ovary) attached to paraformaldehyde. The gain in lateral resolution (8B) with respect to 8A is clearly observed and also the axial positioning allowing to follow the 3D spatial evolution of the cyto skeleton. In addition to applications in three-dimensional microscopy, the applicants have shown that the distance measurement method according to the present description can also be applied to "passive" telemetry, that is to say without measurement of flight time, for the measurement. of distances of objects in a scene.
La figure 9 représente ainsi une scène avec plusieurs objets Oi, 02, situés à différentes distances d'un dispositif de mesure de distance 600. Les objets sont éclairés en lumière naturelle et rétro diffusent la lumière naturelle de telle sorte que chaque point d'un objet Oi forme un point source Pi. FIG. 9 thus represents a scene with several objects O 1 , O 2 , situated at different distances from a distance measuring device 600. The objects are illuminated in natural light and retro diffuse the natural light so that each point of an object Oi forms a source point Pi.
Le dispositif 600 comprend comme précédemment un détecteur 30 avec un plan de détection PDET, un système d'imagerie 10 adapté à former de la scène une image dans un plan image situé à proximité du plan de détection PDET, et un élément séparateur 20, par exemple un réseau de diffraction proche du plan de détection PDET, et permettant de former à partir d'un faisceau émis par le point lumineux et émergeant du système d'imagerie au moins deux faisceaux cohérents entre eux (« répliques ») présentant une région de superposition spatiale dans laquelle les faisceaux interfèrent. Le système d'imagerie 10 comprend par exemple un objectif photo ou vidéo adapté à travailler à l'infini The device 600 comprises, as previously, a detector 30 with a detection plane P DET , an imaging system 10 adapted to form a scene in an image plane located near the detection plane P DET , and a separator element 20. , for example a diffraction grating close to the detection plane P DET , and making it possible to form, from a beam emitted by the light point and emerging from the imaging system, at least two mutually coherent beams ("replicas") presenting a region of spatial superposition in which the beams interfere. The imaging system 10 comprises for example a photo or video lens adapted to work at infinity
La reconstruction du positionnement axial des points source peut se faire dans un volume de quelques fois la profondeur de champ (~10x) du système d'imagerie. Les résolutions axiales sont de l'ordre de la profondeur de champ et jusqu'à 1/100 de cette dernière. En fonction de l'objectif photo ou vidéo utilisé (ouverture, focale) les valeurs absolues de la résolution axiale et de la profondeur de champ changent. Il peut être intéressant d'ajuster l'ouverture étant donnée une focale pour que la dynamique de mesure de positionnement axial des différents points de l'objet englobe la totalité des objets d'intérêt dans une scène donnée ; c'est-à-dire que les objets d'intérêt soient compris dans quelques fois la profondeur de champ. Egalement, si la focale et l'ouverture sont figées, la modification du décalage latéral ε (par exemple, dans le cas d'utilisation d'un réseau, en translatant suivant l'axe optique ce dernier par rapport au plan de détection) permet d'ajuster la dynamique de mesure de positionnement axial avec la technique décrite afin d'obtenir une reconstruction de la totalité des objets d'intérêt de la scène.  The reconstruction of the axial positioning of the source points can be done in a volume of a few times the depth of field (~ 10x) of the imaging system. Axial resolutions are of the order of depth of field and up to 1/100 of the latter. Depending on the photo or video lens used (aperture, focal length) the absolute values of the axial resolution and the depth of field change. It may be interesting to adjust the aperture given a focal length so that the dynamic measurement of axial positioning of the various points of the object encompasses all the objects of interest in a given scene; that is, the objects of interest are included in the depth of field a few times. Also, if the focal length and the aperture are fixed, the modification of the lateral offset ε (for example, in the case of use of a grating, by translating the latter with respect to the detection plane according to the optical axis) allows to adjust the axial positioning measurement dynamic with the technique described in order to obtain a reconstruction of all the objects of interest of the scene.
Dans ce mode de réalisation, la mesure de la variation de l'interfrange d'un point à un autre permet de remonter au profil 3D des constituants de la scène.  In this embodiment, the measurement of the variation of the interfringe from one point to another makes it possible to go back to the 3D profile of the constituents of the scene.
Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation, la méthode optique de télémétrie selon l'invention et le dispositif pour la mise en œuvre de ladite méthode comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention telle que définie par les revendications qui suivent. Although described through a certain number of exemplary embodiments, the optical telemetry method according to the invention and the device for implementing said method comprise different variants, modifications and improvements which will be obvious to those skilled in the art, it being understood that these various variants, modifications and improvements are within the scope of the invention as defined by the following claims.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (100, 200, 300, 400, 500) de mesure de la distance, par rapport à un plan de référence (PREF), d'un point lumineux (Pi) d'un objet (O), comprenant : 1. Device (100, 200, 300, 400, 500) for measuring the distance, with respect to a reference plane (PREF), of a luminous point (Pi) of an object (O), comprising:
- un détecteur bidimensionnel (30) comprenant un plan de détection (PDET); - un système d'imagerie (10) adapté à former une image d'un point lumineuxa two-dimensional detector (30) comprising a detection plane (PDET); an imaging system (10) adapted to form an image of a luminous point
(Pi) situé sur un plan objet d'intérêt (1 1) dans un plan image (1 1 ') situé à proximité du plan de détection (PDET) OU d'un plan (P'DET) conjugué du plan de détection; (Pi) located on an object plane of interest (1 1) in an image plane (1 1 ') located near the detection plane (PDET) OR a plane (P'DET) conjugate of the detection plane;
- un élément séparateur (20) permettant de former à partir d'un faisceau émis par un point lumineux du plan objet d'intérêt (1 1) et émergeant du système d'imagerie (10) au moins deux faisceaux cohérents entre eux, présentant une région de superposition spatiale dans laquelle les faisceaux interfèrent; a separating element (20) making it possible to form, from a beam emitted by a luminous point of the object plane of interest (1 1) and emerging from the imaging system (10), at least two coherent beams with one another, presenting a region of spatial superposition in which the beams interfere;
- des moyens de traitement du signal (50) permettant de déterminer à partir de la figure d'interférence formée sur le plan de détection et résultant des interférences optiques entre lesdits faisceaux cohérents entre eux, la distance du point lumineux à un plan conjugué du plan de détection dans l'espace objet du système d'imagerie (10), ledit plan conjugué du plan de détection formant le plan de référence (PREF). signal processing means (50) making it possible to determine, from the interference pattern formed on the detection plane and resulting from optical interferences between said coherent beams, the distance of the luminous point to a conjugate plane of the plane detection device in the object space of the imaging system (10), said conjugate plane of the detection plane forming the reference plane (PREF).
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel la période (Λ) des franges de la figure d'interférence ainsi formée est plus petite que la résolution du système d'imagerie. 2. Device according to claim 1, wherein the period (Λ) of the fringes of the interference pattern thus formed is smaller than the resolution of the imaging system.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément séparateur comprend un réseau de diffraction (21) proche du plan d'imagerie (1 1 '). 3. Device according to one of the preceding claims, wherein the separator element comprises a diffraction grating (21) close to the imaging plane (1 1 ').
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le réseau de diffraction est un réseau de diffraction bidimensionnel. 4. Device according to claim 3, wherein the diffraction grating is a two-dimensional diffraction grating.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, dans lequel le réseau de diffraction est un réseau en transmission, respectivement en réflexion, qui ne transmet pas, respectivement ne réfléchit pas, l'ordre zéro. 5. Device according to any one of claims 3 or 4, wherein the diffraction grating is a transmission network, respectively in reflection, which does not transmit, respectively does not reflect, the zero order.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une optique relai (40) permettant de former un plan conjugué du plan de détection dans l'espace image du système d'imagerie. 6. Device according to any one of the preceding claims, further comprising a relay optics (40) for forming a conjugate plane of the detection plane in the image space of the imaging system.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes appliqué à l'imagerie microscopique tridimensionnelle, dans lequel le système d'imagerie comprend un objectif de microscope (12). The device of any one of the preceding claims applied to three-dimensional microscopic imaging, wherein the imaging system comprises a microscope objective (12).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 appliquée à la télémétrie passive, dans lequel système d'imagerie comprend un objectif photo ou vidéo adapté à travailler à l'infini. 8. Device according to any one of claims 1 to 6 applied to passive telemetry, wherein the imaging system comprises a photo or video lens adapted to work at infinity.
9. Méthode pour la mesure de la distance, par rapport à un plan de référence (PREF), d'un point lumineux (Pi) d'un objet d'intérêt (O), comprenant : 9. Method for measuring the distance, with respect to a reference plane (P REF ), from a luminous point (Pi) of an object of interest (O), comprising:
- la formation d'une image du point lumineux (Pi) situé sur un plan image (11 ') situé à proximité du plan de détection (PDET) d'un détecteur bidimensionnel (30) ou d'un plan (P'DET) conjugué du plan de détection; the formation of an image of the luminous point (Pi) situated on an image plane (11 ') located near the detection plane (P DET ) of a two-dimensional detector (30) or a plane (P' DET) ) conjugate of the detection plan;
- la formation, au moyen d'un élément séparateur (20), à partir d'un faisceau (Β') émis par le point lumineux (Pi) et émergeant du système d'imagerie (10) d'au moins deux faisceaux cohérents entre eux (ΒΊ, B'2) et présentant une région de superposition spatiale dans lesquels les faisceaux cohérents entre eux interfèrent; the formation, by means of a separating element (20), from a beam (Β ') emitted by the luminous point (Pi) and emerging from the imaging system (10) from at least two coherent beams between them (ΒΊ, B ' 2 ) and having a region of spatial superposition in which the beams coherent with each other interfere;
- la détermination, à partir de la figure d'interférence formée sur le plan de détection (PDET) et résultant des interférences optiques entre lesdits faisceaux cohérents entre eux, de la distance du point lumineux (Pi) à un plan conjugué du plan de détection dans l'espace objet du système d'imagerie (10), ledit plan conjugué du plan de détection formant le plan de référence (PREF). the determination, from the interference pattern formed on the detection plane (P DET ) and resulting from the optical interferences between said coherent beams, of the distance from the luminous point (Pi) to a conjugate plane of the plane of detection in the object space of the imaging system (10), said conjugate plane of the detection plane forming the reference plane (P REF ).
10. Méthode selon la revendication 9, dans laquelle la distance du point lumineux (Pi) au plan de référence est obtenue à partir de la mesure de la période (Λ) des franges de la figure d'interférence. 10. The method of claim 9, wherein the distance from the luminous point (Pi) to the reference plane is obtained from the measurement of the period (Λ) of the fringes of the interference figure.
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